Post on 10-Jul-2015
Planejamento de frmacos baseado na estrutura do liganteProf. Milleno D. MotaEmail: milleno@terra.com.br MSN: millenomota@hotmail.com
Desenvolvimento de compostos bioativos
O desenvolvimento de novos frmacos pode seguir duas estratgias principais, dependendo da disponibilidade de informaes sobre o sistema biolgico de interesse:
H conhecimento sobre a estutura 3D do receptor-alvo:
Permite o chamado planejamento baseado na estrutura do receptor; A partir da cavidade planeja-se um composto complementar.Como planejar um composto se no sabemos a estrutura do receptoralvo? o receptor-alvo quem define os requisitos estruturais para a formao do complexo frmaco-receptor, ento como saber estes requisitos?
No h conhecimento sobre a estrutura 3D do receptor-alvo
Desenvolvimento de compostos bioativos
Para o planejamento racional de novos frmacos, sem o conhecimento da estrutura 3D do receptor, torna-se necessrio conhecer: Quais os requisitos estruturais mnimos necessrios para a atividade;
Farmacforo ou Grupamento Farmacofrico. Ensaios in vitro (receptor-alvo puro); Ensaios in vivo (aspectos farmcocinticos).
Como foi medida a atividade farmacolgica em questo:
Frmacos
Estruturalmente inespecficos Dependem
das caractersticas fsico-qumicas
Estruturalmente especficos Dependem
da interao com uma biomacromolcula (enzima, protena sinalizadora, canal inico ou cido nuclico)
Frmacos
Estruturalmente inespecficos Anestsicos:BrF2HC O
ao depende da lipossolubilidadeF
F 3C
Cl
CF 3
Coef. part. leo-gs = 224 MAC50 = 0,7% de 1 atm**MAC : 50
Coef. part. leo-gs = 90,8 MAC50 = 1,15% de 1 atm*
concentrao alveolar mnima necessria para provocar imobilidade em 50% dos pacientes
Frmacos
Estruturalmente especficos Dependem
da interao entre o ligante (frmaco) com o stio de ligao da macromolcula Complementaridade
Frmacos
Estruturalmente especficos Etapas
relevantes
Interao ligante-receptor Resposta biolgica
Planejamento baseado no ligante
Relaes de similaridade
Se dois compostos possuem atividades semelhantes frente a um mesmo receptor-alvo, muito provavelmente suas interaes com este receptor tenham semelhanas e, assim, permitam a identificao de grupamentos farmacofricos e de um mapa farmacofrico:
Planejamento baseado no ligante
Relaes de similaridade
Atividades semelhantes frente a um mesmo receptor iro provavelmente significar ocupaes semelhantes do espao tridimensional definido pelo receptor:
Planejamento baseado no ligante
Relaes de similaridadeO
que define a similaridade entre dois ou mais compostos?
A capacidade de se ligar, de forma semelhante, a um mesmo alvo; Entender as foras que guiam o reconhecimento frmacoreceptor o primeiro passo para a percepo da similaridade entre fmacos; Portanto cuidado:
Similaridade qumica no necessariamente significa similaridade biolgica!
Planejamento baseado no ligante
Foras envolvidas Em
sua maior parte, frmacos mimetizam compostos bioativos;As foras envolvidas no reconhecimento frmacoreceptor so tambm semelhantes quelas observadas no sistema biolgico; O entendimento das possveis interaes ligantereceptor fundamental para a compreenso das razes moleculares para a ao de compostos bioativos!
