Variaciones basadas en transformaciones de anillos Las modificaciones pueden seguir tres enfoques: Analógico: la complejidad global de la molécula no se altera Se obtienen análogos muy relacionados mediante: interconversiones cadena ↔ anillo contracción o expansión de anillos reorganización de sistemas de anillos

Disyuntivo: se simplifica progresivamente el sistema de anillos de la molécula Se busca información sobre la mínima porción estructural necesaria para la actividad Conjuntivo: se incrementa la complejidad estructural por agregado de nuevos anillos Se busca restringir la movilidad de compuestos flexibles e imponer conformaciones y configuraciones precisas

Analogía por apertura de anillos Tiene una aplicación limitada y en la mayoria de los casos corresponde a copias terapéuticas

Anillos potenciales El análogo abierto se cicla in vivo por oxidación o deshidratación. El compuesto es un precursor de la especie activa (una prodroga) Cl

Cl

NH N H

N N

H NH2

NH N

N N

H NH2

Proguanil (antimalárico)

Cicloguanil (verdadero principio activo)

inactivo in vitro

activo in vitro

activo in vivo

activo in vivo

se excreta rapidamente por el riñón

1

El canrenoato de potasio se puede administrar por via parenteral Se transforma in vivo en canrenona un antagonista de aldosterona y principal metabolito de spironolactona CO2K O OH

O

in vivo

O

O

canrenoato de potasio inactivo, soluble en agua

canrenona diurético

Pseudociclos El análogo abierto asume una conformación similar a la del compuesto cíclico (verificable por RMN o Rayos X)

Los análogos abiertos del hipotensivo clonidina tienen el mismo perfil de actividad con una pérdida de potencia de 30 a 100 Cl

H N

Cl

N HN

clonidina -19% a 0,3 μmol/kg

Cl

H N

N

Cl

HN

seco-clonidina -7% a 10 μmol/kg

Cl N Cl

H N NH2

-23% a 10 μmol/kg

2

En el caso del hipotensivo cromakalim el análogo de cadena abierta tiene 1/3 de la potencia

O

N NC

OH

N NC

O

OH O

cromakalim -39% a 0,3 μmol/kg

-22% a 1,0 μmol/kg

H

NH

N

Cl

O

N Cl

clonidina

El estradiol tiene varios análogos de cadena abierta con potencia similar En este caso la forma general de la molécula y la distancia entre los grupos funcionales son los factores que determinan la unión al receptor O

H OH

HO

OH

HO

estradiol O

OH OH

HO

HO

3

Analogía por cierre de anillos La ciclación de estructuras abiertas o el agregado de anillos da una estructura más restringida conformacionalmente. Ventajas: permite encontrar conformaciones biologicamente activas Desventajas: puede introducir nuevos centros de isomería HO

CO2H

HMG-CoA reductasa

HO

CO2H

O

OH

ácido mevalónico

SCoA

HO

HO

O O

O O

H

O

in vivo

CO2H OH

O

H

R

R

R = H, mevinolina (lovastatina) R = CH3, compactina

Varias copias terapéuticas del analgésico ketoprofeno fijan la orientación de la cadena lateral y son potentes analgésicos que producen muy baja irritación gástrica O CO2H

ketoprofeno

O

O CO2H

O

X CO2H

O CO2H

X = O, S, SO, SO2

4

La rigidización gradual de la molécula de GABA conduce al potente agonista THIP que es metabólicamente estable HO

O

HO

HO

O

O

HO

N O

H2N

N

H2N

N H

H

GABA

agonistas de GABA

isogavucina

THIP

En algunos casos la estrategia falla. La conformación del agonista de GABA baclofen en estado sólido es idéntica a la del análogo con puente etileno (n = 2) que es inactivo NH2

NH2 CO2H

CO2H

X

X = H, Cl n = 1, 2, 3

(CH2)n

X

baclofen

El análogo ciclado de nicotina tiene el mismo perfil farmacológico in vivo y potencia similar pero no compite por la unión al receptor H H

