Variaciones basadas en transformaciones de anillos

Variaciones basadas en transformaciones de anillos
Las modificaciones pueden seguir tres enfoques:
Analógico: la complejidad global de la molécula no se altera
Se obtienen análogos muy relacionados mediante:
interconversiones cadena ↔ anillo
contracción o expansión de anillos
reorganización de sistemas de anillos
Disyuntivo: se simplifica progresivamente el sistema de anillos de la
molécula
Se busca información sobre la mínima porción estructural
necesaria para la actividad
Conjuntivo: se incrementa la complejidad estructural por agregado de
nuevos anillos
Se busca restringir la movilidad de compuestos flexibles e
imponer conformaciones y configuraciones precisas
Analogía por apertura de anillos
Tiene una aplicación limitada y en la mayoria de los casos corresponde a copias
terapéuticas
Anillos potenciales
El análogo abierto se cicla in vivo por oxidación o deshidratación. El compuesto
es un precursor de la especie activa (una prodroga)
Cl
Cl
NH
N
H
N
N
H
NH2
NH
N
N
N
H
NH2
Proguanil (antimalárico)
Cicloguanil (verdadero
principio activo)
inactivo in vitro
activo in vitro
activo in vivo
activo in vivo
se excreta
rapidamente
por el riñón
1
El canrenoato de potasio se puede administrar por via parenteral
Se transforma in vivo en canrenona un antagonista de aldosterona y
principal metabolito de spironolactona
CO2K
O
OH
O
in vivo
O
O
canrenoato de potasio
inactivo, soluble en agua
canrenona
diurético
Pseudociclos
El análogo abierto asume una conformación similar a la del compuesto cíclico
(verificable por RMN o Rayos X)
Los análogos abiertos del hipotensivo clonidina tienen el mismo perfil de
actividad con una pérdida de potencia de 30 a 100
Cl
H
N
Cl
N
HN
clonidina
-19% a 0,3 μmol/kg
Cl
H
N
N
Cl
HN
seco-clonidina
-7% a 10 μmol/kg
Cl
N
Cl
H
N
NH2
-23% a 10 μmol/kg
2
En el caso del hipotensivo cromakalim el análogo de cadena abierta tiene 1/3
de la potencia
O
N
NC
OH
N
NC
O
OH
O
cromakalim
-39% a 0,3 μmol/kg
-22% a 1,0 μmol/kg
H
NH
N
Cl
O
N
Cl
clonidina
El estradiol tiene varios análogos de cadena abierta con potencia similar
En este caso la forma general de la molécula y la distancia entre los grupos
funcionales son los factores que determinan la unión al receptor
O
H
OH
HO
OH
HO
estradiol
O
OH
OH
HO
HO
3
Analogía por cierre de anillos
La ciclación de estructuras abiertas o el agregado de anillos da una estructura más
restringida conformacionalmente.
Ventajas: permite encontrar conformaciones biologicamente activas
Desventajas: puede introducir nuevos centros de isomería
HO
CO2H
HMG-CoA
reductasa
HO
CO2H
O
OH
ácido mevalónico
SCoA
HO
HO
O
O
O
O
H
O
in vivo
CO2H
OH
O
H
R
R
R = H, mevinolina (lovastatina)
R = CH3, compactina
Varias copias terapéuticas del analgésico ketoprofeno fijan la orientación
de la cadena lateral y son potentes analgésicos que producen muy baja
irritación gástrica
O
CO2H
ketoprofeno
O
O
CO2H
O
X
CO2H
O
CO2H
X = O, S, SO, SO2
4
