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Diseño Molecular de Fármacos

• Prof. Ramón Garduño Juárez• Modelado Molecular• Diseño de Fármacos

¿Qué es un modelo?

Modelo

Experimento Teoría

Un modelo sirve de puente entre la teoría y el experimento – en efecto un modelo llena las brechas en los datos experimentales.

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¿Qué es un modelo molecular?

• En sí, cualquier representación de una molécula es un modelo:– Dibujos de líneas para estructuras orgánicas– Modelos simples de “bolas y palitos”– Mapas de densidad electrónica– Representaciones Van der Waals o CPK– Figuras de cilindros y listones para proteínas– Estructuras cristalinas de rayos-X

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Propiedades (importantes) observables• Moleculares

– Propiedades que están localizadas en una sola molécula

– Punto de fusión, logP, peso molecular, refractividad molar, HOMO, LUMO, etc.

– Algunas pueden ser ‘atomísticas’

• Intermoleculares– Propiedades que se derivan de la interacción de dos

moléculas– Constantes de unión, energía libre de unión, etc.– No son muy ‘atomísticas’

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Predicción de Propiedades

• Las herramientas de cómputo pueden ser usadas para modelar propiedades.

• Más datos experimentales => mejores modelos y mejores predicciones.

• En general, las propiedades moleculares son más fáciles de predecir que las propiedades intermoleculares.

• Las herramientas de cómputo y los métodos para el descubrimiento de fármacos, están clasificados casi de igual manera.

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Dos paradigmas en el descubrimiento de fármacos

• Descubrimientos basados en el Ligando– Usa las propiedades de las moléculas mismas

para desarrollar modelos de actividad y asistir en el diseño de nuevos compuestos líderes activos y candidatos clínicos.

• Descubrimientos basados en la Estructura– Usa las propiedades (y estructuras) de

moléculas unidas a sus receptores para identificar las características moleculares ideales para unión y actividad. (LOCK and KEY).

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Técnicas Clave del Modelado

• Mecánica Cuántica

• Mecánica Molecular

• 3D QSAR

• Búsqueda en la Base de Datos de Moléculas Pequeñas

• Acoplamiento y tanteo

• Diseño de Fármacos De Novo

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Mecánica Cuántica

•H Ψ = E Ψ• Estructura electrónica y propiedades, orbitales

moleculares, energías de ionización, etc.• Consideración es de tamaño y velocidad hacen a la

MC casi imposible para proteínas, e impráctica para posibles moléculas de fármacos muy grandes.

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Mecánica Molecular

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QSAR 3D (CoMFA)

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Tabla QSAR

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QSAR en 3-Dimensiones

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Modelos QSAR 3D

• El uso de Mínimos Cuadrados Parciales (PLS) para derivar el modelo de actividad con una función de los valores puntuales de la malla..

• La validación cruzada es crucial: indica la predictividad interna del modelo.

• Validar el modelo con un conjunto de prueba externa.

• Realizar los mapas de coeficientes en 3D => aprender la relación espacial entre estructura y actividad.

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Búsquedas 3D en las Bases de Datos• La mayoría de las compañías farmacéuticas

tienen bibliotecas privadas muy grandes de compuestos que han sido parte de proyectos anteriores.

• Muchos de éstos han sido aprobados contra tamizados particulares, pero no contra todos los tamizados

• El National Cancer Institute (NCI) tiene una biblioteca pública de > 300,000 compuestos.

• Algunas agencias comerciales venden otras bibliotecas con hasta 6,000,000 compuestos.

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Usando las Bases de Datos 3D• Un compuesto activo (competidor) se analiza

para determinar su farmacóforo.• Arreglos espaciales en 3D entre componentes

del farmacóforo son usados para construir una pregunta.

• La pregunta se aplica a la base de datos 3D para derivar aciertos.

• Los aciertos se examinan por los químicos para determinar la posibilidad sintética, su novedad, etc. para generar las pistas.

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Acoplamiento y Tanteo

• Colocar juntos los modelos moleculares del receptor y los ligandos putativos en 3-dimensiones

• “Tantear” las interacciones – i.e., predecir la unión y actividad

• Si se llevó a cabo sobre bases de datos muy grandes a esto algunas veces se le llama “Tamizado Virtual”

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20

ab

c

dce

g

f

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La Ecuación Maestra

G = H - TS

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Hidrofobicidad

• Medida como el coeficiente de partición Agua / Octanol (P).

•

• log P > 0 : fase lípidos log P < 0 : fase agua

Log PA = Log[A]1-octanol

[A]water

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Método Leo (CLOG-P)

m

mmn

n

n FjfiLogP11

i = número de ocurrencias del fragmento f de tipo n.

j = número de ocurrencias del factor F de tipo m.

