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MÉTODOS DE MODELAGEM NO ESTUDO DE RAZÕES MOLECULARES

DA ATIVIDADE BIOLÓGICA

Dr. Carlos Mauricio R. Sant’Anna

GPAQ, Dequim, UFRuralRJ

LASSBio, UFRJ

XVIII Escola de Verão em Química Farmacêutica e Medicinal

Métodos de Modelagem Molecular

C.M.R. Sant'Anna, 2012

2

Estrutura inicial(energia Ei)

Estrutura final(energia Ef)

Otimização estrutural ou minimização da energia

•Métodos de otimização estrutural direta (busca do ponto estacionário mais próximo)

•Métodos de otimização múltipla (métodos estatísticos, análise sistemática...)

•Métodos dinâmicos: geração de trajetórias (dinâmica molecular...)

Métodos Clássicos X Métodos Quânticos

C.M.R. Sant'Anna, 2012

3

Realidade

Ótimo

ligações Ψ=Ψ HE

Modelagem Comparativa de Proteínas

4

Modelo estrutural

Alinhamento das sequências

Molde Estrutura 3D desconhecida

C.M.R. Sant'Anna, 2012

Molde Modelo

Pesquisando Novos Compostos Bioativos

C.M.R. Sant'Anna, 2012

5

5

Grupo de Pesquisas em Agroquímica(GPAQ-UFRRJ)

Linhas de Pesquisa�Planejamento, síntese e avaliação de compostos bioativos com aplicações na agropecuária;

�Planejamento, síntese e avaliação de compostos bioativos com aplicações no controle de vetores de doenças em humanos e animais;

�Planejamento, síntese e avaliação de compostos bioativos com aplicações no controle de parasitos associados a doenças endêmicas de impacto na área rural.

Compostos bioativos: Cavalos de Tróia Moleculares

C.M.R. Sant'Anna, 2012

6

6

Razões moleculares da ação de compostos bioativos

C.M.R. Sant'Anna, 2012

7

Park, W. K. et al., Bioorg. Med. Chem. Lett. 18, 1151-6 (2008)

Complexo HMG-CoA redutase/atorvastatinaIC50 = 3,8 nM

Razões moleculares da interação ligante-receptor: A origem do conceito

C.M.R. Sant'Anna, 2012

8

� Modelo chave-fechadura

� Modelo do ajuste induzido

Emil Fischer1838-1914

Daniel Koshland1920-2007

Complementaridade estrutural!

Complementaridade estrutural éinduzida!

substratoprodutos

Sítio ativo

Ligações no substrato são enfraquecidas

Enzima-substratoenzima enzima

substrato

Sítio ativo

Enzima muda forma quando o substrato se liga

produtos

Substrato entrando no sítio ativo da enzima

Complexo enzima-substrato

Complexo enzima-produtos

Produtos deixando o sítio ativo da enzima

Interação Ligante-Receptor:Equilíbrio e energia

C.M.R. Sant'Anna, 2012

9

+

[R(aq)] [L(aq)] [R•L(aq)]

bindbindbind STHG ∆−∆=∆

dabind KRTKRTG lnln =−=∆

Ki = Kd =[R(aq)][L(aq)]

[R•L(aq)]________

Trocas de energias envolvidas no processo de “binding”, como as energias de interação ligante-sítio e ligante-solvente.

Formas de distribuição da energia, classificadas como entropia translacional, rotacional, conformacional e vibracional.

Ka

Kd

Entalpia X Entropia: Um jogo de perdas e ganhos

C.M.R. Sant'Anna, 2012

1010

10

Principais ganhos entálpicos: interações específicas entre o ligante e o receptor; interações entre moléculas de água liberadas do ligante.Principais ganhos entrópicos: moléculas de água organizadas ao redor de grupos hidrofóbicos do ligante liberadas para o interior do solvente

Principais perdas entálpicas: rearranjo conformacional do ligante e do receptor (conformação bioativa X conformação de energia mínima); perda de interações água-ligante e água-receptor.Principais perdas entrópicas: perda de liberdade de translação e rotação do ligante e de flexibilidade do ligante e do receptor.

O que é mais importante: Entalpia ou entropia?

C.M.R. Sant'Anna, 2012

11

11

Sem correlação: nem a entalpia nem a entropia sozinhas determinam o comportamento de ∆Gbind; as duas são importantes para a interação ligante-receptor!

Reynolds & Holloway, Med. Chem. Lett. 2011, 2, 433-437

14 alvos bioquímicos

E a modelagem molecular?

C.M.R. Sant'Anna, 2012

12

12

A maior parte dos métodos de modelagem produzem energias que se relacionam com ∆Hint. A aplicação desses métodos produz bons resultados em sistemas onde ∆Sint érelativamente pequeno ou quando se mantém aproximadamente constante...