La rigidización gradual de la molécula de GABA conduce al potente agonista
THIP que es metabólicamente estable
HO
O
HO
HO
O
O
HO
N
O
H2N
N
H2N
N
H
H
GABA
agonistas de
GABA
isogavucina
THIP
En algunos casos la estrategia falla. La conformación del agonista de GABA baclofen
en estado sólido es idéntica a la del análogo con puente etileno (n = 2) que es
inactivo
NH2
NH2
CO2H
CO2H
X
X = H, Cl
n = 1, 2, 3
(CH2)n
X
baclofen
El análogo ciclado de nicotina tiene el mismo perfil farmacológico in vivo y
potencia similar pero no compite por la unión al receptor
H
H
N
N
H
N
N
nicotina
El nefopam es el análogo ciclado de los antihistamínicos difenhidramina
(benadryl) y orfenadrina
relajante
muscular sin
acción
antihistamínica
O
O
O
N
N
N
nefopam
difenhidramina
orfenadrina
5
El antiinflamatorio fenilbutazona derivó en numerosas copias terapéuticas
por interconversiones cadena anillo
n-Bu
HO2C
H
N
N
O
N
n-Bu
O
n-Pr
O
O
N
N
N
fenilbutazona
1951
eutomol
1964
n-Bu
O
H
N
Cl
N
N
N
NMe2
prolixan
1966
n-Bu
O
O
N
n-Pent
O
N
O
N
O
O
N
1973
1970
1968
Analogía por expansión y contracción de anillos
Pueden considerarse como variaciones homólogas en series cíclicas
O
O
NH
NH
O
Et
CO2Et
O
Et
NH
O
NH
heptabarbital
N
N
O
ciclobarbital
CO2Et
meperidina
etoheptazina
En la conversión de barbituratos a hidantoinas se pierde un carbonilo pero se retienen
las propiedades antiepilépticas
O
R1
NH
R2
NH
R1
O
O
R2
O
NH
O
NH
6
Analogía por reorganización de anillos
H
N
N
Anillos simples pueden
reorganizarse a sistemas
espiránicos o policíclicos
NH2
NH
guanetidina
H
H
N
N
NH2
N
N
NH
NH
H
H
N
NH2
N
NH2
NH2
N
N
NH
NH
H
H
N
NH2
NH2
N
N
N
NH
NH
La disociación de sistemas de anillos fusionados especialmente en
benzoderivados puede mejorar solubilidad o disminuir la toxicidad de largo
plazo
H
O
N
N
O
N
benperidol
F
H
O
O
N
N
N
F
espiroperidol
7
La disociación y la reorganización pueden combinarse
A
B
N
N
N
S
A
B
N
antiparasitarios
S
N
tetramisol
H
tiabendazol
H
H
HO
NH
agonistas
del receptor
D1 de
dopamina
HO
NH
HO
HO
DPTI
SKF 38 393
Enfoques disyuntivos
Esta simplificación lleva de la morfina a las fenilpiperidinas (meperidina) y de la
cocaina a la procaina
CH3
CH3
N
N
O
OCH2CH3
OH
OH
meperidina (Demerol)
analgésico no adictivo
morfina
MeO2C
O
O
cocaina
O
H2N
O
NMe
O
eucaina
O
NMe
N
O
procaina
analgésico no narcótico
8
En el antagonista natural de CCK, asperlicina un estudio disyuntivo permitió
ubicar los elementos de benzodiazepina y tetrahidroindol
O
N
N
N
NHCO
HN
N
N
O
H
N
NH
O
indolilcarboxamidas
asperlicina
Enfoques conjuntivos
Utiliza anillos suplementarios para restringir el movimiento
Aplicado al ácido glutámico condujo a potentes antagonistas de NMDA y AMPA
CO2H
H2N
PO3H2
PO3H2
CO2H
H2N
N
CO2H
PO3H2
CO2H
N
H
ácido glutámico
N
N N
NH
PO3H2
PO3H2
H
H
H
H
H
H
H
H
N
H
CO2H
CO2H
H
H
N
H
CO2H
N
CO2H
H
9
O
O
F
F
CO2H
N
N
N
HN
N
HN
Et
A partir del
antibacteriano
norfloxacina se
llegó a los muy
potentes análogos
tetracíclicos
CO2H
S
O
norfloxacina
N
N
N
O
N
