Wykład 12 - Bioorganic

2015-01-20
Podstawy projektowania leków
wykład 12
Łukasz Berlicki
Projektowanie wspomagane komputerowo
Ligand-based design – QSAR i 3D-QSAR
Structure-based design – projektowanie oparte na
strukturze celu molekularnego
1
2015-01-20
Klucz - Zamek
Kształt liganda musi pasować do celu molekularnego
jak klucz do zamka – efekty steryczne.
Klucz - Zamek
Kształt liganda musi pasować do celu molekularnego
jak klucz do zamka – efekty steryczne.
Ligand musi tworzyć sieć oddziaływań z celem
molekularnym – efekty elektronowe.
2
2015-01-20
Struktury makromolekuł
Protein Data Bank (pdb.org) – baza danych gromadząca struktury
makromolekuł
100000
90000
Całkowita
liczba struktur
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
Liczba struktur
dodana w roku
10000
0
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Krystalografia białek
Otrzymanie i oczyszczenie
białka
Krystalizacja
Zebranie danych dyfrakcyjnych
Otrzymanie mapy gęstości
elektronowej
Dopasowanie modelu
3
2015-01-20
Stała inhibicji
Stała inhibicji jest miarą proporcjonalną do energii
wiązania liganda do białka
∆G = ∆H - T∆S = RT ln Ki
∆G – energia swobodna
∆H – entalpia
∆S – entropia
Ki w zakresie 10-6 do 10-12 M, co odpowiada
-4 do -17 kcal/mol
Wiązanie liganda
WaŜnym elementem równowagi
inhibitor – enzym jest rozpuszczalnik
(woda), który takŜe oddziałuje z
ligandem.
Oddziaływania ligand-białko
powodują zmniejszenie entalpii
układu.
Wszystkie zerwane oddziaływania
ligand-woda i woda-białko powinny
być odtworzone w kompleksie
ligand-białko.
Wiązanie liganda przez białko
powoduje zmianę entropii.
4
2015-01-20
Oddziaływania niekowalencyjne
Wiązania wodorowe
Wiązania jonowe
Kompleksowanie jonów metali
Oddziaływania hydrofobowe
Oddziaływania π-kation
Wiązania elektrostatyczne – silne i średnie
H
O
S Zn2+
Kompleksowanie metali
do 200 kcal/mol
Mg2+
O
mostki jonowe
do 250 kcal/mol
q1 q2
εr r
O
O
+ H
H O -
N
O
H N
H
Glu/Asp Arg
jon-jon
O
H
N H
H
- H
O
H +
jon-dipol
H
H N
Energia
E=
+
O
H N
dipol-dipol
wiazania wodorowe
do 8 kcal/mol
5
2015-01-20
Oddziaływania hydrofobowe, van der Waalsa
Oddziaływania
hydrofobowe opisuje
potencjał LennardaJonesa
H
N
H
H
kation -
H
Energia
C
H
H
H
C H
H
H
H C
H
Wiązanie wodorowe
Wiązanie wodorowe jest
jednym z najwaŜniejszych
oddziaływań ligand-białko.
Energia wiązania
wodorowego silnie zaleŜy od
jego geometrii (odległości i
kątów).
Energia wiązania jest
odwrotnie proporcjonalna do Odległość N-H…O
Kąt N-H…O
jego długości
Kąt C=O…H
2.8-3.2 Å
150-180o
100-180o
6
2015-01-20
film
Wiązanie wodorowe
UłoŜenie donorów wiązania wodorowego wokół grupy
karboksylowej wskazuje preferencje w jego geometrii.
7
2015-01-20
Wiązania wodorowe
są kluczowym
elementem
oddziaływania ligandbiałko i silnie wpływają
na stałą inhibicji
pKi
Wiązanie wodorowe
Liczba wiązań wodorowych
Wiązanie wodorowe
Neutralne wiązania wodorowe: 2-6 kJ/mol,
zwiększają wiązanie liganda 2-15 krotnie
Jonowe wiązania wodorowe: do 20 kJ/mol,
zwiększają wiązanie liganda do 3 000 razy
8
2015-01-20
Wiązanie wodorowe - przykłady
Wiązanie kwasu 2,3-difosfoglicerynowego do hemoglobiny
Wiązanie siarczanu do SBP (sulfate binding protein)
Wiązanie wodorowe
Wszystkie donory i akceptory w roztworze wodnym
tworzą wiązania wodorowe z rozpuszczalnikiem
białko
ligand
Kompleks
ligand-białko
9
2015-01-20
Wiązanie wodorowe - przykład
Wiązanie ligandów do reduktazy dihydrofolianu
Schemat wiązań wodorowych wskazuje, Ŝe dihydrofolian
wiąŜe się do enzymu w innej konformacji niŜ metotreksat.