Aldose redutaseR2 = 0,88

HMG-CoA redutaseR2 = 0,08

Quando esse não é o caso, ∆Sint (ou ∆Gint) tem de ser avaliado. Modelos baseados apenas na ∆Hint não produzem bons resultados.

Reynolds & Holloway, Med. Chem. Lett. 2011, 2, 433-437

Modelagem e determinação da Energia Livre

C.M.R. Sant'Anna, 2012

13

13

1. Método de perturbação de energia livre (FEP)

2. Métodos quânticos

3. Método de integração termodinâmica (TI);

4. Método de energia de

interação linear (LIE)

5. Métodos de correlação

empírica

Precisão elevada, mas computacionalmente

custosos

Computacionalmente menos custoso, mas ainda proibitivo para grandes grupos de ligantes

Métodos

Menos preciso, mas rápido; necessária calibração da função com dados empíricos, como valores de Ki de ligantes

Partição da Energia Livre

C.M.R. Sant'Anna, 2012

14

Desenvolvimento de um modelo teórico capaz de determinar a atividade biológica: Quais fatores são os mais importantes?

( ) 543

2

21ln cNcHccGcKRT LRbindsolvi ++∆++∆=

[ ]ligsacompbind HHHH ∆+∆−∆=∆NLR: termo entrópico associado àperda de rotação em ligações após associação do ligante ao sítio ativo

Oliveira, F., Caffarena, E., Sant`Anna, C.M.R., Dardenne, L.E., Barreiro, E.J., Bioorg. Med. Chem.2006

GKRT i ∆=ln

∑∆=i

ii GKRT ln

Exemplo 1: Inibidores da PDE4

C.M.R. Sant'Anna, 2012

15

O

OCH3

NOH

NN

N

O

Cl

N N

N CH3

O

Cl

NEtO

OH3C

H

N

N CH3

O

Cl

SEtO

OH3C

N

N

N CH3

OCH3

CH3

NCN

N CH3

O

NO

H3C

N

N

O

NO

H3C

CH3 N

N CH3

O

SH2N

OH3C

N

N CH3

O

SNC

H3C

N

N

N

OCH3

CH3

NC

CH3

1 (rolipram) 2 (syntex 3) 3 4

5 6 7 8

9 10

Oliveira, F., Caffarena, E., Sant`Anna, C.M.R., Dardenne, L.E., Barreiro, E.J., Bioorg. Med. Chem. 2006

C.M.R. Sant'Anna, 2012

16

A B C

Syntex3

Phe446

Gln443

Met431

Met411

Phe414

Tyr233

Metallic subsite

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

r2 = 0.92

SD= 0.26

n = 10

Calc

ula

ted

∆∆ ∆∆G

(kcal/m

ol)

Experimental ∆∆∆∆G (kcal/mol)

Cálculo de ∆Hint

Oliveira, F. et al., E.J., Bioorg. Med. Chem. 2006

Docking Molecular

C.M.R. Sant'Anna, 2012

17

17

Teorias de Fischer e Koshland revisitadas: Docking Molecular

C.M.R. Sant'Anna, 2012

18

18

+H3N

OH

Ângulos diedros com pequenas barreiras em solução

Classificação das “poses”

∆Gint = Σ∆Gi

∆Gint = ∆Grot+ ∆Ghb+ ∆Gion+ ∆Garo + ∆Glipo + ...

H3N

OH O

NH

O

O

∆∆∆∆Gio

∆∆∆∆Glipo

∆∆∆∆Grot

∆∆∆∆Garo

∆∆∆∆Ghb

Ângulos diedros variados no docking flexível

Algoritmo de busca de modos

de interaçãoONH

O

O

Sítio de interaçãona proteína

Ligante Receptor

“Poses” do complexo ligante-receptor

Exemplo 2: Busca de Novos Fármacosanti-parasitoses

C.M.R. Sant'Anna, 2012

19

Composto R1 R2 R3 R4

1 Cl (CH2)3NMe2 - H

2 COCH2CH3 (CH2)3NMe2 - H

3 COOH (CH2)3NMe2 - H

4 CONH2 (CH2)3NMe2 - H 5 H (CH2)2C(NH2)=NH - H

6 H (CH2)3N(CH2CH2)2NCH3 - H

7 H CO(CH2)2COOH - H

8 H COCH2Br - H

9 CF3 (CH2)2C(NH2)=NH - H

10 Cl (CH2)3NMe2 - COCH3 11 Cl (CH2)3NMe2 =O H

12 COCH3 COCH3 - H

13 COCH3 COCH3 - COCH3

14 Cl (CH2)3N+(Me)2CH2C6H5 - H

15 Cl (CH2)3N+(Me)2CH2C6H33,4-Cl - H

16 Cl (CH2)3N+(Me)2CH2C6H44-NO2 - H

17 Cl (CH2)3N+(Me)2CH2C6H33,4-CH3 - H

18 Cl (CH2)3N+(Me)2CH2C6H33,4-OCH3 - H

19 Cl (CH2)3N+(Me)2CH2C6F5 - H

20 Cl CH3 - H

TR: estrutura cristalográfica

Bond et al., Structure Fold Des., 1999, 7, 81.