N N H

N N

nicotina

El nefopam es el análogo ciclado de los antihistamínicos difenhidramina (benadryl) y orfenadrina

relajante muscular sin acción antihistamínica

O

O

O

N

N

N

nefopam

difenhidramina

orfenadrina

5

El antiinflamatorio fenilbutazona derivó en numerosas copias terapéuticas por interconversiones cadena anillo n-Bu

HO2C H N

N

O

N

n-Bu

O

n-Pr

O O

N

N N

fenilbutazona 1951

eutomol 1964

n-Bu

O

H

N

Cl

N

N

N

NMe2

prolixan 1966

n-Bu

O

O

N

n-Pent

O N

O

N

O

O

N

1973

1970

1968

Analogía por expansión y contracción de anillos Pueden considerarse como variaciones homólogas en series cíclicas

O

O NH

NH O

Et

CO2Et O

Et

NH O

NH

heptabarbital

N

N

O

ciclobarbital

CO2Et

meperidina

etoheptazina

En la conversión de barbituratos a hidantoinas se pierde un carbonilo pero se retienen las propiedades antiepilépticas O R1

NH

R2

NH

R1 O

O

R2 O

NH O NH

6

Analogía por reorganización de anillos H N

N

Anillos simples pueden reorganizarse a sistemas espiránicos o policíclicos

NH2 NH

guanetidina H

H

N

N

NH2

N

N NH

NH

H

H N

NH2

N

NH2

NH2

N

N

NH

NH H

H N

NH2

NH2

N

N

N

NH

NH

La disociación de sistemas de anillos fusionados especialmente en benzoderivados puede mejorar solubilidad o disminuir la toxicidad de largo plazo H

O

N N

O N benperidol

F

H O O

N N

N F

espiroperidol

7

La disociación y la reorganización pueden combinarse A

B

N

N

N

S

A

B

N antiparasitarios

S

N tetramisol

H tiabendazol

H

H

HO

NH

agonistas del receptor D1 de dopamina

HO NH

HO

HO DPTI

SKF 38 393

Enfoques disyuntivos Esta simplificación lleva de la morfina a las fenilpiperidinas (meperidina) y de la cocaina a la procaina CH3

CH3

N

N O

OCH2CH3

OH

OH

meperidina (Demerol) analgésico no adictivo

morfina

MeO2C O O

cocaina

O

H2N O

NMe O

eucaina

O

NMe

N

O

procaina analgésico no narcótico

8

En el antagonista natural de CCK, asperlicina un estudio disyuntivo permitió ubicar los elementos de benzodiazepina y tetrahidroindol

O

N N

N

NHCO HN

N

N

O

H

N NH O

indolilcarboxamidas asperlicina

Enfoques conjuntivos Utiliza anillos suplementarios para restringir el movimiento Aplicado al ácido glutámico condujo a potentes antagonistas de NMDA y AMPA CO2H

H2N

PO3H2

PO3H2

CO2H

H2N

N

CO2H

PO3H2

CO2H

N

H

ácido glutámico

N

N N NH

PO3H2 PO3H2

H

H

H

H

H

H

H

H N H

CO2H

CO2H

H

H N H

CO2H

N

CO2H

H

9

O

O F

F

CO2H

N

N

N

HN

N

HN

Et

A partir del antibacteriano norfloxacina se llegó a los muy potentes análogos tetracíclicos

CO2H S

O

norfloxacina

N

N

N

O

N

O

N

N CH2

CH2

ondansetrón antagonista de 5-HT3

n = 1, cilansetrón 10 veces más potente

(CH2)n

Con la misma metodología se obtuvieron análogos de captopril basados en estudios de modelado de inhibidores de ACE