Foras relevantes - Interaes intermoleculares
Ligaes covalentes Foras eletrostticas on-on on-dipolo
Dipolo-dipolo
Ligaes de Hidrognio Foras de disperso Foras
de Van der Waals Disperso de London
Ligaes covalentes polares
EletronegatividadeCarter Inico + -
X : XLigao covalente simtrica
X
:Y
X
+
Y:
-
Ligao covalente polar
Ligao inica
Ligaes covalentes polares
Eletronegatividade
Ligaes covalentes polares
Eletronegatividade+
Cl C H H
+ -
Li C H
H H
H Metil-ltio
Clorometano
Ligaes covalentes polares
Eletronegatividade Efeito
indutivo
Capacidade de um tomo em polarizar uma ligao Deslocamento dos eltrons em uma ligao em resposta eletronegatividade dos tomos mais prximos
Ligaes covalentes polares
Momento de Dipolo ()+Excesso de 0,2 e-
ClDficit de 0,2 e-
HH
C H
Clorometano ( = 1,87 D)
Ligaes covalentes polares
Momento de Dipolo ()
Ligaes covalentes polares
Momento de Dipolo ()
Ligaes covalentes polares
Momento de Dipolo ()
Interaes on-on
Figura 5: R onhec imento molec ular do flurbiprofeno (9) pelo resduo Argdo stio ativo ec 120 da P GHS via interao inic a (Lages et al., 1998). ,
Interaes on-Dipolo
Interaes on-Dipolo
Reconhecimento molecular da PGH2 (10) pelo resduo Fe-Heme do stio ativo da tromboxana sintase, via interao on-dipolo
Dipolo-Dipolo
Molculas polares+
Cl C H H
+ -
Li C H
H H
H
Dipolo-Dipolo
Molculas polaresH3C H3C O H3C O -
+ CH3C
+ CH3C
+ CH3C
O -
Modelo de potencial eletrosttico para molculas de acetona, mostrando como elas podem se alinhar de acordo com as atraes de suas regies parcialmente positivas e parcialmente negativas.
Dipolo-Dipolo
Molculas polares
Foras de Van der Waals
Entre molculas apolares+H H H
H
+
-
+
-
+
-
num determinado instante
Dipolos temporrios e dipolos induzidos em molculas apolares, resultantes de uma distribuio de eltrons no uniforme em um dado instante.
Interaes hidrofbicas
Reconhecimento molecular do PAF (11) via interaes hidrofbicas com a bolsa lipoflica de seu biorreceptor
Interaes hidrofbicas
Ligaes de HidrognioOcorre entre molculas polares Ocorrem entre um tomo de hidrognio, ligado a um tomo pequeno e muito eletronegativo (normalmente O, N, F), e os pares de eltrons no ligantes de outro tomo pequeno e muito eletronegativo.
Ligaes de HidrognioZ +H
Z
+
Z = N, O, F
A ligao de hidrognio: representada pela ligao pontilhada e pontes de hidrognio entre molculas de gua
Ligaes de Hidrognio
Ligaes de hidrognio e a manuteno da estrutura dupla fita do DNA
Ligaes de Hidrognio
Reconhecimento molecular do antiviral saquinavir (13) pelo stio ativo da protease do HIV-1, via interaes de hidrognio (Leung et al., 2000)
Ligaes CovalentesElevada energia Ligaes raramente desfeitas Inibio enzimtica irreversvel Inativao do stio receptor Interao envolvendo a formao de uma ligao entre dois tomos que contribuem cada um com um eltron
Ligaes Covalentes
Mecanismo de inibio irreversvel da PGHS pela aspirina via formao de ligao covalente
Planejamento baseado no ligante
Mapa e grupamentos farmacofricos
Planejamento baseado no ligante
Mapa e grupamentos farmacofricos
Planejamento baseado no ligante
Mapa e grupamentos farmacofricos
-AminocidosCOO+ H3N C H a R O Carbono a assimtrico, ou seja, tem 4 ligantes diferentes Essa propriedade define o Ca como um centro quiral e confere propriedades pticas s molculas. Aminocidos proteicos so L- a - aminocidos
Existem 2 ismeros pticos do Ca: formas L e D so enantimeros (imagens especulares) um do outro no so interconversveis sem quebra de laos covalentes
