Embed Size (px)
Citation preview
2/23/2014
1
Uvod u QSAR
Quantitative Structure Activity Relationships-
QSAR
Quantitative Structure Property Relationships-
QSPR
SAR -tradicionalni pristup, slične molekule pokazuju sličnu aktivnost !
Jedna od prvih primena QSAR: predvidjanje temperature ključanja alkana.
Postoji korelacija izmedju strukture i hemijske i biološke aktivnosti.
2/23/2014
2
QSAR-korelacija izmedju osobina molekula (izraženih numerički) i biološke aktivnosti.
Biološka aktivnost se kvantitativno iskazuje kao koncentracija koja daje odredjeni biološki odgovor.
Fizičko hemijske osobine leka mogu se iskazati numerički.
Zavisnost dobijena metodom najmanjih kvadrata
y= a x + b
Pronaći set koeficijenata a i b koja minimizuju odstupanje x od jednačine.
aktivnost
const
osobina molekule
y= f (x)
2/23/2014
3
Prednost QSAR:
o Kvantifikovanjem odnosa SAR obezbedjuje se razumevanje
uticaja strukture na aktivnost.
o Moguće je predvideti puteve sinteze novih analoga.
o Rezltati mogu biti korišćeni za bolje razumevanje interakcija
funkcionalnih grupa.
o Kada se ustanovi QSAR moguće je predvideti biološku
aktivnost srodnih jedinjenja i uštedeti vreme potrebno za
složena biološka ispitivanja.
Nedostatak QSAR:•Pogrešne korelacije koje mogu nastati zbog bioloških podataka koji su uzrok eksperimentalne greške.
•Ako broj ispitivanih jedinjenja nije dovoljno veliki prikupljeni podaci ne odražavaju osobine cele grupe. Posledično, QSAR se ne može koristiti za pouzdano predvidjanje jedinjenja najbolje aktivnosti.
•3D struktura liganda koja se vezuje za receptor nije uvek poznata pa se istraživanje najčešće izvodi sa najjednostavnijom strukturom koja ne mora biti adekvatan reprezent.
•Iako postoji veliki broj uspešnih predvidjanja ne treba očekivati da su QSAR studije uvek tačne.
2/23/2014
4
QSAR postupak
•Izdvojiti set molekula koji reaguju sa istim receptorom i izazivaju poznati efekat.
•Odrediti parametre ispitivanja.
•Podeliti izabrana jedinjenja u dve podgrupe: jednu za trening, drugu za ispitivanje.
•Napraviti model: pronaći korelaciju izmedju aktivnosti i osobina jedinjenja (regresiona analiza, statistički model).
•Testirati dobijeni model.
•Ako pretpostavljeni model “ne fituje” modifikuje se jednačina
Osobine jedinjenja koje se koriste u QSAR
QSAR studije se zasnivaju na poznavanju merljivih fizičkih osobina (deskriptora) kao što su:
– Gustina– pKa– Parametri lipofilnosti– Energija jonizacije– Molekulska masa – Dipolni momenat – Temperatura ključanja– Refraktivni indeks– Redukcioni potencijal
2/23/2014
5
Druge osobine molekula (deskriptori) koji su uključeni u QSAR studije (uključujući i veličine koje se izračunavaju)
– polarizabilnost– Volumen molekula– vdW površina– Molarna refraktivnost– Energija hidratacije– Taftov sterni parametarr
QSAR Metodologija
• Pronaći deskriptore koji medjusobno korelišu (npr molekulska masa i temperatura ključanja kod serije homologih jedinjenja).
• Statistička analiza kojom se odredjuju varijable koje najbolje opisuju (korelišu) sa posmatranim biološkim efektom.
• Konačni QSAR uključuje najviše 3-5 deskriptora(izuzimajući ukrštenu interakciju).