O
N
N
CH2
CH2
ondansetrón
antagonista de 5-HT3
n = 1, cilansetrón
10 veces más potente
(CH2)n
Con la misma metodología se obtuvieron análogos de captopril basados en
estudios de modelado de inhibidores de ACE
HS
N
O
N
CO2H
HS
HS
O
CO2H
N
O
CO2H
captopril
H
N
HS
O
S
N
CO2H
HS
O
CO2H
10
Estrategias generales de diseño
Enfoque analógico
mantiene la complejidad de la molécula
usualmente basado en reemplazos isostéricos o inversiones
funcionales
Enfoque disyuntivo
simplifica la estructura original
usualmente aplicado a productos naturales
identifica la parte esencial de la molécula (farmacóforo)
Enfoque conjuntivo
agrega unidades adicionales a la molécula
síntesis asociativa, drogas gemelas simétricas y no simétricas
Un enfoque conjuntivo
modifica un agonista de
GABAB en antagonista
Cl
H
PO3H2
H2N
OH
N
Cl
O
P
OH
CGP 27492
CGP 55845
El agonista del receptor
H2 de histamina deriva
de histamina
NH
NH2
N
HN
N
HN
histamina
N
N
N
H
H
S
NH
impromidine
11
Estrategias aplicadas al diazepam
O
N
O
N
Cl
O
N
N
O
N S O
N
O
N
O
N
N
S
N
Cl
Cl
O
N
Cl
O
N
Cl
N
N
O
N
N
Cl
N
Cl
N
N
N
O
N
Cl
N
X
N
Cl
O
N
N
Cl
O
N
Y
X,Y = CF3, Cl, CN, NO2
O
N
O
N
Cl
Cl
N
O
N
N
O
N
Cl
N
O
N
N
N
H
Cl
12
Según las reglas de Lipinski un candidato a droga debe tener:
Peso molecular menor de 500
Lipofilicidad por debajo de log P = 5
No contener más de 5 donores de puente H
No contener más de 10 átomos de O y/o N
Si dos o más de estas condiciones no se cumplen debe esperarse una absorción
pasiva pobre
En forma cuantitativa pueden aplicarse parámetros de área de superficie polar y de
relación Volumen/superficie para predecir absorción oral y penetración de la
barrera hematoencefálica
Lipinski, C. A., Lombardo F., Dominy, B. W., Feeney, P. J.
Adv. Drug Del. Rev. 23, 3–25 (1997)
Se debe dar prioridad a los análogos que requieran menos modificaciones
Deben usarse los datos biológicos disponibles que permitan anticipar el
comportamiento de la molécula
Incorporar datos de requerimientos estructurales a medida que se dispone de ellos
Elección de los sustituyentes correctos de modo de minimizar el número de
compuestos necesarios para explorar las propiedades en el espacio de trabajo
13
Deben prepararse primero aquellos análogos cuya síntesis es más sencilla
En lo posible deben eliminarse los centros quirales por ejemplo creando simetría en
la molécula
HO
De los 7 centros quirales de
lovastatina solo 2 son importantes.
O
O
O
O
H
lovastatina
Estos se conservan en la segunda
generación de análogos:
HO
HO
O
HO
CO2-
O
CO2-
OH
OH
F
F
F
N
N
O
HR 780
NH
CH3SO2
N
N
rosuvastatina
(como sal de Ca2+)
atorvastatina
(como sal de Ca2+)
(lipitor)
14
límites de detección olfativa de lactonas presentes en vinos
Actividad biológica de enanteómeros
relación eudísmica =
relación de afinidades de
los enanteómeros (+) y (-)
5-
(+) butaclamol
*
*
Diasterómero RS: agonista CCK1
Diasterómero SR: antagonista CCK1
15
Drogas quirales y aquirales (1988)
Drogas quirales y aquirales (1983-2002)