L- e D-ismeros de gliceraldedo (um aucar) e do aminocido alanina
-AminocidosCadeia lateralos aminocidos se diferenciam entre si quanto ao tipo de cadeia lateral, ou grupo radical R, que apresentam. carboxila amino
a
Existem 20 aminocidos que ocorrem naturalmente em protenas de todos os tipos de organismos, e que so determinados por cdons especficos (triplets de nucleotdeos) no material gentico dos seres vivos. Os aminocidos proticos so classificados de acordo com as propriedades de suas cadeias laterais
Aminocidos bsicos
Aminocidos cidos
Aminocidos polares neutros
Serina (Ser S)cido Asprtico (Asp D) Lisina (Lys K) cido Glutmico (Glu E)
Treonina (Thr T)
Arginina (Arg R)
Histidina (His H)
Aminocidos especiais
Os 20 aminocidos protecos
Cistena (Cys C)
Glicina (Gly G)
Prolina (Pro P)
Asparagina (Asn N)
Glutamina (Gln Q)
Aminocidos hidrofbicos - apolares
Alanina (Ala A)
Valina (Val V)
Isoleucina (Ile I)
Leucina (Leu L)
Metionina (Met M)
Fenilalanina (Phe F)
Tirosina (Tyr Y)
Triptofano (Trp W)
Estudando o slide anterior, identifique o critrio para classificao de: Histidina, como um aminocido bsico
Valina, como um aminocido hidrofbico
cido glutmico, como um aminocido cido
Os aminocidos especiais possuem caractersticas intermedirias entre os grupos dos aminocidos polares e apolares. Alm disso: a cistena o nico aminocido cuja cadeia lateral capaz de fazer ligaes covalentes e com isso pode contribuir para a estrutura da protena. a prolina no um aminocido tpico, e sim um iminocido, uma vez que seu Ca e seu Na fazem parte de um anel heterocclico da molcula.
OBS: A classificao dos aminocidos pode diferir, conforme o autor. O importante em cada caso entender os critrios para a classificao.
As cadeias laterais de aminocidos polares podem fazer pontes de H entre si e com molculas de gua do meio, solubilizando protenas.
(+)
(+)
(=) (+)A gua um dipolo permanente, devido diferena de eletronegatividade de seus tomos.
(=)
(+)
Ponte de H formada entre duas molculas de gua Tipos possveis de pontes de H entre aminocidos e a gua
As caractersticas fsico-qumicas da ligao peptdica das cadeias laterais dos aminocidos
determinam como o esqueleto covalente de uma protena vai se enovelar
determinam os tipos de foras, covalentes e no covalentes, que iro estabilizar a estrutura tridimensional de uma protena. Os aminocidos apresentam vrias funes qumicas que podem se ionizar e conferir carga eltrica molcula. Exemplo:Funo carboxila Funo amina-COOH+ -NH3 H+ Todos os aminocidos possuem um grupo carboxila cido asprtico e cido glutmico possuem 2 grupos carboxila Todos os aminocidos possuem um grupo amina Lisina possue 2 grupos amina
-COO
-
- NH2
H+
estado de ionizao depende do pH do meio
Comportamento cido-bsico de aminocidos: ionizaoAbaixo esto 4 formas de um aminocido variando o estado de ionizao do grupo amino e do grupo carboxila. Qual dessas formas de um aminocido no pode existir ? Porque ?
Meio alcalino carga (-)
Forma anfotrica (sem carga) presente em pH fisiolgicoMeio cido carga (+)
Para entender por que a forma assinalada no pode existir, vamos relembrar os conceitos de pK e constante de dissociao de um cido.
DISSOCIAO DE UM CIDOConsidere a equao geral de dissociao de um cido HA dada abaixo: Desprotonao (1)
HA
v1 v2
H+ + A -
Protonao (2)
Quando a velocidade da reao 1 iguala-se a da reao 2, atingiu-se o ponto de equilbrio. Pode-se dizer que a reao terminou, pois no h mais modificao das quantidades dos reagentes ou produtos de ambas as reaes.