2/23/2014
6
QSAR analiza
molekulska struktura korelacija strukture i dejstva
deskriptori matematički model
Ograničenje broja deskriptora• Broj ispitivanih jedinjenja treba da bude 5 puta veći od broja
posmatranih deskriptora
• Razlog: mali broj jedinjenja u odnosu na broj deskriptora može dati pogrešnu korelaciju– 2 ispitivanja tačno definišu liniju– 3 tačno definišu ravan – Veći broj ispitivanja daje tačniju korelaciju
Statistička analiza podataka• Sofisticirani (i skupi) softverski paketi (multipla linearna
regresiona analiza) • Jeftiniji statististički programi• Metoda najmanjih kvadrata ili odredjivanje glavne komponente-za
odredjivanje deskriptora koji pokazuju najveći stepen korelacije
2/23/2014
7
QSAR kvantifikacija:
pKa
Parametri koji definišu lipofilnost
Parametri koji definišu rastvorljivost
Elektronski parametri
Sterni parametri
TEORIJE ZA TUMAČENJE POJMOVA KISELINE I BAZE
Arenijusova teorija• Kiseline su neutralna jedinjenja koja pri rastvaranju u vodi jonizuju
dajući H+ jone i odgovarajuće negativne jone/danas se smatra da H+ joni mogu postojati u vodi samo kao H3O+, hidronijum joni
• Baze su neutralna jedinjenja koja disocijacijom ili jonizacijom vodi daju OH- /hidroksidne/ jone i pozitivne jone
Bronšted-Lorijeva teorijaKISELINE SU SUPSTANCE (MOLEKULI ILI JONI) KOJE DAJU PROTON, A BAZE SU SUPSTANCE KOJE PRIMAJU PROTON.
Luisova teorijaKiseline su supstance koje mogu da prime elektronski par, a baze su supstance koje daju elektronski par.
1. pKa1. pKa
2/23/2014
8
Kiselo-bazne osobine lekova
Bronsted-Lowry (H2O amfoterna)
CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-
CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-
Keq= [H3O+] [A-] / [HA] [H2O]
Ka = Keq [H2O]= [H3O+] [A-] / [HA]= [konj.kis] [konj. baza] / [kis]
pKa = -log Ka, pH=-log [H3O+]
pH=pKa + log [A-] / [HA]= pKa + log [konj. baza] / [kis]
Henderson-Hasselbach
u dil rastvorima const. (55,5)
HA + H2O H3O+ + A-
kis. baza konj. kis konj. baza
2/23/2014
9
BH+ + H2O H3O+ + Bkis. baza konj. kis konj. baza
pH = pKa + log [B]/[BH+] = pKa + log [konj.baza]/[kis]
Henderson-Hasselbach
VAŽNO !!!
pKa BAZE = pKa KONJ. KIS (PROTONOVANE BAZE)pKa BAZE = pKa KONJ. KIS (PROTONOVANE BAZE)
pKapKa<<<<<<<<22: jaka kis, nema baznih osobina u vodi
pKapKa=4=4--66: slaba kis, veoma slaba konjugovana baza
pKapKa=8=8--1010: veoma slaba kis, slaba konjugovana baza
pKapKa>>>>>>>>1212: nema osobine kiseline u vodi, jaka konjugovana baza
pKa• pKa vrednost predstavlja jačinu kiselina• na osnovu pKa vrednosti ne može se zaključiti da li je jedinjenje
kiselina ili baza• na osnovu poznate pKa vrednosti može se izračunati pH vodenog
rastvora kiseline ili baze
[ ][ ]++=BH
BpKapH log[ ]
[ ]AH
ApKapH
−
+= log
za kiseline za baze
[ ][ ]B
BHpHpKa
+
+= log[ ][ ]−+=A
HApHpKa log
jednačina za kiseline jednačina za baze
2/23/2014
10
Uticaj elektrostatičkih/induktivnih efekata na pKa
Akceptori elektrona povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza.
pKa = 4.54 na 25°C i 0.15M I (jonske jačine)
pKa = 0.32 na 25° C i 0.15M I
O
OHCH3
F
F
F
O
OH
Grupe koje su akceptori elektrona:
NR3, NO2, SO2R, CN, F, Cl, Br, I, CF3,
COX (X=OH, NH2, OR), COR, OR, SR, NH2, C6H5,
-I
Grupe koje su donori elektrona smanjuju jačinu kiselina i povećavaju jačinu baza.
