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Relações Estrutura-Atividade – SAR

Relações Estrutura-Propriedade – SPR

Relações Estrutura-Toxidez– STR

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Conteúdo

• Propriedades dos fármacos

• Integração da química medicinal teórica e experimental

• A equação de Hansch-Fujita e a lipofilia

• Barreiras hidrofílicas e hidrofóbicas

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Conhecimentos prévios

• Estratégias fundamentais em descoberta de fármacos

• Medida e expressão da ação de fármacos

• Aspectos teóricos da ação de fármacos

• Receptores e ação de fármacos

• Comparação das forças que governam interações• intermoleculares fármaco-receptor

• Organização espacial, mapeamento do receptor e• modelagem molecular

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Objetivos

• Razões da atividade farmacológica• Grupos funcionais• Modificação molecular• Espaço químico-biológico• Propriedades de ligantes, protótipos e

fármacos

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1. Efeito farmacológicoAnalgésicoAnti-psicóticoAnti-hipertensivoAnti-asmáticoAntibióticoAnticancer...

2. Estrutura químicaBarbituratosOpiatosPenicilinasEsteróides

3. AlvoSíntese de Histaminas...

4. Sítio de açãoEnzimasReceptoresDNA...

Características dos fármacos

Elemento Símbolo Número de átomos

%Total %Massa

Hidrogênio H 4,22 x 1027 62,89 Água 65 Oxigênio O 1,61 x 1027 23,99 Inorgânicos 1,5 Carbono C 8,03 x 1026 11,97 Lipídeos 12 Nitrogênio N 3,9 x 1025 0,58 Outros

orgânicos 0,4

Fósforo P 9,6 x 1024 0,14 Proteínas 20 Enxôfre S 2,6 x 1024 0,04 RNA 1 Cloro Cl 1,6 x 1024 0,02 DNA 0,1 Flúor F 8,3 x 1022 0,001 Bromo Br 2,0 x 1021 0,00005

Esqueletos comuns

Cl

NH

O

O

F3C

OH O OH O O

NH2

OHCH3 H

OH

N(CH3)2OH

H

Moléculas reativas contém heteroátomos(O, N, S, P, Halogêneos), ligações duplas e triplas

NH NH

O O

OO

N+

OH

OH

HCH3

N

S

O

NH

CH3

CH3

O

OHCO2H

NH2

OH

OH

Fenobarbital Morfina

Amoxilina Estradiol

PREDICT

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Tecnologias usadas para a descoberta de fármacos

1. Genômica, proteômica, farmacogenômica

2. Animais transgênicos (validação)

3. Ensaio biológico em larga escala (HTS e uHTS)

4. Ensaio virtual: Fármaco-similar

5. Química combinatória

6. Quimioinformática (engloba quimiometria)

7. Quimiogenômica

8. Da estrutura 3D de proteínas aos ligantes

9. Robotização

10.Miniaturização

8

Gerenciamento, manipulação e otimizaçãodas propriedades úteis no processo dedescoberta e desenvolvimento de novos fármacos

• Coletânea de dados químicos, análise e gerenciamento

• Representação e comunicação de dados

• Planejamento e organização de banco de dados

• Predição da estrutura e propriedade

• Propriedades de fármaco ou protótipo

• Similaridade e diversidade molecular

Quiminformática

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• Planejamento e otimização de coleções de compostos

• Ensaio virtual e busca em banco de dados

• Classificação e seleção de compostos

• Relações qualitativas e quantitativas estrutura-atividade e estrutura-propriedade

• Modelos estatísticos e descritores (quimiometria)

• Predição de características de compostos in vivo

• Integração com a bioinformática

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Otimização das propriedades terapêuticas

Integração SAR/STR/SPR

Atividadefarmacológica

SAR

Toxidez

STR

Propriedadesfarmacocinéticas

SPR

Propriedades terapêuticasotimizadas

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Novo paradigma da química medicinal moderna:

SAR e SPR

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Estratégias em paralelo em estudos de SAR e SPR

Enzima,Ensaio baseado em

células

Modelo animal

In vitro

In vivo

Atividade

Replanejamento

Farmacologia

Otimização Propriedade

Perfil Farmacêutico

In vivo

Farmacocinética

Solubilidade

Permeabilidade

Log P e pKa

Metabolismo

Inibição P450

Estabilidade

In vitro

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Propriedades moleculares e seus parâmetros

Propriedade molecular

Interação correspondente

Descritores

Lipofilia Hidrofóbica Log P, ππππ, f, ...

Polarizabilidade van de Waals MR, MV, ...