HS

N O

N CO2H

HS

HS

O

CO2H

N O

CO2H

captopril H N

HS O

S N CO2H

HS

O

CO2H

10

Estrategias generales de diseño Enfoque analógico mantiene la complejidad de la molécula usualmente basado en reemplazos isostéricos o inversiones funcionales Enfoque disyuntivo simplifica la estructura original usualmente aplicado a productos naturales identifica la parte esencial de la molécula (farmacóforo) Enfoque conjuntivo agrega unidades adicionales a la molécula síntesis asociativa, drogas gemelas simétricas y no simétricas

Un enfoque conjuntivo modifica un agonista de GABAB en antagonista

Cl

H

PO3H2

H2N

OH

N

Cl

O P OH

CGP 27492

CGP 55845

El agonista del receptor H2 de histamina deriva de histamina NH NH2

N HN

N HN

histamina

N

N

N

H

H

S

NH

impromidine

11

Estrategias aplicadas al diazepam O

N

O N

Cl

O

N

N

O N S O

N

O

N

O N

N

S

N

Cl

Cl

O

N

Cl

O N

Cl

N

N

O

N

N

Cl

N Cl

N

N

N

O

N

Cl

N

X

N

Cl

O

N

N Cl

O

N

Y X,Y = CF3, Cl, CN, NO2 O

N

O

N

Cl Cl

N

O

N

N

O N

Cl

N

O N

N

N H Cl

12

Según las reglas de Lipinski un candidato a droga debe tener: Peso molecular menor de 500 Lipofilicidad por debajo de log P = 5 No contener más de 5 donores de puente H No contener más de 10 átomos de O y/o N Si dos o más de estas condiciones no se cumplen debe esperarse una absorción pasiva pobre En forma cuantitativa pueden aplicarse parámetros de área de superficie polar y de relación Volumen/superficie para predecir absorción oral y penetración de la barrera hematoencefálica

Lipinski, C. A., Lombardo F., Dominy, B. W., Feeney, P. J. Adv. Drug Del. Rev. 23, 3–25 (1997)

Se debe dar prioridad a los análogos que requieran menos modificaciones Deben usarse los datos biológicos disponibles que permitan anticipar el comportamiento de la molécula Incorporar datos de requerimientos estructurales a medida que se dispone de ellos Elección de los sustituyentes correctos de modo de minimizar el número de compuestos necesarios para explorar las propiedades en el espacio de trabajo

13

Deben prepararse primero aquellos análogos cuya síntesis es más sencilla En lo posible deben eliminarse los centros quirales por ejemplo creando simetría en la molécula

HO

De los 7 centros quirales de lovastatina solo 2 son importantes.

O O

O O

H lovastatina

Estos se conservan en la segunda generación de análogos: HO

HO

O

HO

CO2-

O

CO2-

OH

OH

F

F F

N

N

O HR 780

NH

CH3SO2

N N

rosuvastatina (como sal de Ca2+)

atorvastatina (como sal de Ca2+)

(lipitor)

14

límites de detección olfativa de lactonas presentes en vinos

Actividad biológica de enanteómeros

relación eudísmica = relación de afinidades de los enanteómeros (+) y (-)

5-

(+) butaclamol

*

*

Diasterómero RS: agonista CCK1 Diasterómero SR: antagonista CCK1

15

Drogas quirales y aquirales (1988)

Drogas quirales y aquirales (1983-2002)

H. Caner et al., Drug Discov. Today 9, 105-110 (2004)

16

Efectos específicos de sustituyentes Grupos metilo Efectos en la solubilidad Lipofilicidad

mayor lipofilicidad

tolueno

490

benceno

135

propionamida

360

acetamida

83

N-metilurea

44

urea

15

Interacciones hidrofóbicas En ocasiones el agregado de varios metilos puede hacer a la molécula más globular (compacta) aumentando la solubilidad en agua

Disminución de la fuerza de cohesión del cristal Los metilos pueden dificultar interacciones electrostáticas, de puente de hidrógeno, etc, disminuyendo la energía de atracción entre las moléculas y facilitando la disolución en agua R1