O
OHCH3 pKa = 4.54 na 25°C i 0.15M I
pKa = 4.83 na 25°C i 0.15M I
O
OH
CH3
CH3CH3
Grupe koje su donori elektrona:
COO-, O-, NH-, alkil+I
2/23/2014
11
CH3CH2CH2 COOH
COOHCH2CH
Cl
CH3
COOHCH
Cl
CH3CH2
COOHCH2CH2CH2
Cl
COOHH
COOHCH3
COOHCH3CH2
COOHCH3CH2CH2
COOHCCH3
CH3
CH3
Uticaj induktivnog efekta na pKa vrednosti
3.75
4.75
4.87
4.81
5.02
4.8
4.5
4.0
2.9
kada je Cl atom udaljeniji od karboksilne grupe, kiselost se smanjuje
pKa pKa+I -I
veličina radikala rastojanje
POREĐENJE JAČINA KISELINA
1. pKa (CH3COOH) = 4.7
2. pKa (ClCH2COOH) = 2.7Koja kiselina je jača?
Koliko puta?
pKa(2) – pKa (1) = 2.7 - 4.7 = -2
pKa = -logKa, antilog 2 = 100Kiselina 2 je 100 puta jača od kiseline 1
2/23/2014
12
Uticaj mezomernog efekta na pKa
Grupe koje ispoljavaju negativni mezomerni efekat povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza.
OH
Grupe sa - mezomernim efektom:Grupe sa - mezomernim efektom:
δδδδ+ δδδδ-
NO2
δδδδ+ δδδδ-
NO2
δδδδ+ δδδδ-
CN
δδδδ+ δδδδ-
CN
δδδδ+ δδδδ-
COR
δδδδ+ δδδδ-
COR
δδδδ+ δδδδ-
SO2R
δδδδ+ δδδδ-
SO2R
pKa = 9.80 na 25°C i 0.15M I
pKa = 6.97 na 25°C i 0.15M IN
+O
-
O
OH
mezomerni efekat: dvostruke veze u konjugaciji sa jonizujućim centrom
Određivanje pKa vrednosti
-potenciometrijski
-UV spektrofotometrijski
-kapilarnom elektroforezom
-predviđanje pKa vrednosti korišćenjem kompjuterskih programa
2/23/2014
13
Ka pKa
Hlorovodonična kiselina 1,26 x 106 6,1
Dihidrogen fosfat 6,31 x 10-8 7,2
Amonijak 5,01 x 10-10 9,3
Sirćetna kiselina 1,58 x 10-5 4,8
Fenobarbiton 3,16 x 10-8 7,5
Saharin 2,51 x 10-2 1,6
Indometacin 3,16 x 10-5 4,5
Efedrin (kao hidrohloridna so) 2,51 x 10-10 9,6
pKa vrednosti nekih supstituisanih fenola i nitrofenola
cikloheksanol
alkohol fenol
2/23/2014
14
HO
COOH
COOH F
F
COOH1
2
3
4
PRIMER : Poređajte funkcionalne grupe (označene brojevima) u datomjedinjenju po opadajućoj kiselosti.
HO
COOH
COOH F
F
COOH1
2
3
4
3 > 4 > 2 > 1
F
F
COOH
HO
COOH
COOH
jaka organska kis.
jača kiselina od alkil kis.
smanjenje kiselosti
slaba organska kis.
