planejamento de fármacos baseado na estrutura do ligante

Planejamento de frmacos baseado na estrutura do liganteProf. Milleno D. MotaEmail: [email protected] MSN: [email protected]

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:


Relaes de similaridade

Atividades semelhantes frente a um mesmo receptor iro provavelmente significar ocupaes semelhantes do espao tridimensional definido pelo receptor:


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!


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


Eletronegatividade


Eletronegatividade+

Cl C H H

+ -

Li C H

H H

H Metil-ltio

Clorometano


Eletronegatividade Efeito

indutivo

Capacidade de um tomo em polarizar uma ligao Deslocamento dos eltrons em uma ligao em resposta eletronegatividade dos tomos mais prximos


Momento de Dipolo ()+Excesso de 0,2 e-

ClDficit de 0,2 e-

HH

C H

Clorometano ( = 1,87 D)


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


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


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


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)


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)


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)

planejamento de fármacos baseado na estrutura do ligante

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