Densidade eletrônica

Lig.iônica, dipolo-dipolo, Lig.Hidrogênio

σσσσ, R, F, quânticos

Topologia Impedimento estéreo, ajuste geométrico

Es, L, B, distâncias

Equação de Hammett: ρσρσρσρσ = log kRX – log kRH

Equação de Hansch: ππππ = log PRX – log PRH

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Pequenas moléculas com elevada afinidade por alvos

biomacromoleculares

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Forças de interação fármaco-receptor

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(Q)SAR das interações ligante-receptor

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Eficiência do ligante

∆∆∆∆G = -RTlnKd

Energia de interação por átomo:∆∆∆∆g = ∆∆∆∆G/Nátomos pesados

Projeto: Eficiência do ligante: 10 nM e MM 500

Fármaco-similar: MMmédia átomos pesados = 13,286

MM = 500 ⇒⇒⇒⇒ 38 átomos pesados

Kd = 10 nM ⇒⇒⇒⇒ ∆∆∆∆g = -0,29 kcal mol-1

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∆∆∆∆g = -0,27 kcal mol-1 ⇒⇒⇒⇒ 41 átomos (MM 541)

∆∆∆∆g = -0,36 kcal mol-1 ⇒⇒⇒⇒ 30 átomos (MM 405)

Como otimizar o ligante ou protótipo?

Usar LE ao invés da potência!!!

20

A equação de Hansch-Fujita

log 1/C = -aπ2 + bπ + ρσ + cEs + dS + elog 1/C = -aP2 + bP + ρσ + cEs + dS + e

onde C =log 1/Ki, pI50, log k, RBR, etc.

C

Fase extracelular Caminho

randômico

c

kResposta

farmacológica

Corwin Hansch

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Caminho randômico e algumas de suas barreiras

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Moléculas candidatas com propriedades de Ligantes, protótipos ou fármacos?

Fármaco-similar

Protótipo-similar Fármaco

Fármaco-similar

Protótipo-similar Fármaco

Espaço químico-biológico

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Propriedades farmacocinéticas/farmacodinâmicas fundamentais

(1729 fármacos em uso terapêutico)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

r2

Descritores

NATOM PSA total1. MW2. ClogP3. ONs4. OHsNHs5. NATOM6. NRING7. ROT8. PSAtotal9. PSA10.AccH11.DonH12.HALO

MW

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

r2

Descritores

ClogP

PSA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Y A

xis

Titl

e

Descritores

HbondDOHsONs

ClogP

24

Diferenças nas médias entre fármacos administrados oral e não-oralmente

20 , 0

0 , 5

1 , 0

1 , 5

2 , 0

2 , 5

3 , 0

3 , 5

Méd

ia

C lo g P

10

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

ORAL ABSORVENTE INJETÁVEL TÓPICO SAR FASE CLÍNICA

Méd

ia

MW

30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1 1

1 2

Mé

dia

O N s

40

1

2

3

4

5

Méd

ia

OHsNHs

60,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Méd

ia

NRING7

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Méd

ia

ROT

100,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

Méd

ia

AccH

120,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Méd

ia

HALO

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Primeiro, otimiza potência.Depois, ADME

Otimização da potência começa em determinadaregião ADME

Otimização conjunta da potência e ADME

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Mineração de banco de dados e a identificação de seus componentes

estruturais

Fármaco

EsqueletoCadeia lateral

“Ponte”Anéis

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Epitopos (fragmentos)Métodos biofísicos de análise: NMR, MS, raios X e virtuais

Mr = 120-250 (~8-18 átomos pesados)Menor grau de funcionalizaçãoMenor IC50(HTS) = mM-30µµµµM

Regra dos três (ligante-similar):

Mr < 300

Doadores de ligações H ≤≤≤≤ 3Receptores de ligações H ≤≤≤≤ 3ClogP < 3

(Ligações com rotação livre ≤≤≤≤ 3Área polar superficial = 60 A2)

28

Estruturas e subestruturasComparação dos esqueletos mais comuns

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Comparação das cadeias laterais mais freqüentes

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FRAGMENTOS PRIVILEGIADOS

CBS-113-A(COX,

5-lipoxigenase)

S

N

NH

OH

S

N

NH

NH2NH

S

NH

S NHNH2

OO Famotidina(Antagonista

histaminérgico H2)

SUBSTRUTURAS PRIVILEGIADAS

NN

F

F

F

SOONH2

Celecoxib(COX-2)

N

N

NN

F

NH2

SB-218655(p38 MAP cinase)

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31

Âncoras moleculares

32

Princípio de planejamento de uma coleção de alvos GPCR

NK, neurocinina. 5-HT, 5-hidroxitriptamina...

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Identificação da parte ativa: o farmacóforo

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Hipóteses farmacofóricas da histamina

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Fingerprint molecular

(a) Gerar estruturas 2D e 3D das moléculas(b) Identificar as sub-unidades farmacofóricas das moléculas

(c) Gerar modelos conformacionais(d) Fragmentar as moléculas em elementos sub-unitários e/ou topológicos

(e) Determinar as distâncias entre os grupos farmacofóricos(f) Estabelecer as combinações de 2-, 3- e 4- centros dos grupos farmacofóricos para cada conformação

(g) Estabelecer a presença (1) e ausência (0) de cada elemento e criar uma matriz binária.