2/23/2014
15
Primena pKa: određivanje stepena jonizacije lekova
- VEĆINA LEKOVA SU SLABE KISELINE ILI SLABE BAZE
- RAVNOTEŽA JONIZOVANOG I NEJONIZOVANOG OBLIKA SLABIH KISELINA I BAZA U VODENIM RASTVORIMA
HA H+ + A- B + H+ BH+
HA - nejonizovani oblik leka (kiseline)
A- - jonizovani oblik leka (kiseline)
B - nejonizovani oblik leka (baze)
BH+ - jonizovani oblik leka (baze)
STEPEN JONIZACIJE LEKA U F-JI pH RASTVORA
LEKOVI - SLABE KISELINE:LEKOVI - SLABE BAZE:
pH U GIT-U
želudac0.1 m2
Dvanaestopalačno crevo0.1 m2
jejunum60 m2
ileum60 m2
Debelo crevo0.3 m2
pH (prazan)
4.6 (2.4 - 6.8)
6.1 (5.8 - 6.2)
1.7 (1.4 -2.1h)
6.5 (6.0 - 7.0)
6.5
8.05.0 - 8.0
pH (pun)
5.0 (0.1 h)
4.5 - 5.5 (1 h)
4.7 (2 h)
3-4 sata prolaska kroz tanko crevo
2/23/2014
16
%jonizovanog leka =100
1 + 10(pKa - pH)
%jonizovanog leka =100
1 + 10(pH - pKa)
HA
BH+
pH=pKa (50 % jonizacija)
Monoprotonske baze
O
NH2+
HO
H3C
H3C
O
NH
HO
H3C
H3C
Propranolol hidrohlorid (konjugovana kiselina) pKa = 9.53
BH+B
OH-
H+
Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblikapropranolola
www.sirius-analytical.com
2/23/2014
17
Monoprotonske kiseline
N
O OH
O
CH3
F
N
O O-
O
CH3
F
Flumehin (kiselina) pKa = 6.27
HA A-
OH-
H+
Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblikaflumehina
www.sirius-analytical.com
Cviterjoni
NH3+
O
NH
N
O
H
H
S
CH3 CH3
COO H
NH3+
O
NH
N
O
H
H
S
CH3 CH3
CO O -
NH2O
NH
N
O
H
H
S
CH3 CH3
CO O -
X-
Ampicilin (cviterjon)
pKa = 2,55; 7,14
X-XH±XH+
⇔ ⇔
Raspodela jonizovanih oblika ampicilina
Primer: aminokiseline
XH+ XH±
www.sirius-analytical.com
2/23/2014
18
Amfoliti
Morfin (amfolit)
pKa = 8,17; 9,26
XH2+
XH0
X-
O
H O
H O
H
N H +
C H3
XH2+
⇔ ⇔
Raspodela jonizovanih i nejonizovanog oblikamorfina
O
H O
H O
H
N
C H3
XH0
O
H O
O -
H
N
C H3
X–
www.sirius-analytical.com
N
CH2COOH
O=C- Cl
CH3
N
CH2COO-
O=C- Cl
CH3+ H2O + H3O+
Indometacin, pKa=4,5
Nejonizovan Jonizovan
Povećanje pH za 1 (5,5) - 90,9 % jonizovan !
Povećanje pH za 2 (6,5) - 99,9 % jonizovan !
2/23/2014
19
CH CH NH2
OH CH3 CH3
+ H2O CH CH NH
OH CH3 CH3
+ H3O
Efedrin hidrohlorid, pKa=9,6
Jonizovan Nejonizovan
Povećanje pH za 1 (10,6) - 90,9 % nejonizovan !
Povećanje pH za 2 (11,6) - 99,9 % nejonizovan !
HONH3
O HN
NO
S CH3
CH3
OO
pK a3 = 9,6
pKa2 = 7,4
pKa1 = 2,4Amoksicilin
2/23/2014
20
PRIMER: ASPIRIN U GIT-U
nejonizovan jonizovan
Salicilna kiselina
želudačni sok
tanko crevo
debelo crevo
Aspirin
pKa 3.5
COOH
O-CO-CH3
COO-
O-CO-CH3
+ H+
2. LIPOFILNOST LEKOVA (log P, 2. LIPOFILNOST LEKOVA (log P, ππππππππ))
Lipofilnost lekova predstavlja značajan faktor za:
a) prolazak leka kroz ćelijske membrane b) koncentraciju leka na ciljnom mestu dejstva leka c) interakcije leka sa receptorom
ORGANSKA FAZA
VODENA FAZA
raspodela
2/23/2014
21
P P ii DD
• Particioni koeficijent P (koeficijent raspodele, intrinsiclipophilicity) opisuje lipofilnost neutralnog oblika molekula, tj. skupa funkcionalnih grupa i ugljenikovog skeleta koji čine strukturu molekula ne uključujući disocijaciju ili jonizaciju.