R2

pKa

% ionizado a pH 5,2

solubilidad a pH 5,2 (37º)

H

H

6,5

3,9

0,5 mM

sulfamerazina

Me

H

7,1

1,4

1,3 mM

sulfamidina

Me

Me

7,4

0,7

2,4 mM

sulfadiazina

R1 N H2N

SO2NH N R2

17

Efectos conformacionales Las interacciones estéricas pueden modificar la conformación generando interacciones ligando receptor favorables o desfavorable CH3 O

N

O

N

difenhidramina

N

o-metildifenhidramina (1/5 de la actividad)

fenindamine

En esteroides los metilos angulares bloquean la cara superior de la molécula. El metilo 18 además impone una conformación preferencial a la cadena lateral en C-20

CH3

CH3

17

O

HO

Efectos electrónicos Los metilos (y alquilos en general) son los únicos sustituyentes que actúan como donores de electrones por efecto inductivo, es decir son donores en cualquier entorno Siempre es conveniente incluir un sustituyente metilo en un estudio de relaciones estructura-actividad, como un donor de electrones representativo En segundo lugar debe elegirse un atractor de electrones (Cl, CN, NO2, CF3) + NH3 HN + NH3 HN

N + NH3

H1 = H2 = 100%

HN

N H1 = 17% H2 < 2%

R HN

N

H

H

N

N

N

H1 = 0,2% H2 = 50%

S

R = H burimamida pKa = 7,25 R = Me metilburimamida pKa = 7,80

18

Efectos en el metabolismo El metilo es oxidado Usualmente a grupo carboxilo. El colocar un metilo en un anillo aromático suele ser un buen método de detoxificación

El metilo es transportado Los metilos sobre N o S puede favorecer su transformación a iones amonio o sulfonio que actúan como donores de metilo. Si el metilo está unido a un buen grupo saliente (sulfatos, sulfonatos) se convierte en alquilante y hay riesgo de carcinogenicidad

El metilo bloquea un centro reactivo Por ejemplo enmascarar H reactivos de OH o SH

En esteroides la posición alílica 6 es facilmente oxidable. Esto se evita por metilación OH O

OH O

OH

OH

O

O prednisolona

CH3 6α-metilprednisolona metabólicamente más estable

Los péptidos pueden hacerse más resistentes a la hidrólisis por metilación del N peptídico

19

Grupos relacionados Gem-dimetilos y espiro-ciclopropilos son útiles para convertir un carbono en cuaternario Ciclopropilo es menos voluminoso que isopropilo teniendo un efecto donor de electrones similar El ciclopentilo genera máximo efecto donor con un volumen razonable. Suele ser un grupo adecuado para llenar huecos hidrofóbicos en enzimas y receptores.

Efectos inesperados de la variación de un grupo alquilo

20

Efectos de grupos insaturados Aumento de la potencia narcótica Generan isomería geométrica Efectos electrónicos Aumento de la reactividad por conjugación Facilitan el metabolismo

Los grupos vinilo son poco utilizados Los ciclopropilos son una alternativa interesante a los vinilos y evitan problemas de interconversión de isómeros NH2

NH2

tranilcipromina

NH

análogo etilénico hidrolizable

Los derivados alílicos suelen ser hepatotóxicos e irritantes y generalmente no se utilizan Los grupos acetileno son usados por su efecto electrónico como reemplazo bioisostérico de anillos aromáticos y para imponer restricciones estructurales Desde el punto de vista estructural proveen una disposición geométrica rígida en línea º 4,2 A C C C C

OH

N

O

O

N H2N

OH H2N

GABA

O oxotremorina

ácido 4-aminotetrólico

Los 17α-etinil-esteroides son activos por via oral HO

HO

HO

O etinilestradiol

noretindrona

21

Reemplazo de un anillo aromático N

naftifina

HO

NH2

HO

dopamina

NPr2 N H

terbinafina

agonista fuerte del receptor D3 de dopamina antifúngicos tópicos H. Hübner et al., J. Med.Ed. Engl. 26, 320-328 (1987)