N

S

R1

R2

R4

R3

Khan et al., J. Med. Chem., 2000, 43, 3148. Chan et al., J. Med. Chem., 1998, 41, 148.

“Docking” de fenotiazinas

A quimioterapia é a principal forma de controle das parasitoses (doença de Chagas, leishmaniose, etc), mas os fármacos disponíveis no mercado atualmente não são satisfatórios para

este fim. A terapia é geralmente lenta, cara e tóxica.

Construção de Modelos de Interação: Descritores da Energia Livre

C.M.R. Sant'Anna, 2012

20

20

∆GbindFenômenos microscópicos

de interação

Descritores de interação (Di)

∑∑ ∆≅∆=i

ii

i

ii DcGKRT ln

C.M.R. Sant'Anna, 201221

Comp. ln (IC50)exp ln (IC50)calc

1 2,08 2,24

2 2,3 1,15

3 -0,25 1,14

4 2,88 3,43

5 1,69 1,51

6 3,33 3,16

7 4,34 5,52

8 5,16 5,13

9 7,94 6,53

10 3,89 5,43

11 4,28 4,50

12 7,3 8,09

13 5,53 5,96

14 5,73 6,71

15 3,57 4,17

16 5,88 4,45

17 8,27 6,54

18 6,13 5,98

19 1,36 1,10

20 6,9 5,55

21 4,7 5,28

22 2,48 2,15

23 6,08 7,35

“Docking” (GOLD)Melhores ajustes

(Goldscore)

Geração de descritores para os complexos (SILVER)

0 2 4 6 8

1

2

3

4

5

6

7

8

ln IC

50 c

alc

ln IC50

exp

Linear fit

R=0,904

SD=0,871

N=20

432150ln cDcDcDcIC AHHYDVDW +++=Seleção de descritores e geração de correlação

DVDW é a contribuição em interações de van de Waals ligante/proteína, DHYD

o número de átomos hidrofóbicos do ligante acessíveis ao solvente, DAH o número de aceptores de ligação hidrogênio do ligante e os coeficientes c1-c4

são obtidos ajustando-se a equação aos valores experimentais de ln (IC50)Del Cistia, C. N., Tese, UFRRJ, 2010.

Mesoiônicos: Novos inibidores da TR

C.M.R. Sant'Anna, 2012

22

Espécie Inibição (%) da TR pelo

derivado p-NO2 (1 µµµµM)

L.

amazonensis

76

L. infantum 70

L. brasiliensis 69,5

T. cruzi 83

Inibição não competitiva

L. infantum

+

S

N N

NHR

R = H, m-OCH3, p-OCH3, p-NO2

Cl-

Rodrigues, R., et al., Bioorg. Med. Chem., 0, 000 (2012)

C.M.R. Sant'Anna, 201223

+

S

N N

NHR

R = H, m-OCH3, p-OCH3, p-NO2

Cl-

TR L. infantum (2W0H)

TR L. amazonensis (modelo)

TR L. brasiliensis (modelo)

TR T. cruzi (1BZL)

Docking

Sítio da tripanotiona

Sítio do NADPH

Sítio do FAD

Rodrigues, R., et al., Bioorg. Med. Chem., 0, 000 (2012)

C.M.R. Sant'Anna, 201224

Rodrigues, R., et al., Bioorg. Med. Chem., 0, 000 (2012)

+

S

N N

NHR

R = H, m-OCH3, p-OCH3, p-NO2

Cl-

Sítio do NADPH

C.M.R. Sant'Anna, 201225

+

S

N N

NH

N+

O-

OCl-

Rodrigues, R., et al., Bioorg. Med. Chem., 0, 000 (2012)

Estudos de docking

Exemplo 3: Inibidores reversíveis da AChE e BChE

C.M.R. Sant'Anna, 2012

26

Síntese de novos derivados da harmana

Estudo cinético da inibição da AChE e da BChE

acetilcolina butirilcolina

Em todos os casos: Inibição não competitiva!

Torres, J. M., et al., Phytochem., 0, 000 (2012)

AChEBChE (modelo)

AChE ouBChE (modelo)/subst.