• Koeficijent distribucije D opisuje lipofilnost svih oblika molekule pri datoj pH vrednosti.
∗U nekim slučajevima, u zavisnosti od okoline jonizujućeg centramolekula i raspodele naelektrisanja koje stabilizuje molekulu, čak i jonizovana molekula može da penetrira u organsku fazu. Na ovaj način objašnjava se prolazak nekih jonizovanih lekova u CNS
PARAMETRI LIPOFILNOSTIPARAMETRI LIPOFILNOSTI
LogLog PP i loglog DD
[ ][ ]voda
oktanol
oblik ninejonizova
oblik ninejonizovaP =
P = koeficijent raspodele, const.
D = koeficijent distribucije (f-ja pH)
[ ][ ] voda
oktanol
oblik ninejonizova jonizovani
oblik ninejonizova jonizovani D
+
+=
2/23/2014
22
log P
logP = 0logP = 0jednako rastvorljiv u vodi i organskoj fazijednako rastvorljiv u vodi i organskoj fazi
logP = 5logP = 5100,000 (105) puta rastvorljivije u organskoj fazi
100,000 (105) puta rastvorljivije u organskoj fazi
logP = -2logP = -2100 puta rastvorljiviji u vodi100 puta rastvorljiviji u vodi
log P > 1 (lipofilno jedinjenje)log P <<<<-1 (hidrofilno jedinjenje)log P > 5 (toksično jedinjenje)
log Do lipofilnost molekule pri datoj pH vrednosti uzimajući u
obzir lipofilnost neutralnog oblika P i stepen jonizacije pKa.
o D za monoprotonsku kiselinu:
log D = log P - log (1+ 10pKa-pH)
o za monoprotonsku bazu:
log D = log P - log (1+ 10pH-pKa)
Jednačine su komplikovanije za diprotonske molekule
2/23/2014
23
Primena logD na predviđanje farmakokinetičkih osobina leka
Log D (pH 7.4) Zaključak
<0 problem propustljivosti u crevima i CNS-urenalni klirens
0 do 1 ravnoteža između rastvorljivosti i propustljivostiproblem za CNS
1 do 3 optimalne vrednosti za CNS i ne CNS oralne lekove dobra CNS penetracija, spor metabolizam
3 do 5 smanjuje se rastvorljivost, brži metabolizam
>5 slaba rastvorljivost, brz metabolizam, veliki Vd
ZNAČAJ ODREDJIVANJA LIPOFILNOSTI LEKA
Predvidjanje apsorpcije:�Optimalna penetracija u CNS (log P = 2±0,7)
�Optimalna oralna apsorpcija (∼log P=1,8)
�Optimalna intestinalna apsorpcija (log P=1,35)
�Optimalna apsorpcija u debelom crevu (log P=1,32)
�Optimalna sublingvalna apsorpcija (log P=5,5)
�Optimalna perkutana apsorpcija (log P=2,6, mala MW)
Predvidjanje farmakokinetičkih osobina i toksičnosti:�Visoka vrednost log P (toksični lekovi)-deponovanje u masnom tkivu
�Metabolizam u f-ji log D (renalni i metabolički klirens, P450)
Predvidjanje aktivnosti leka sa receptorom�Hidrofobne reakcije sa receptorom
Izbor doziranog oblika�Niska vrednost log P (<0) injekcioni rastvori
�Srednja vrednost log P (0-3) oralni preparati
�Visoka vrednost log P (3-4) transdermalni preparati
2/23/2014
24
Izračunavanje Log P
• Većina programa koristi aditivni pristup.• Mogu se koristiti i komplikovaniji algoritmi koji uključuju i
faktore kao što su dipolni momenat, veličina molekula itd.