A. Stütz, Angew. Chem. Int. Chem. 43, 756-762 (2000)

Efecto de halogenación Efectos estéricos La sustitución por halógenos puede fijar conformaciones o enmascarar grupos funcionales El derivado 2,6-diclorado (clonidina, hipotensivo) mantiene los anillos no coplanares y resulta más activo que el 3,4-diclorado: Cl HN

Cl

HN

NH N

NH Cl

N

Cl CE 0,01 mg/kg 20

CE 3,00 mg/kg 20

Efectos electrónicos Las propiedades atractoras de electrones son máximas para cloro y bromo, menores para iodo y muy débiles para flúor El efecto mesomérico de los halógenos generalmente no se manifiesta en medios biológicos

22

Efectos hidrofóbicos Los halógenos son predominantemente lipofílicos Este efecto es notorio en los halocarbonos anestésicos, los halofenoles antisépticos y los insecticidas clorados. La acumulación de halógenos favorece el pasaje a través de biomembranas y el acceso al sistema nervioso central Cl OH OH Cl Cl O Cl CCl 3 Cl Cl Cl Cl

Cl Cl dieldrin

Cl

Cl

Cl DDT

Cl

hexaclorofeno

Reactividad Todos los enlaces C-Hal (excepto C-F) son más débiles que C-H

Usos de los halógenos Los más usados son cloro y flúor unidos a carbonos no activados

Flúor tiene tamaño similar al hidrógeno y es usado principalmente para bloquear posiciones lábiles metabolicamente Bromo tiene menos aplicaciones y es usado generalmente como bromoarilo Su mayor inconveniente es generar intermediarios alquilantes confiriendo propiedades tóxicas en tratamientos prolongados

Iodo es el halógeno menos usado El enlace C-I es débil y puede liberar iones ioduro produciendo reacciones de hipersensibilidad o problemas crónicos Es indispensable en tratamientos de deficiencias tiroideas y como medio de contraste radiológico

23

Cloro, CF3, CN, N3, son bioisósteros Otros posibles bioisósteros son SCN, SCF3, SO2CF3 y CH=CF2 O

Inhibición de MAO (CI50 nM) X=H 1200 X=Br 200 X=CF3 100 X=SO2CF3 27

N H

X N

R1 O

Incorporación de 3H-dopamina (CI50 nM) R1=R2=OCH3 2876 115 R1=H, R2=Cl R1=R2=Cl 75

R2

Grupos hidroxilo El efecto principal es en la disminución de lipofilicidad (un OH aproximadamente compensa a un cloro) En muchos casos constituyen elementos clave en la interacción droga-receptor La hidroxilación metabólica es un mecanismo de detoxificación

Grupos tiol, tioéter y sulfuro Las drogas con grupos SH son usadas por la gran afinidad del S hacia metales pesados (unión a receptores a través de metales como zinc, etc.) Ciertas toureas heterocíclicas son usadas como drogas antitiroideas

N

NH

NH S NH O

O goitrin

S

N H

H

N SH

metimazol

N

S

CO2Et carbimazol

propiltiouracilo

24

Grupos ácidos y grupos básicos La introducción de grupos ácidos tiene efectos esencialmente solubilizantes En muchos casos la actividad inicial se pierde y la toxicidad disminuye. La actividad se recupera al formar un derivado (éster, amida, etc.) En moléculas grandes la actividad se mantiene a pesar del grupo carboxilo

Los grupos básicos son aminas, amidinas, guanidinas y casi todos los heterociclos nitrogenados La introducción de grupos básicos tiene efectos solubilizantes Las aminas primarias suelen ser menos específicas que las secundarias y terciarias y la acilación disminuye drásticamente la actividad Las aminas aromáticas son más peligrosas que las alifáticas y forman metabolitos tóxicos. Se detoxifican por introducción de un carboxilo