A Lei de Ao da Massas permite calcular a constante de equilbrio da reao de dissociao do cido, ou constante de dissociao, como se segue:
[ H +] . [A-] Keq = Kd = HA
(quando v1 igual a v2)
O pK igual ao logaritmo negativo da Kd
Observe os valores de pKs da tabela abaixo.a-Amino cido Alanina Arginina Asparagina cido Asprtico Cisteina cido Glutmico Glutamina Glicina Histidina Isoleucina Leucina Lisina Metionina Fenilalanina Prolina Serina Treonina Triptofano Tirosina Valina pK1 a-COOH 2.35 1.82 2.1 1.99 1.92 2.10 2.17 2.35 1.80 2.32 2.33 2.16 2.13 2.16 2.95 2.19 2.09 2.43 2.20 2.29 pK2 a-NH3+ 9.87 8.99 8.84 9.90 10.78 9.47 9.13 9.78 9.33 9.76 9.74 9.18 9.28 9.18 10.65 9.21 9.10 9.44 9.11 9.74 pKR Cadeia Lateral (R) 12.48 (guanidino) 3.90 (b-COOH) 8.33 (sulfidrila)pK dos a-NH + 3 4.07 (g - COOH) valor mdio ~ 9.0
pK dos a-COOH 6.04 (imidazol) valor mdio ~ 2.0
O 10.79 (e -NH3+) que significa adiferena de 7 unidades log desses pKs ?Alguns aminocidos apresentam grupos ionizveis em suas cadeias laterais
10.13 (fenol)
Valores pK dos grupos ionizveis dos a-aminocidos a 250 C
Para o grupo carboxila, a forma cida sem carga se dissocia no on carboxilato:
R - COOH
R - COO
+ H+
Considerando-se o pK mdio de 2,0, no equilbrio dessa reao, teremos:
Keq =
[ R COO ] [H +]R - COOH
~ 10 -2 = 1 100
.
pK= -log Keq
-2 -log (10-2) = 2.0
1 on carboxilato (-) para cada 100 carboxilas neutras
Para o grupo amino, a forma cida catinica se dissocia na forma neutra:
R - NH3+
R - NH2 + H+
Considerando-se o pK mdio de 9,0, no equilbrio dessa reao, teremos:
Keq =
[ R - NH2 ] [H +]R - NH3
~ 10 -9 =
1 1.000.000.000
.
1 grupo amino sem carga para cada 100 trilhes com carga (+)
pK= -log Keq
-log (10-9) = 9.0
Portanto, a diferena de 7 unidades logartmicas entre os pKs dos grupos a-amino e a-carboxila reflete a diferena de afinidade que as funes qumicas em questo apresentam pelo prton H+. A afinidade por prtons do grupo amino (pk ~ 9) 107 vezes maior do que a do grupo carboxila (pK ~2).
forma bsica
forma cida
forma neutra
Observe nas formas possveis do aminocido, que o grupo NH3+ s se dissocia se o grupo COOH j estiver completamente dissociado em COO-.
Meio alcalinocargaAs formas inicas de um aminocido se interconvertem, variando a carga da molcula na dependncia do pH do meio e do pK de cada grupo:
-1
+H+
- H+ 0
0 -COOH
H+
-1 - COO +H+ - H+
-NH3 +1
+
H+
- NH20
+1
Meio cido
Como o estado de ionizao e a carga eltrica da glicina variam em funo do pH do meio ?Para a glicina os valores de pK so: pK a - NH3+ = 9.60 pK a - COOH = 2.34 pH 0 - 2HO O Clculo do ponto isoeltrico pI = 2.34 + 9.6 = 5.97 2
pH 2,34HO O
pH 3.0 - pH 9.0O
pH 9.6O
pH 10 - 14
C
C-H+ +H+
HC-H aNH3+ +1
50% + -H +1 CH2 NH3+O
CO O -H+
50%-H+ +H+
O
O
+H+
C CH2 NH3+
+H+
CH2NH3+
CCH2 NH2
-1
+
O
+
O
O
C
50%
Em pH < 2,34, todosCH2 os Em pH 5,97desprotonar. No pH 2,34, grupos ionizveis da glicina comea a ocorre o ponto NH NH3+ esto protonados. A molcula isoletrico da glicina. 100% das 2 metade das COOH desprotonaram, molculas estoglicina com carga zero. apresenta carga +1. gerando a com carga zero.