Supstituenti (fragmenti), fiFaktor interakcije, Fi
log P = log Pparent compound + fii =1
n
∑ + Fiji <j
n
∑Polazno jedinjenje
CONH2
Cl
P vs π
π predstavlja hidrofobnost specifičnog regiona -mera hidrofobnih interakcija sa receptorom.
Konstanta hidrofobnosti supstituenta, π.
Moguće je izračunati konstantu hidrofobnosti supstituenta (π).Meri se hidrofobnost u odnosu na H.
Eksperimentalno se odredi P standardnog jedinjenje sa i bezsupstituenta (X).
πx = log Px - log PH
2/23/2014
25
F H
logP=2.27 logP=2.13
πF = log Px - log PH
πF = 2,27-2,13=0,15
Pozitivan π = supstituent hidrofobniji od HNegativan π = manje hidrofoban od H
grupa CH3 t-Bu OH OCH3 CF3 Cl Br CONH2 F
π Alifatični supstituenti
0.50 1.68 -1.16 0.47 1.07 0.39 0.60 -1.49 -0.17
π Aromatični supstituenti
0.52 1.68 -0.67 -0.02 1.16 0.71 0.86 -1.49 0.14
Cl CONH2 CONH2
Cl
Benzen Hlorbenzen Benzamid m-hlorbenzamid
logP=2,13 logP=2,84 logP=0,64
logPhlorbenzamid = logPbenzen+πCl+πamid=2,13 + 0,71 + ( -1,49)=1,35
logPexp=1,51
Većina QSAR jednačina uključuje ili P ili π ili obe vrednosti.
2/23/2014
26
Primena parametara lipofilnosti
Predviđanje ponašanja leka u organizmu:
-Predvidjanje aktivnosti lekova (ukoliko je lipofilnost od značaja za dejstvo, QSAR)
-Apsorpcija, distribucija, eliminacija:% apsorbovanog leka, permeabilnost kroz membrane, vezivanje za proteine plazme, toksičnošću leka (ADMET)
Promena log P utiče na biološku aktivost.
a) Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti
aktivan aktivan
Biološka aktivnost se obično izražava kao 1/C, gde je C = [lek]koja postiže odgovarajući nivo biološke aktivnosti. Aktivniji lekovi zahtevaju nižu koncentraciju.
2/23/2014
27
Grafički prikazati log 1/C vs. log PU malom opsegu log P, npr. 1-4, zavisnost je linearna:
Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti
Povećanjem hidrofobnosti povećava se biološka aktivnost leka (in vivo):
a) ili zbog lakšeg prolaska kroz ćelijske membrane
b) ili zbog interakcije sa receptorom ili enzimom koji ima hidrofobno vezivno mesto
log(1/C)=k1logP + k2log P
Log(1/C)
Log P
Log (1/C)
log(1/C) = -k1(logP)2 + k2logP + k3
Visoka vrednost log P-parabolična kriva. Razlog:
• Slaba rastvorljivost u vodenoj sredini• Deponovanje u masnom tkivu• Intenzivniji metabolizam
2/23/2014
28
Kod malog broja jedinjenja aktivnost zavisi samo od log P .
Važi samo za jedinjenja slične strukture. Npr: anestetici- samo etri(deluju na nivou membranskih struktura, ne postoji specifičan ćelijski receptor)
etar hloroform halotan0.98 1.97 2.3(anestetička aktivnost raste)
b) Predvidjanje prmeabilnosti kroz membranuLekovi sa Log P oko 2 prolaze HEB (npr barbiturati)Lekovi koji ne prolaze HEB trebalo da imaju nižu vrednost log P.