H. Caner et al., Drug Discov. Today 9, 105-110 (2004)
16
Efectos específicos de sustituyentes
Grupos metilo
Efectos en la solubilidad
Lipofilicidad
mayor lipofilicidad
tolueno
490
benceno
135
propionamida
360
acetamida
83
N-metilurea
44
urea
15
Interacciones hidrofóbicas
En ocasiones el agregado de varios metilos puede hacer a la molécula más globular
(compacta) aumentando la solubilidad en agua
Disminución de la fuerza de cohesión del cristal
Los metilos pueden dificultar interacciones electrostáticas, de puente de hidrógeno,
etc, disminuyendo la energía de atracción entre las moléculas y facilitando la
disolución en agua
R1
R2
pKa
% ionizado a
pH 5,2
solubilidad a
pH 5,2 (37º)
H
H
6,5
3,9
0,5 mM
sulfamerazina
Me
H
7,1
1,4
1,3 mM
sulfamidina
Me
Me
7,4
0,7
2,4 mM
sulfadiazina
R1
N
H2N
SO2NH
N
R2
17
Efectos conformacionales
Las interacciones estéricas pueden modificar la conformación generando interacciones
ligando receptor favorables o desfavorable
CH3
O
N
O
N
difenhidramina
N
o-metildifenhidramina
(1/5 de la actividad)
fenindamine
En esteroides los metilos angulares bloquean la cara superior de la molécula. El
metilo 18 además impone una conformación preferencial a la cadena lateral en C-20
CH3
CH3
17
O
HO
Efectos electrónicos
Los metilos (y alquilos en general) son los únicos sustituyentes que actúan como
donores de electrones por efecto inductivo, es decir son donores en cualquier
entorno
Siempre es conveniente incluir un sustituyente metilo en un estudio de relaciones
estructura-actividad, como un donor de electrones representativo
En segundo lugar debe elegirse un atractor de electrones (Cl, CN, NO2, CF3)
+
NH3
HN
+
NH3
HN
N
+
NH3
H1 = H2 = 100%
HN
N H1 = 17%
H2 < 2%
R
HN
N
H
H
N
N
N
H1 = 0,2%
H2 = 50%
S
R = H burimamida pKa = 7,25
R = Me metilburimamida pKa = 7,80
18
Efectos en el metabolismo
El metilo es oxidado
Usualmente a grupo carboxilo. El colocar un metilo en un anillo aromático suele ser
un buen método de detoxificación
El metilo es transportado
Los metilos sobre N o S puede favorecer su transformación a iones amonio o
sulfonio que actúan como donores de metilo.
Si el metilo está unido a un buen grupo saliente (sulfatos, sulfonatos) se convierte
en alquilante y hay riesgo de carcinogenicidad
El metilo bloquea un centro reactivo
Por ejemplo enmascarar H reactivos de OH o SH
En esteroides la posición alílica 6 es facilmente oxidable. Esto se evita por metilación
OH
O
OH
O
OH
OH
O
O
prednisolona
CH3
6α-metilprednisolona
metabólicamente más estable
Los péptidos pueden hacerse más resistentes a la hidrólisis por metilación del N
peptídico
19
Grupos relacionados
Gem-dimetilos y espiro-ciclopropilos son útiles para convertir un carbono
en cuaternario
Ciclopropilo es menos voluminoso que isopropilo teniendo un efecto
donor de electrones similar
El ciclopentilo genera máximo efecto donor con un volumen razonable.
Suele ser un grupo adecuado para llenar huecos hidrofóbicos en enzimas
y receptores.