50% Aumentando mais o Em pH > 10 CH2 -1 Diminuindo a [H+] do meio, a a-COOH pH, at o valor 9,6,
C
predomina +), forma (pK do NH3 a haver de glicina com 50% de molculas de carga carga -1. glicina com -1.
Como o pH do meio afeta a carga de aminocidos com cadeias laterais ionizveis ?HO O
CH Ca- NH3+
Como exemplo, veremos a pK a-COOH = 2.18 ionizao da Lisina:pK a -NH3 = 8.95+
(CH2)4 NH3+ pH 2 .18 pH < 2HO O pK a-COOH O O
pK R- NH3+ = 10.53
pI = 8.95 + 10.53 = 9.74 2 (ponto isoeltrico)
pH 8.95 pH 3 - 8O OpK a -NH3+
pH 10.53 pH 9.74O O pK R- NH3+ O O
pH > 11O O
C -NH3+ NH3(+2)todos os grupos protonados predomnio carga +2+
C -NH3+H+
O
O
C -NH3+H+ H+
C -NH2H+
C -NH2H+
C
C -NH2H+
-NH2NH250% (-1) 50% (zero)
NH3
+
NH3+(+1)predomnio carga +1
NH3+50% (zero) 50% (+1)
NH3+100% (zero)ponto isoeltrico
NH2(-1)
50% (+1) 50% (+2)
todos os grupos desprotonados predomnio carga -1
O lao covalente que liga os aminocidos no esqueleto covalente de uma protena a ligao peptdica. A ligao peptdica uma amida.O -CAminocido 1 Aminocido 2
NH2As distncias interatmicas na ligao peptdica so menores que as de uma ligao amida comum.
um dipeptdeoA ligao peptdica ocorre entre o grupo a-carboxila de um aminocido e o grupo a-amino de outro aminocido.
O C N H
O C N H
Esse fato evidencia ressonncia eletrnica, com uma nuvem de eltrons oscilando entre o C e o N. Isso atribue ligao simples C N um carcter parcial (50%) de dupla ligao
Planejamento baseado no ligante
Estratgias para modificao molecular
Um mapa farmacofrico construdo a partir de uma srie de compostos previamente conhecidos, de atividade farmacolgica determinada; A partir do mapa, procura-se planejar, racionalmente, uma srie de novos derivados, os quais espera-se tenham propriedades farmacolgicas superiores aos seus precurssores. De forma a guiar o processo de modificao molecular em um dado composto a partir de seu mapa farmacofrico uma srie de estratgias vm sendo postuladas
Planejamento baseado no ligante
Estratgias para modificao molecular
Principais estratgias empregadas no planejamento de sries de derivados a partir de mapas farmacofricos:Bioisosterismo;
Hibridao molecular; Latenciao molecular (pr-frmacos); Adio ou remoo de grupos funcionais; Simplificao estrutural; Duplicao molecular; Abertura ou fechamento de anel e mudanas na flexibilidade molecular; Aumento da cadeia carbonada (homlogos e vinlogos); Etc.
Atividade de aprendizagem
A droga Minoxidil (A) usada via oral como um agente contra a hipertenso e topicamemte como um estimulante para o crescimento de cabelos. Abaixo (B) temos um esquema do stio de ligao do Minoxidil em um protena hipottica.H2N
N N H2N
N
(B)
(A)
Atividade de aprendizagem
a) Desenhe as cadeias laterais nas posies dos aminocidos 51, 129, 134 e 167. b) Desenhe o Minoxidil, como mostrado acima, ligando-se no local. Certifique-se de considerar as interaes entre o Minoxidil e as cadeias laterais, ao orient-lo dentro do local de ligao. c) Liste todas as interaes que ocorreriam entre os aminocidos especificados e o Minoxidil no modelo que voc props.
H2N
N N H2N
N
(B)
(A)
Atividade de aprendizagem
H2N
N N H2N
N
(B)
(A)
H3C
OH H
CH3
OH
H HO CH3 HO
H
(1) Dietilestilbestrol
(2) Estradiol
H3C CH3
H3C CH3
HO
HO
(3)OH
(4)OH
Afinidade pelo receptor: 1 2 > 3 > 4 (praticamente inativo)