Harmana e derivados

Refinamento da energia (método quântico semi-empírico)

C.M.R. Sant'Anna, 201227

Composto Inibição Ki (µM)

Inibição da AChE

5 Não competitiva 328

6 Não competitiva 6,39

7 Não competitiva 5,33

Inibição da BChE

5 Não competitiva 90

6 Não competitiva 0,23

7 Não competitiva 0,64

Complexo binário Complexo ternário

Composto ∆∆∆∆Hint

(AChE)*

∆∆∆∆Hint

(BChE)*

∆∆∆∆Hint

(AChE)*

∆∆∆∆Hint

(BChE)*

5 0,0 0,0 0,0 0,0

6 -170,8 -86,5 -131,0 -123,5

7 -169,6 -128,7 -121,4 -117,6

*kcal/mol

Torres, J. M., et al., Phytochem., 0, 000 (2012)

56

7

BChE

Referências

C.M.R. Sant'Anna, 2012

28

Chan, C; Yin, H; Garforth J, McKie JH, Jaouhari R, Speers P, Douglas KT, Rock PJ, Yardley V, Croft SL, Fairlamb AH, J. Med. Chem., 41, 148 (1998).

Gilli, P; Ferretti, V; Gilli, G; Borea, PA, J. Phys. Chem. 98, 1515-1518 (1994)

Khan, MO; Austin, SE; Chan, C; Yin, H; Marks, D; Vaghjiani, SN; Kendrick, H; Yardley, V; Croft, SL; Douglas, KT, J. Med. Chem., 43, 3148-3156 (2000).

Oliveira, F., Caffarena, E., Sant`Anna, C.M.R., Dardenne, L.E., Barreiro, E.J., Bioorg. Med. Chem. 14, 6001-6011 (2006).

Park, WK; Kennedy, RM; Larsen, SD; Miller, S; Roth, BD; Song, Y; Steinbaugh, BA; Sun, K; Tait, BD; Kowala, MC; Trivedi, BK; Auerbach, B; Askew, V; Dillon, L; Hanselman, JC; Lin, Z; Lu, GH; Robertson, A; Sekerke, Bioorg. Med. Chem. Lett. 18, 1151-1156 (2008)

Powell, NA; Ciske, FL; Cai, C; Holsworth, DD; Mennen, K; Van Huis, CA; Jalaie, M; Day, J; Mastronardi, M; McConnell, P; Mochalkin, I; Zhang, E; Ryan, MJ; Bryant, J; Collard, W; Ferreira, S; Gu, C; Collins, R; Edmunds, JJ, Bioorg. Med. Chem. 15, 5912-5949 (2007).

Reynolds, CH & Holloway, MK, Med. Chem. Lett. 2011, 2, 433-437

Rodrigues, R., Del Cistia, CN, Castro-Pinto, D; Echevarria, A; Sant`Anna, C.M.R.; Canto-Cavalheiro, M; Leon, LP; Tomás, A, Bioorg. Med. Chem., 0, 000 (2012)

Santos, V. M. R., Costa, J. B. N., Moya, G. E. M., Cortes, W. S. e Sant’Anna, C. M. R., Bioorg. Chem. 35, (2007)

Scott AD, Phillips C, Alex A, Flocco M, Bent A, Randall A, O'Brien R, Damian L, Jones LH, ChemMedChem., 4, 1985-1989 (2009)

Torres, JM; Lira, AF;Silva, DR; Guzzo, LM; Sant`Anna, CMR; Kümmerle, AE; Rumjanek, VM, Phytochem., 0, 000 (2012)

Agradecimentos

Dr. João Batista N. Costa (PQ/UFRuralRJ)

Dr. Anivaldo X. da Silva (PQ/UFRuralRJ)

Dra. Aurea Echevarria (PQ/UFRuralRJ)

Dr. Victor M. Rumjanek (PQ/UFRuralRJ

Dr. Arthur E. Kümmerle (PQ/UFRuralRJ

Dra. Catarina N. del Cistia (PQ/UFRuralRJ

Dr. Eliezer Barreiro (PQ/LASSBio/UFRJ)

M. Sc. Letícia Zampirolli (PG/UFRuralRJ)

M. Sc. Juliana M. Torres (PG/UFRuralRJ)

M. Sc. Vinicius T. Gonçalves

(PG/UFRuralRJ)

M. Sc. Camila Moreto (PG/UFRuralRJ)

M. Sc. Daniel R. Silva (PG/UFRuralRJ)

M. Sc. Aline F. Lira (PG/UFRuralRJ)

Marcus Vinicius H. Silva (IC/UFRRJ)

29

C.M.R. Sant'Anna, 2012

CAPES, CNPq, INCT-INOFAR, Faperj

C.M.R. Sant'Anna, 201230