Efectos inesperados de la variación de un grupo alquilo
20
Efectos de grupos insaturados
Aumento de la potencia narcótica
Generan isomería geométrica
Efectos electrónicos
Aumento de la reactividad por conjugación
Facilitan el metabolismo
Los grupos vinilo son poco utilizados
Los ciclopropilos son una alternativa interesante a los vinilos y evitan problemas de
interconversión de isómeros
NH2
NH2
tranilcipromina
NH
análogo etilénico hidrolizable
Los derivados alílicos suelen ser hepatotóxicos e irritantes y generalmente no se
utilizan
Los grupos acetileno son usados por su efecto electrónico como reemplazo
bioisostérico de anillos aromáticos y para imponer restricciones estructurales
Desde el punto de vista estructural proveen una disposición geométrica rígida en línea
º
4,2 A
C C C C
OH
N
O
O
N
H2N
OH
H2N
GABA
O
oxotremorina
ácido 4-aminotetrólico
Los 17α-etinil-esteroides son activos por via oral
HO
HO
HO
O
etinilestradiol
noretindrona
21
Reemplazo de un anillo aromático
N
naftifina
HO
NH2
HO
dopamina
NPr2
N
H
terbinafina
agonista fuerte
del receptor D3
de dopamina
antifúngicos tópicos
H. Hübner et al., J. Med.Ed. Engl. 26, 320-328 (1987)
A. Stütz, Angew. Chem. Int. Chem. 43, 756-762 (2000)
Efecto de halogenación
Efectos estéricos
La sustitución por halógenos puede fijar conformaciones o enmascarar grupos
funcionales
El derivado 2,6-diclorado (clonidina, hipotensivo) mantiene los anillos no coplanares
y resulta más activo que el 3,4-diclorado:
Cl HN
Cl
HN
NH
N
NH
Cl
N
Cl
CE 0,01 mg/kg
20
CE 3,00 mg/kg
20
Efectos electrónicos
Las propiedades atractoras de electrones son máximas para cloro y bromo, menores
para iodo y muy débiles para flúor
El efecto mesomérico de los halógenos generalmente no se manifiesta en medios
biológicos
22
Efectos hidrofóbicos
Los halógenos son predominantemente lipofílicos
Este efecto es notorio en los halocarbonos anestésicos, los halofenoles antisépticos
y los insecticidas clorados.
La acumulación de halógenos favorece el pasaje a través de biomembranas y el
acceso al sistema nervioso central
Cl
OH
OH
Cl
Cl
O
Cl
CCl 3
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Cl
dieldrin
Cl
Cl
Cl
DDT
Cl
hexaclorofeno
Reactividad
Todos los enlaces C-Hal (excepto C-F) son más débiles que C-H
Usos de los halógenos
Los más usados son cloro y flúor unidos a carbonos no activados
Flúor tiene tamaño similar al hidrógeno y es usado principalmente para bloquear
posiciones lábiles metabolicamente
Bromo tiene menos aplicaciones y es usado generalmente como bromoarilo
Su mayor inconveniente es generar intermediarios alquilantes confiriendo
propiedades tóxicas en tratamientos prolongados
Iodo es el halógeno menos usado
El enlace C-I es débil y puede liberar iones ioduro produciendo reacciones de
hipersensibilidad o problemas crónicos
Es indispensable en tratamientos de deficiencias tiroideas y como medio de contraste
radiológico
23
Cloro, CF3, CN, N3, son bioisósteros
Otros posibles bioisósteros son SCN, SCF3, SO2CF3 y CH=CF2
O
Inhibición de MAO (CI50 nM)
X=H
1200
X=Br
200
X=CF3
100
X=SO2CF3 27
N
H
X
N
R1
O
Incorporación de 3H-dopamina (CI50 nM)
R1=R2=OCH3 2876
115
R1=H, R2=Cl
R1=R2=Cl
75
R2
Grupos hidroxilo
El efecto principal es en la disminución de lipofilicidad (un OH aproximadamente
compensa a un cloro)
En muchos casos constituyen elementos clave en la interacción droga-receptor
La hidroxilación metabólica es un mecanismo de detoxificación
Grupos tiol, tioéter y sulfuro
Las drogas con grupos SH son usadas por la gran afinidad del S hacia metales
pesados (unión a receptores a través de metales como zinc, etc.)
Ciertas toureas heterocíclicas son usadas como drogas antitiroideas
N
NH
NH
S
NH
O
O
goitrin
S
N
H
H
N
SH
metimazol
N
S
CO2Et
carbimazol
propiltiouracilo
24
Grupos ácidos y grupos básicos
La introducción de grupos ácidos tiene efectos esencialmente solubilizantes
En muchos casos la actividad inicial se pierde y la toxicidad disminuye. La actividad
se recupera al formar un derivado (éster, amida, etc.)