c) Apsorpcija i log P
Barbiturat P % Apsorpcije
BarbitonApobarbitonFenobarbitonAlilbarbiton
ButetalCiklobarbitonPentobarbitonSekobarbiton
Heksetal
0.74.94.810.511.713.928.050.7>>>>100
121720232424304044
Particioni koeficijenti i % apsorpcije barbiturata
Fenobarbiton - heksetal (zamena fenil radikala sa n-heksil radikalom)
2/23/2014
29
Povećanje lipofilnosti
ClF
FCl
Flukonazol Hlorni derivat flukonazola
logP = 0.99 logP = 1.79
O
NCH3
H
HO
HO
Morfin Normorfin
Diacetilmorfin
logP = 0.90 logP = -0.17
logP = 1.59
O
N H
H
H O
H O
O
NH
H
OO
O
H3C
O
CH3
2/23/2014
30
Smanjenje lipofilnosti (povećanje polarnosti molekule):-dodavanje polarnih funkcionalnih grupa
C
Cl
Cl
O
S
N
N
Cl
H
C
Cl
Cl
O
N N
N
N
NN
OH
Tikonazol Flukonazol
povecala se polarnost
Tiokonazol Flukonazol
povećala se polarnost
LIPINSKI “RULE OF 5"
4 DESKRIPTORA PO LIPINSKOM NA OSNOVU KOJIH SE MOŽE PREDVIDETI DA LI ĆE BUDUĆI LEK ISPOLJITI ODGOVARAJUĆU
APSORPCIJU I PERMEABILNOST
MW MOLEKULSKA MASA >500
Log P log P > 5
Donori H veza VIŠE OD 5 DONORA H VEZA (izraženo kao zbir OH i NH)
Akceptori H veza VIŠE OD 10 AKCEPTORA VODONIČNIH VEZA
(izraženih kao suma N i O)
LOŠA APSORPCIJA I PERMEABILNOST LEKA UKOLIKO:
2/23/2014
31
- veoma polarni lekovibrzo se eliminišu preko bubrega i teško prolaze lipidne barijere ćelijske membrane, mogu jakim vezama da se vežu za receptor.
- veoma lipofilni lekovi, - brzo prolaze kroz ćelijske membrane, vezuju se slabim
vezama za receptor, pokazuju slabu rastvorljivost i slabo se apsorbuju iz GIT-a.
Najbolji lekovi predstavljaju kompromis hidrofobnih(lipofilnih) i hidrofilnih karakteristika.
HIDROFILNHIDROFILNOO--HIDROFOBNA RAVNOTEŽAHIDROFOBNA RAVNOTEŽA
Optimizacija polarnosti molekule:� Smanjivanje polarnosti molekule (povećanje lipofilnosti):o maskiranje polarnih funkcionalnih grupe:
alkohol ili fenol → etar ili estar karboksilna grupa → estar ili amid
primarni ili sekundarni amini → amidi ili sek. i terc.aminio dodavanje ekstra hidrofobne alkil grupe
� Povećanje polarnosti molekule (smanjivanje lipofilnosti):o zamena većih alkil grupa sa manjim ili uklanjanje alkil grupao dodavanje polarnih funkcionalnih grupa
2/23/2014
32
Rastvorljivost (Solubility) predstavlja koncentraciju leka u zasićenom rastvoru gde je prisutan višak čvrste supstance.
Rastvor
Čvrsta faza
HA(s) ↔↔↔↔ HA B(s) ↔↔↔↔ B
Rastvorljivost lekovaRastvorljivost lekova
Rastvorljivost
o Kinetička rastvorljivost
o Ravnotežna rastvorljivost
o Intrinzička rastvorljivost (rastvorljivost neutralnog oblika)
2/23/2014
33
Kinetička rastvorljivost (Kinetic solubility):
-predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) u trenutku kada se talog prvi put pojavi u rastvoru in vitro.
Ravnotežna rastvorljivost (Equilibrium solubility):
-predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) gde su rastvor i čvrsta faza u ravnoteži.
-predstavlja stvarnu rastvorljivost molekula.