Lipofilicidad y la barrera hematoencefálica compuestos polares

compuestos lipofílicos

OH HO

NH2

NHCH3

HO

CH3

OH epinefrina

NHCH3

anfetamina

CH3 efedrina

HO HO

NH2 R

R = H Dopamina

NHCH3

O

CH3

O éxtasis

R = CO2H L-DOPA

25

La fuerza de una interacción entre una droga y su receptor puede determinarse directamente de la constante de equilibrio para la interacción ligando

+

KD =

receptor

complejo ligando-receptor

[ligando] [receptor] [complejo ligando-receptor]

La constante de disociación KD nos da una medida directa del cambio de energía libre en la disociación del complejo

ΔGdis = - 2,303 RT log KD bajo condiciones fisiológicas (37°C) esto es:

ΔGdis = - 5,85 log KD

(kJ/mol)

El valor de KD depende básicamente de: complementariedad electrostática entre droga y receptor (densidad electrónica) complementariedad estérica entre droga y receptor (conformación) Factores entrópicos las interacciones electrostáticas incluyen: interacciones ion-ion, ion-dipolo, dipolo-dipolo, de transferencia de carga y enlaces de hidrógeno

Las interacciones estéricas incluyen: fuerzas de London, fuerzas de repulsión a distancias cortas, energía conformacional

26

Los factores entrópicos incluyen: Interacciones hidrofóbicas La contribución depende de la complementariedad estérica Si no se pueden expulsar todas las moléculas de agua, cada molécula atrapada contribuirá a reducir la entropía

Entropía traslacional y rotacional En un complejo fuertemente unido la pérdida de entropía puede significar hasta 60 kJ/mol de aumento en ΔGunión a 37°C En un complejo con uniones débiles que permitan cierto grado de movilidad, el aumento en ΔGunión será de aproximadamente 12 kJ/mol Entropía conformacional En el caso de ligandos flexibles hay una pérdida adicional de entropía debida a las restricciones conformacionales generadas al unirse al receptor El aumento en ΔGunión es aproximadamente 5 a 6 kJ/mol por cada rotación interna que se pierde

La energía libre de unión puede definirse en términos de las energías de unión de los grupos funcionales individuales que forman la molécula de ligando:

ΔGdisoc = -ΔGunión = T ΔSrt + nrEr + Σ nxEx ΔSrt pérdida de entropía traslacional y rotacional global por la unión nr

número de grados de libertad conformacional internos que se pierden en la unión al receptor

Er

energía equivalente a la pérdida de entropía asociada a la pérdida de cada grado de libertad conformacional

nx

número de grupos funcionales X presentes en el ligando

Ex

energía de unión asociada a cada grupo funcional X del ligando

27

En el caso ideal de alineamiento perfecto y sin tensión del grupo funcional, Ex corresponde a la energía intrínseca de unión En otros casos corresponde a la energía aparente de unión Cada término Ex es una combinación de las distintas interacciones entálpicas y entrópicas involucradas en la unión del grupo funcional al receptor Esas energías de unión son propiedades de los grupos funcionales y resultan aproximadamente aditivas

Las Ex pueden estimarse comparando las energías de unión de pares de compuestos que difieren en la presencia o ausencia de un grupo funcional Se asume que la diferencia depende exclusivamente de factores asociados al grupo X (la energía de unión de X y la pérdida de grados de libertad conformacional asociados a X)

Otros grados de libertad conformacional perdidos en la unión y la pérdida global de entropía traslacional y rotacional asociados al resto de la molécula son independientes de la presencia o ausencia del grupo X

Las energías de unión obtenidas por este método varían según la calidad de la interacción y en general estarán subestimadas Eligiendo adecuadamente los modelos pueden estimarse energías intrínsecas de unión

Una alternativa es obtener energías medias de unión promediando la contribución de grupos funcionales individuales a las energías de unión observadas en un gran número de interacciones ligando-proteina