En moléculas grandes la actividad se mantiene a pesar del grupo carboxilo
Los grupos básicos son aminas, amidinas, guanidinas y casi todos los heterociclos
nitrogenados
La introducción de grupos básicos tiene efectos solubilizantes
Las aminas primarias suelen ser menos específicas que las secundarias y terciarias y
la acilación disminuye drásticamente la actividad
Las aminas aromáticas son más peligrosas que las alifáticas y forman metabolitos
tóxicos. Se detoxifican por introducción de un carboxilo
Lipofilicidad y la barrera hematoencefálica
compuestos polares
compuestos lipofílicos
OH
HO
NH2
NHCH3
HO
CH3
OH
epinefrina
NHCH3
anfetamina
CH3
efedrina
HO
HO
NH2
R
R = H Dopamina
NHCH3
O
CH3
O
éxtasis
R = CO2H L-DOPA
25
La fuerza de una interacción entre una droga y su receptor puede
determinarse directamente de la constante de equilibrio para la interacción
ligando
+
KD =
receptor
complejo ligando-receptor
[ligando] [receptor]
[complejo ligando-receptor]
La constante de disociación KD nos da una medida directa del cambio de energía
libre en la disociación del complejo
ΔGdis = - 2,303 RT log KD
bajo condiciones fisiológicas (37°C) esto es:
ΔGdis = - 5,85 log KD
(kJ/mol)
El valor de KD depende básicamente de:
complementariedad electrostática entre droga y receptor (densidad
electrónica)
complementariedad estérica entre droga y receptor (conformación)
Factores entrópicos
las interacciones electrostáticas incluyen:
interacciones ion-ion, ion-dipolo, dipolo-dipolo, de transferencia de carga y enlaces
de hidrógeno
Las interacciones estéricas incluyen:
fuerzas de London, fuerzas de repulsión a distancias cortas, energía conformacional
26
Los factores entrópicos incluyen:
Interacciones hidrofóbicas
La contribución depende de la complementariedad estérica
Si no se pueden expulsar todas las moléculas de agua, cada molécula atrapada
contribuirá a reducir la entropía
Entropía traslacional y rotacional
En un complejo fuertemente unido la pérdida de entropía puede significar hasta 60
kJ/mol de aumento en ΔGunión a 37°C
En un complejo con uniones débiles que permitan cierto grado de movilidad, el
aumento en ΔGunión será de aproximadamente 12 kJ/mol
Entropía conformacional
En el caso de ligandos flexibles hay una pérdida adicional de entropía debida a las
restricciones conformacionales generadas al unirse al receptor
El aumento en ΔGunión es aproximadamente 5 a 6 kJ/mol por cada rotación interna que
se pierde
La energía libre de unión puede definirse en términos de las energías de
unión de los grupos funcionales individuales que forman la molécula de
ligando:
ΔGdisoc = -ΔGunión = T ΔSrt + nrEr + Σ nxEx
ΔSrt pérdida de entropía traslacional y rotacional global por la unión
nr
número de grados de libertad conformacional internos que se pierden
en la unión al receptor
Er
energía equivalente a la pérdida de entropía asociada a la pérdida de
cada grado de libertad conformacional
nx
número de grupos funcionales X presentes en el ligando
Ex
energía de unión asociada a cada grupo funcional X del ligando
27
En el caso ideal de alineamiento perfecto y sin tensión del grupo funcional,
Ex corresponde a la energía intrínseca de unión
En otros casos corresponde a la energía aparente de unión
Cada término Ex es una combinación de las distintas interacciones
entálpicas y entrópicas involucradas en la unión del grupo funcional al
receptor
Esas energías de unión son propiedades de los grupos funcionales y
resultan aproximadamente aditivas