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[L-R] via pequenos fragmentos

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Modificação do grupo funcional

SNH

NCl

SNH2

O

O

O OS

NH

N

O OCl

Clorotiazida Diazoxida

1.Homologação2.Ramificação da cadeia3.Transformação anel-cadeia4.Bioisosterismo

Como modificar a estrutura molecular?

Agente anti-hipertensívoEfeito colateral diurético forte

Agente anti-hipertensívo

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O receptor GABAA

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SAR: estratégias primárias

N

N

O

Cl

N

N

O

Cl

N

N

O

Cl

R1

R2

N

N

O

Cl

N

N

O

S

N S

NCl

OO

Cl

N

NH

O

NO

Cl ON

N

N

O

Cl

N

N

O

Cl

n

(n = 5)

N

N

O

X

Y

X e/ou Y = Br, CF3,CN,NO2, etc.

N

N

O

Cl Cl

N

N

O

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Síntese combinatória de Benzodiazepinas

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u 1. Quantos grupos podem/devem ser usados

u X possibilidades = X4 combinações

u 2. Quais grupos?

u 3. Todas as combinações são necessárias?

“Grupos-de-construção” dentro do SSS?

SÍNTESE COMBINATÓRIA

2. X = 166 subs.3. Síntese de 7,6.108

moléculas

1. X = 13 ⇒⇒⇒⇒ 28.561!(X2 = 5 ⇒⇒⇒⇒ 25)

N

N

R2

OR4

R3

R1

42

Relação Estrutura-Reatividade (SRR) e não

Relação Estrutura-Atividade (SAR)

SAR

SAR

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Classificação de Reatividade Química

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Acid pK a Acid pK a Acid pK a

CH3COOH 4.80 CH3COOH 4.80 CH3COOH 4.80

FCH2COOH 2.66

ClCH 2COOH 2.86

Cl2CHCOOH 1.30

Cl3CCOOH 0.65

Cl(CH 2)2COOH 4.00

HOCH 2COOH 3.83(CH3)3NCH 2COOH+

1.83

NCCH 2COOH 2.43H3N(CH 2)4COOH

+ HOOCCH 2COOH 2.834.27

-O2CCH2COOH 5.69CH3CH2COOH 4.88

-O2C(CH2)4COOH 5.41 (CH3)3CCOOH 5.05

HCOOH 3.77

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-I (electron withdrawing) +I (electron donating)

NH 3

+

, NR 3

+

NO 2

C N

C

O

OH , C

O

NH 2

C

O

OR , C

O

X

C

O

H , C

O

R

OH , OR

SH , SR

C C , C C

F

Cl

Br

I

CH 3

CH 2R

CHR 2

CR 3

C

O

O

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Case I: COOH

K a = 6.3x10-5

COOHHO

K a = 2.9x10-5

Case II: OH

O2NK a meta para

OHO2N

K a<

Case III: Kb

for C6H 5CH 2NH 2 >> Kb

for C6H 5NH 2

Case IV:

Kb

for R C

O

NH 2 < Kb

for R NH 2

K for R C

O

OH >a K for R OHa

Case V:

H 3C

COOH

K a meta para

H 3C COOH

K a>

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NO 2

C N

C

O

OH , C

O

NH 2

C

O

OR , C

O

X

C

O

H , C

O

R

F Cl Br I CH3

CH2R

CHR2

CR3

, , ,

OH , OR

SH ,

CF3

SR

-R, -I

NH 2 NHR NR 2, ,

O C

O

R , NH C

O

R

+R, -I +R, +I

O-, S-

48

Case I: O2N NH 2 is less basic than O2N NH 2

Br

Br

despite the

presence of more electron withdrawing (base weakening) groups in the

latter compound.

Case II: O2N Br + R2NH O2N NR 2 + HBr

O2N Br

H 3C

H 3C

+ R2NH O2N NR 2

H 3C

H 3C

+ HBr

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Case I:

N

N

O

OCH 2C 6H 5C6H 5CH 2

N

N

OCH 2C 6H 5C6H 5CH 2

O

N

N

O

C6H 5CH 2 OH

N

N

C6H 5CH 2

O

OH

Case II: CH 3C CH 3

O

CH 3C

OH

CH 2K eq

C

CH 3

O

C

O

H 3CK eqCC

O

H 3C

OH

CH 2'

K eq' K eq>>

Case III: HC C

H

COOHHOOC

maleic acid

HC C

HOOC

COOH

H

fumaric acid

Maleic acid has an unusually large first acid ionization constantand an unusually small second acid ionization constant relative to fumaric acid.

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Falsos positivos in vitro

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Reatividade também leva a Toxicofóricos

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Toxicóforos conhecidos

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28

Grupos destoxificantes.Redistribuição de carga

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“Ligantes freqüentes”

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Frações de moléculas fármaco-similares e ligantes

freqüentes

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Artigos da Semana

1. Eficiência do Ligante e outras Métricas

2. Propriedade dos Fármacos

3. Espaço químico-biológico

4. Ligantes frequentes e reativos