28

Haciendo un análisis de regresión sobre las energías de unión de 200 interacciones ligando-proteina en solución acuosa se obtuvieron valores promedio para las Ex de una serie de grupos funcionales y para la pérdida de entropía asociada con cada grado de libertad conformacional [J. Med. Chem., 27, 1648 (1984)] Las energías obtenidas son energías de unión aparentes y no energías de unión intrínsecas ya que en muchos casos el alineamiento del grupo funcional no será el óptimo o incluso el grupo puede no participar en la unión

Grupo funcional

Energía media de unión (kJ/mol)

C (sp2 o sp3)

3 (6)

O, S, N, Halógeno

5

OH

10

C=O

14

CO2-

34

OPO32-

42

N+

48

El término TΔSrt se estimó en 58,5 kJ/mol a 37°C La energía media asociada a la pérdida de entropía por restricción conformacional a Er resultó 3 kJ/mol por grado de libertad interno Estos valores resultan menores que los estimados de energías intrínsecas de unión (que corresponderían a alineamiento óptimo): grupos no polares: 12-14 kJ/mol por átomo de carbono grupos cargados: 18-28 kJ/mol grupos que forman enlaces de hidrógeno: 16 kJ/mol (no cargados) 20-42 kJ/mol (cargados)

La suma de las contribuciones individuales de los grupos funcionales incluyendo los términos entrópicos permite calcular la fuerza de unión media esperada para una droga en una interacción típica con un receptor La energía de unión calculada comparada con la observada da una medida de la calidad de la interacción electrostática y estérica entre droga y receptor

29

Para la unión de biotina a avidina la KD experimental es 10-15 mol/l. Podemos calcular el ΔG correspondiente a la reacción de disociación O

ΔGdisoc = TΔS + 5Er +8EC + 2EN + ES + EC=O + ECO2H = - 58,5 + 5(-3) + 8(3) + 2(5) + 5 + 14 + 34 = 13,5 kJ/mol

NH

HN

ΔGobs = - 5,85 log KD CO2H

S

= - 5,85(-15) = 87,75 kJ/mol

biotina La diferencia de más de 74 kJ/mol por encima de la interacción media, indica un encaje excepcionalmente bueno entre la biotina y la proteina Se ha determinado que en este caso se debe a una polarización de la biotina que genera una interacción iónica con la proteina

El caso del metotrexate que se une a la dihidrofolato reductasa con una KD de 10-11 es inverso O N

NH2 N

N H2N

N

CO2H

N

N

H

CO2H

ΔGobs = - 5,85 log KD

H

metotrexate

= - 5,85(-11) = 64,35 kJ/mol

ΔG = TΔS + 9Er +17EC + 7EN + EN+ + EC=O + 2ECO2H = - 58,5 + 9(-3) + 17(3) + 7(5) + 48 + 14 + 2(34) = 130,5 kJ/mol

A pesar de la muy alta afinidad por la enzima la diferencia de más de 66 kJ/mol respecto del valor observado indica que hay una parte importante de la estructura que no participa en la unión o bien que la unión se produce con un confórmero de alta energía Los datos cristalográficos muestran que una parte importante de la estructura (incluyendo un carboxilo) están expuestos al solvente y no son utilizados en la unión

30

Diseño de ligandos de dihidrofolato reductasa

Un análogo más sencillo:

ΔGobs = 51,98 kJ/mol

ΔGobs = 62,13 kJ/mol

31

El mismo tipo de cálculos puede usarse para determinar la efectividad del agregado de un sustituyente y si éste se comporta como es esperado En el caso de los inhibidores de sialidasa como drogas anti-influenza se propuso que el reemplazo del 4-OH por un sustituyente con carga positiva interaccionaría favorablemente con una zona aniónica de las sialidasas A y B del virus de influenza AcNH