Las Ex pueden estimarse comparando las energías de unión de pares de compuestos
que difieren en la presencia o ausencia de un grupo funcional
Se asume que la diferencia depende exclusivamente de factores asociados al grupo
X (la energía de unión de X y la pérdida de grados de libertad conformacional
asociados a X)
Otros grados de libertad conformacional perdidos en la unión y la pérdida global de
entropía traslacional y rotacional asociados al resto de la molécula son
independientes de la presencia o ausencia del grupo X
Las energías de unión obtenidas por este método varían según la calidad de la
interacción y en general estarán subestimadas
Eligiendo adecuadamente los modelos pueden estimarse energías intrínsecas de
unión
Una alternativa es obtener energías medias de unión promediando la contribución de
grupos funcionales individuales a las energías de unión observadas en un gran
número de interacciones ligando-proteina
28
Haciendo un análisis de regresión sobre las energías de unión de 200 interacciones
ligando-proteina en solución acuosa se obtuvieron valores promedio para las Ex de
una serie de grupos funcionales y para la pérdida de entropía asociada con cada
grado de libertad conformacional [J. Med. Chem., 27, 1648 (1984)]
Las energías obtenidas son energías de unión aparentes y no energías de unión
intrínsecas ya que en muchos casos el alineamiento del grupo funcional no será el
óptimo o incluso el grupo puede no participar en la unión
Grupo funcional
Energía media de unión
(kJ/mol)
C (sp2 o sp3)
3 (6)
O, S, N, Halógeno
5
OH
10
C=O
14
CO2-
34
OPO32-
42
N+
48
El término TΔSrt se estimó en 58,5 kJ/mol a 37°C
La energía media asociada a la pérdida de entropía por restricción
conformacional a Er resultó 3 kJ/mol por grado de libertad interno
Estos valores resultan menores que los estimados de energías
intrínsecas de unión (que corresponderían a alineamiento óptimo):
grupos no polares: 12-14 kJ/mol por átomo de carbono
grupos cargados: 18-28 kJ/mol
grupos que forman enlaces de hidrógeno: 16 kJ/mol (no cargados) 20-42
kJ/mol (cargados)
La suma de las contribuciones individuales de los grupos funcionales incluyendo
los términos entrópicos permite calcular la fuerza de unión media esperada para
una droga en una interacción típica con un receptor
La energía de unión calculada comparada con la observada da una medida de la
calidad de la interacción electrostática y estérica entre droga y receptor
29
Para la unión de biotina a avidina la KD experimental es 10-15 mol/l.
Podemos calcular el ΔG correspondiente a la reacción de disociación
O
ΔGdisoc = TΔS + 5Er +8EC + 2EN + ES + EC=O + ECO2H
= - 58,5 + 5(-3) + 8(3) + 2(5) + 5 + 14 + 34 = 13,5 kJ/mol
NH
HN
ΔGobs = - 5,85 log KD
CO2H
S
= - 5,85(-15) = 87,75 kJ/mol
biotina
La diferencia de más de 74 kJ/mol por encima de la interacción media, indica un
encaje excepcionalmente bueno entre la biotina y la proteina
Se ha determinado que en este caso se debe a una polarización de la biotina que
genera una interacción iónica con la proteina
El caso del metotrexate que se une a la dihidrofolato reductasa con una KD
de 10-11 es inverso
O
N
NH2
N
N
H2N
N
CO2H
N
N
H
CO2H
ΔGobs = - 5,85 log KD
H
metotrexate
= - 5,85(-11) = 64,35 kJ/mol
ΔG = TΔS + 9Er +17EC + 7EN + EN+ + EC=O + 2ECO2H
= - 58,5 + 9(-3) + 17(3) + 7(5) + 48 + 14 + 2(34) = 130,5 kJ/mol
A pesar de la muy alta afinidad por la enzima la diferencia de más de 66 kJ/mol
respecto del valor observado indica que hay una parte importante de la estructura