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Hidropático Campo 1D LogP vs. 3D

• El Log P de la base libre de cocaína es: 4.24

• El Log P de la sal cuaternaria de cocaína es: 1.10

• Sin embargo, si examinamos los mapas hidropáticos en 3D para estas dos moléculas, podemos ver perfiles muy diferentes de cómo la cocaína se puede presentar a sí misma como un ligando . . .

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Mapa Hidropático 3D para la Sal cuaternaria de Cocaína

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Mapa Hidropático 3D para la Base Libre de Cocaína

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La Ecuación “HINT

B = bij = aiSi ajSj Rij Tij + rij

a = constante atómica hidrofóbicaS = área de superficie accesible al disolventeRij = exponencial (e-r)Tij = función de discriminante para interacciones polar-polarrij = término de van der Waals

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Clases de interacciones No Covalentes

 

Puentes de hidrógeno - A-H…B-1 – 10

kcal/mol

Coulombicas -A+ B--0.5 – 5

kcal/mol

Hidrofóbicas -CHn CHm- 0.5 – 2 kcal/mol

Van der Waals (London) -X Y- < 1 kcal/mol

Nota: cualquier método comprensivo que intente el modelar la unión del ligando también debe considerar la energía de solvatación y contribuciones entropicas al proceso de unión.

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Interacción Serina-Glicina

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Interacción Asp-Asp

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Interacción Leu-Leu

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34

H is 146

H is 97

A sp 99G lu 101

A sn 102

L eu 105

A rg 40

T rp 37

G lu 43

V al 34

L ys 127

A sp 126

A sp 6

V al 1

Pro 37

T yr 42

T h r 41

Pro 44

L ys 40

A sn 97

V al 96

A sp 94

A rg 92

L eu 91

A rg 141

D eoxyH b C ontacts

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Hint Score units

0 1000 2000 3000 4000

G (Kcal m

ol-1

)

-16

-12

-8

-4

0bovine thrombinhuman thrombin

hydroxynitrile lyaseadipocyte l.b.p.

retinol b.p.

bovine trypsin

tryptophan synthasesaccharopepsinothers

penicillopepsin

Energía libre de unión del ligando

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Ecuaciones HINT “QSAR” para G:

G = -0.00195 HTOTAL – 5.543 kcal mol-1 (error estándar = ±2.6 kcal mol-1, r = 0.54)

i.e., – 513 HINT unidades / kcal mol-1

or

G = – 0.00102 (HHB + HAB) – 0.00483 HHH

– 0.00222 HAA – 0.00026 HBB

– 0.00181 HHP – 2.231 kcal mol-1

(error estándar = ±1.8 kcal mol-1, r = 0.82)

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G (Kcal mol-1) experimental

-16 -12 -8 -4 0

G

(Kcal m

ol-1

) pre

dic

ted

-16

-12

-8

-4

0

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¿Que hay del agua & solvatación?• El agua no es un simple “espectador” a la unión del ligando

o a las asociaciones proteina-proteina!

• En general el agua puede ser el componente más importante del sistema:– Cambios entropía surgen principalmente de los cambios en la

estructura del agua– Energías de solvatacion/desolvatación son causadas por

cambios en la estructura de agua/biomolecula y agua/ligando

• La estructura del agua es difícil de observar experimentalmente o de predecir. Las estructuras de rayos-X no siempre pueden resolverse para el agua u otros iones.

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Total = R-L + L-H2O [+ R-

H2O]

L

R

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Proteasa HIV-1 (sin complejar)R87

D29

R108

wat300

wat301

D25 D125

I150 I50

R8

R187

D129

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Proteasa HIV-1(complejada)

wat301

wat313bis’

wat313’

wat313bis

wat313

D25 D125

I150 I50

R108R8

D29

R187

R87

D129

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HINT score

∆G

(kc

al m

ol-1

)

Correlación de Tanteo HINT(sin agua)

∆G = -0.0012 HTOTAL – 7.903r = 0.55, Std. Error = ± 1.30

n = 23 complejos HIV-1 proteasa-ligando

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HINT score

∆G

(kc

al m

ol-1

)

Correlación de Tanteo HINT (incl. 301 aguas)

∆G = -0.0017 HTOTAL – 4.789r = 0.79, Std. Error = ± 0.95

N N

O

HO OH

NH 2 H 2 N

N N S

O O

HO OH

O O

n = 23 complejos HIV-1 proteasa-ligando

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Por último El Diseño de Fármacos De Novo

• Quizá el enfoque más especulativo• Básicamente permite a las computadoras

diseñar moléculas basadas en conjuntos de reglas químicas, diccionarios y patrones.

• Puede involucrar algoritmos genéticos u otras matemáticas sofisticadas.

• Las moléculas son “clasificadas” conforme se construyen y aquellas con la mejor clasificación son reportadas.