OH

HO

OH O

H AcNH

+ H2N

OH

OH

N

OH

NH2

CO2-

O

OH

ΔΔGobs = 23,4 kJ/mol ΔΔGcalc = 51 kJ/mol

KD = 10-6

CO2KD = 10-10

ΔG = 35,1 kJ/mol

ΔG = 58,5 kJ/mol

Aunque menor que el cambio máximo calculado, el reemplazo de grupo funcional indica una buena interacción para la carga positiva

Inhibidores de la proteasa aspártica del HIV Ileu 50

Ileu 50' enzima esencial para la replicación del HIV

Molécula de agua inmobilizada

H

O

O

N

N O

Gly 27 Los CO2H de ASP 25 y 25’ forman puentes H con el OH del intermediario tetraédrico en el C=O del enlace a hidrolizar

O

H

R1

H

H

N R2

H

Gly 27' Asp 25

Asp 25'

La mayoría de los inhibidores son análogos del estado de transición basados en secuencias de sustratos peptídicos conocidos, con el enlace lábil reemplazado por un isóstero

32

El isóstero JG-365 muestra una marcada diferencia de afinidad según la configuración del OH agregado O

Ser

H

O

N

N H

O

Asn

H N

N Leu

OH

H

O

H N

N

Phe

O

JG-365, ΔGcalc = 144 kJ/mol

N

OH

N

N H

H

O

Phe

O

H

O

es posible eliminar una parte de la estructura sin afectar la afinidad

H

N

OMe

N Ile

H Asn

Val

La inhibición es baja teniendo en cuenta los grupos funcionales

OH(R) CI50 = 3,4 nM ΔG ≈ 50 kJ/mol OH(S) CI50 = 65 nM ΔG ≈ 42 kJ/mol

O

O

N t-Bu H

Ro-31-8959, ΔGcalc = 105 kJ/mol

OH(R) CI50 < 0,4 nM ΔG ≈ 55 kJ/mol OH(S) CI50 > 100 nM ΔG ≈ 41 kJ/mol

Usando un programa de anclaje para explorar bases de datos en busca de estructuras complementarias al sitio receptor se llegó al haloperidol OH

F + N O

H

Cl

Haloperidol, ΔGcalc = 67 kJ/mol KD = 100 μM ΔG ≈ 23 kJ/mol

La baja energía de unión comparada a la calculada indica que no es un buen líder

33

Farmacóforo a partir de características comunes de péptidos inhibidores NH2

R2

R1O2C

donor de puente H

OH hidroxilo central

O

R3 donor adicional

grupo hidrofóbico

O

la "incorporación" de la molécula de agua a la estructura del ligando elimina la baja de entropía asociada a esa agua inmovilizada y mantiene los puentes de hidrógeno

reemplazo del agua CI50

ΔGobs

ΔGcalc (NH3+)

ΔGcalc (NH2)

CH2NH2

11

29

117

31

Cl

CH2NH2

85

24

135

49

H

Cl

15

28

68

25

R1

R2

R3

Et

Cl

H Et

reemplazo del agua O R

R N

N

KD (nM)

ΔGobs

ΔGcalc

alilo

4,7

49

38

ciclopropilmetil

2,1

51

42

β-naftilmetil

0,31

56

62

p-hidroximetilbencil

0,27

56

58

R HO

OH

El aumento de tamaño de R, mejora la unión pero no con un encaje óptimo

34

Una búsqueda de compuestos activos sobre una colección de productos descubrió la estructura líder de piran-2-ona R1

O

O SR2

OH reemplazo del agua

R2

R1

KD (μM)

ΔGobs

ΔGcalc

Ph

Ph

3,0

32

14

Ph

CH2Ph

1,67

34

14

Ph

CH2CH2Ph

1,26

35

15

Ph

CH2CH2CH2Ph

1,41

34

15

Ph(p-OCH2CO2H)

CH2CH2Ph

0,16

40

48

La homologación de R2 no afecta mayormente la unión ya que la mejora por la interacción agregada se compensa con la pérdida de entropía conformacional

35