Wiązanie wodorowe - przykład
Wiązanie ligandów do reduktazy dihydrofolianu
10
2015-01-20
Wiązanie wodorowe - przykład
Wiązanie ligandów do reduktazy dihydrofolianu
Wiązanie wodorowe
Fosfonowe inhibitory termolizyny
R
-NH-
-O-
-CH2-
-OH
0.76
660
1.4
-Gly-OH
0.27
230
0.3
-Leu-OH
0.01
9
0.01
Ala113
O
Cbz
N
H
X
P
O O-
O
R
Zn2+
11
2015-01-20
Wiązanie wodorowe
Fosfonowe inhibitory termolizyny
Struktura krystaliczna
Wiązanie wodorowe
Ala113
O
O
Cbz
N
H
O
P
O O-
R
Zn2+
12
2015-01-20
Wiązanie wodorowe
Przykłady róŜnic stałych wiązania dla C=O i CH2
X
Boc
Pro-Arg-H
X = -CO-, IC50 = 150 nM
X = -CH2-, IC50 = 56 000 nM
X
Pro-Arg-H
X = -CO-, IC50 = 28 ng/ml
X = -CH2-, IC50 = 52 000 ng/ml
BzlO
O
H
N
X
N
H
O
O
O
Cl
H
N
O
N
X
H
NH
HN
NH2
X = -CO-, IC50 = 0.9 nM
X = -CH2-, IC50 = 8 600 nM
X = -CO-, K i = 500 nM H2N
X = -CH2-, K i = 2 000 nM
NH
Lipofilowość
Tworzenie wiązań wodorowych w rozpuszczalniku
jest waŜnym elementem efektu hydrofobowego,
który wzmacnia oddziaływania hydrofobowe (van der
Waalsa, π−π, kation-π)
13
2015-01-20
Entropia
Wiązanie liganda powoduje zmniejszenie jego
entropii w związku z:
Zmniejszeniem swobody ruchów translacyjnych (x, y, z)
Zmniejszeniem swobody rotacji (dookoła wiązań
pojedynczych). KaŜde wiązanie pojedyncze (pomiędzy
atomami niewodorowymi) w ligandzie zmniejsza energię
wiązania o ok. 1.0 kcal/mol
Korzystne jest projektowanie związków o małej
swobodzie konformacyjnej (sztywnych).
Zmniejszanie swobody konformacyjnej
JeŜeli znana jest konformacja liganda w miejscu
aktywnym korzystnie jest zaprojektować związki o
usztywnionej strukturze i analogicznej konformacji.
14
2015-01-20
Menina-MLL
Menina jest białkiem supresorowym
nowotworu
Menina specyficznie oddziałuje z
białkiem MLL
Zablokowanie oddziaływania meninaMLL powoduje zmniejszenie
właściwości onkogennych białek
fuzyjnych
oddziałujących z MLL
Inhibitory oddziaływania
menina-MLL są potencjalnymi
lekami na ostrą białaczkę.
Menina-MLL
Struktura krystaliczna fragmentu
białka MLL z meniną pokazuje
konformację aktywną tego peptydu.
Reszta C-końcowa oddziałuje z
łańcuchem bocznym argininy
15
2015-01-20
Menina-MLL
Usztywnienie peptydu przez cyklizację
Ki = 71 nM
Ki = 24 nM
Ki = 2170 nM
Menina-MLL
Usztywnienie peptydu przez cyklizację
16
2015-01-20
Cząsteczka wody w miejscu aktywnym
Wprowadzenie do związku grupy funkcyjnej, która zastępuje
cząsteczkę wody w miejscu aktywnym powoduje korzystny
efekt entalpowy (zwiększenie energii oddziaływania) i
entropowy.
Cząsteczka wody w miejscu aktywnym
JeŜeli nowowprowadzono grupa funkcyjna odtwarza oddziaływania
zastąpionej cząsteczki wody, to otrzymamy związek o wyŜszej
aktywności.
17
2015-01-20
PTP (protein tyrosine phosphatase)
Fosfataza tyrozyn białkowych (PTP, protein tyrosine
phosphatase) – enzym kontrolujący przekazywanie
sygnałów poprzez defosforylację reszt tyrozylowych
białek.
Inhibitory PTP 1B mogą być efektywnymi lekami
cukrzycy typu 2 i otyłości.
O
PO3H2
PO3H2
F
F
PO3H2
Podstawienia
izosteryczne
COOH
NH2
COOH
COOH
NH2
NH2
PTP (protein tyrosine phosphatase)
Grupa fosfonowa jest wiązana
przez 8 wiązań wodorowych
Wiązanie wodorowe tworzy
takŜe jeden z atomów fluoru
F
F
PO3H2
K i = 2 500 M
F
F
PO3H2
brak inhibicji
PO3H2
PO3H2
F
K i = 255 M
F
K i = 179 M
18
2015-01-20
PTP (protein tyrosine phosphatase)
Grupa fosfonowa jest wiązana
przez 8 wiązań wodorowych
Wiązanie wodorowe tworzy
takŜe jeden z atomów fluoru
PTP (protein tyrosine phosphatase)
Zastąpienie jednej cząsteczki wody związanej w miejscu aktywnym
przez grupę –OH inhibitora zwiększa jego aktywność.
PO3H2
F
F
K i = 179 M
PO3H2
F
F
OH
K i = 93 M
19
2015-01-20
PTP (protein tyrosine phosphatase)
Zastąpienie cząsteczki wody
Konstruowanie inhibitorów z fragmentów
Fragment-based drug design – łączenie fragmentów które
oddziałują z róŜnymi częściami miejsca aktywnego prowadzi
do związków o wysokiej aktywności.
20
2015-01-20
Inhibitory stromelizyny
Stromelizyna jest metalo-zaleŜną proteazą z jonem Zn2+ w miejscu
aktywnym
Inhibitory stromelizyny
Struktura kompleksu z 2 fragmentami (po lewej) i nowym inhibitorem
(po prawej)
21
2015-01-20
Podsumowanie
Znajomość struktury celu molekularnego znacząco
zwiększa efektywność projektowania ligandów
Niezbędne jest dopasowanie pod względem
strukturalnym jak i elektronowym
Utworzenie specyficznego zestawu oddziaływań
białko-inhibitor daje szansę na otrzymanie
wysokoaktywnego i specyficznego inhibitora.
22