que no participa en la unión o bien que la unión se produce con un confórmero de
alta energía
Los datos cristalográficos muestran que una parte importante de la estructura
(incluyendo un carboxilo) están expuestos al solvente y no son utilizados en la unión
30
Diseño de ligandos de dihidrofolato reductasa
Un análogo más sencillo:
ΔGobs = 51,98 kJ/mol
ΔGobs = 62,13 kJ/mol
31
El mismo tipo de cálculos puede usarse para determinar la efectividad del
agregado de un sustituyente y si éste se comporta como es esperado
En el caso de los inhibidores de sialidasa como drogas anti-influenza se propuso
que el reemplazo del 4-OH por un sustituyente con carga positiva interaccionaría
favorablemente con una zona aniónica de las sialidasas A y B del virus de influenza
AcNH
OH
HO
OH
O
H AcNH
+
H2N
OH
OH
N
OH
NH2
CO2-
O
OH
ΔΔGobs = 23,4 kJ/mol
ΔΔGcalc = 51 kJ/mol
KD = 10-6
CO2KD = 10-10
ΔG = 35,1 kJ/mol
ΔG = 58,5 kJ/mol
Aunque menor que el cambio máximo calculado, el reemplazo de grupo funcional
indica una buena interacción para la carga positiva
Inhibidores de la proteasa aspártica del HIV
Ileu 50
Ileu 50'
enzima esencial para la
replicación del HIV
Molécula de agua
inmobilizada
H
O
O
N
N
O
Gly 27
Los CO2H de ASP 25 y 25’ forman
puentes H con el OH del
intermediario tetraédrico en el
C=O del enlace a hidrolizar
O
H
R1
H
H
N
R2
H
Gly 27'
Asp 25
Asp 25'
La mayoría de los
inhibidores son análogos
del estado de transición
basados en secuencias
de sustratos peptídicos
conocidos, con el enlace
lábil reemplazado por un
isóstero
32
El isóstero JG-365 muestra una marcada diferencia de afinidad según la configuración
del OH agregado
O
Ser
H
O
N
N
H
O
Asn
H
N
N
Leu
OH
H
O
H
N
N
Phe
O
JG-365, ΔGcalc = 144 kJ/mol
N
OH
N
N
H
H
O
Phe
O
H
O
es posible eliminar una parte
de la estructura sin afectar la
afinidad
H
N
OMe
N
Ile
H
Asn
Val
La inhibición es baja teniendo en
cuenta los grupos funcionales
OH(R) CI50 = 3,4 nM ΔG ≈ 50 kJ/mol
OH(S) CI50 = 65 nM ΔG ≈ 42 kJ/mol
O
O
N t-Bu
H
Ro-31-8959, ΔGcalc = 105 kJ/mol
OH(R) CI50 < 0,4 nM ΔG ≈ 55 kJ/mol
OH(S) CI50 > 100 nM ΔG ≈ 41 kJ/mol
Usando un programa de anclaje para explorar bases de datos en busca de
estructuras complementarias al sitio receptor se llegó al haloperidol
OH
F
+
N
O
H
Cl
Haloperidol, ΔGcalc = 67 kJ/mol
KD = 100 μM ΔG ≈ 23 kJ/mol
La baja energía de unión comparada a la
calculada indica que no es un buen líder
33
Farmacóforo a partir de características comunes de péptidos
inhibidores
NH2
R2
R1O2C
donor de puente H
OH hidroxilo central
O
R3 donor adicional
grupo hidrofóbico
O
la "incorporación" de la molécula de agua a la
estructura del ligando elimina la baja de
entropía asociada a esa agua inmovilizada y
mantiene los puentes de hidrógeno
reemplazo
del agua
CI50
ΔGobs
ΔGcalc (NH3+)
ΔGcalc (NH2)
CH2NH2
11
29
117
31
Cl
CH2NH2
85
24
135
49
H
Cl
15
28
68
25
R1
R2
R3
Et
Cl
H
Et
reemplazo
del agua
O
R
R
N
N
KD (nM)
ΔGobs
ΔGcalc
alilo
4,7
49
38
ciclopropilmetil
2,1
51
42
β-naftilmetil
0,31
56
62
p-hidroximetilbencil
0,27
56
58
R
HO
OH
El aumento de tamaño de R, mejora la
unión pero no con un encaje óptimo
34
Una búsqueda de compuestos activos sobre una colección de productos
descubrió la estructura líder de piran-2-ona
R1
O
O
SR2
OH
reemplazo
del agua
R2
R1
KD (μM)
ΔGobs
ΔGcalc
Ph
Ph
3,0
32
14
Ph
CH2Ph
1,67
34
14
Ph
CH2CH2Ph
1,26
35
15
Ph
CH2CH2CH2Ph
1,41
34
15
Ph(p-OCH2CO2H)
CH2CH2Ph
0,16
40
48
La homologación de R2 no afecta mayormente la unión ya
que la mejora por la interacción agregada se compensa con
la pérdida de entropía conformacional
35