-merenja ravnotežne rastvorljivosti su veoma precizna ali spora (shake-flask metoda)
Intrinzička rastvorljivost (Intrinsic solubility):
-predstavlja rastvorljivost neutralne kiseline ili baze (slobodnog oblika)
-poznavanjem intrinzičke rastvorljivosti i pKa može se odrediti rastvorljivost na određenoj pH vrednosti
-intrinzička rastvorljivost se koristi kao eksperimentalna vrednost pri treniranju programa za predviđanje rastvorljivosti jonizujućih lekova
2/23/2014
34
Disolucija• Nije isto što i rastvorljivost leka !
• Definiše se kao stepen povećanja količine rastvorene supstancetokom rastvaranja.
• Disolucija zavisi od: rastvorljivosti, površine čvrste supstance izložene rastvaraču, zapremine rastvarača, stepena mešanja, pH rastvora.
dm////dt = kA (S-C)
m (masa komponente), t (vreme), A (površina supstance izložena rastvaraču), S (rastvorljivost), C (koncentracija supstance)
Faktori koji utiču na rastvorljivost
LipofilnostVeličinamolekula
Jonizacija IntermolekulskeH-veze
(kristalna struktura)
Oblikmolekula
IntramolekulskeH-veze
2/23/2014
35
Uticaj hemijske strukture na rastvorljivost leka
• Polarne grupe:-ROH, RNH2, RCHO (formiraju vodonične veze sa molekulama vode)
• Jonizujući centri(grupe koje mogu da formiraju hidrate sa molekulima vode)
• Ugljovodonični lanci ( što je veći odnos broja C atoma u odnosu na polarne grupe, rastvorljivost se smanjuje)
• Aromatične grupe (smanjuju polarnost jedinjenja)
Povećanje rastvorljivosti
• formiranje soli• uvođenje grupa koje imaju sposobnost rastvaranja• upotreba specijalnih doziranih oblika
Smanjenje rastvorljivosti
• maskiranje polarnih funkcionalnih grupa
*mora se voditi računa da li su polarne grupe koje se maskiraju uslov za dejstvo
2/23/2014
36
POTENCIJAL ZA GRAĐENJE H-VEZA NAJČEŠĆE PRISUTNIH
FUNKCIONALNIH GRUPA U MOLEKULIMA LEKOVA
FUNKCIONALNA GRUPA
BROJ MOGUĆIH H-VEZA
ALKOHOLI 3
ALDEHIDI 2
PRIM. AMINI 3
SEK. AMINI 2
TERC. AMINI 1
ESTRI 2
FUNKCIONALNA GRUPA
MONO- I POLI-FUNKCIONALNI
MOLEKULIALKOHOLI 5-6 3-4FENOLI 6-7 3-4 ETRI 4-5 2ALDEHIDIKETONI
4-5 25-6 2
AMINI 6-7 3KARBOKSILNE KISESTRIAMIDIUREA, KARBONAT, KARBAMAT
5-6 36 36 2-3
2
POTENCIJAL RASTVARANJA U VODINAJČEŠĆE PRISUTNIH FUNKCIONALNIH
GRUPA U MOLEKULIMA LEKOVA
POTENCIJAL RASTVARANJA
POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 1
C
OH
CH2HO CH2 NCH2CH3
CH2CH3
Phenol 30 Alcohol
30 Amine
Fenol Alkohol
Amin
Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku soli hidrohlorida i Na-soli
Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijalgrupe rastvaranja rastvaranja
Fenol 3–4 C 1 3–4 CAlkohol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 C
Empirijska formula: C19H31NO2
Potencijal rastvaranja 9 C atoma, ukupno 19 C atoma:
2/23/2014
37
POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 2
Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijalgrupe rastvaranja rastvaranja
Fenol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 CAlkohol 3–4 C 1 3–4 CEtar 2 C 1 2 C
Ukupno 11–13 CC17H20NO3
Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku Na-soli i hidrohlorida
N
H
H
O OH
CH3
HO
Phenol
30 Amine
20 Alcohol
Ether
Alkohol
Amin
Fenol
Etar
POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 3
CH2-CH -CO O HHO
NH2
CH2-CH -CO O -HO
NH3
CH2-CH -CO O --O
NH2
Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijalgrupe rastvaranja rastvaranja
Fenol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 CKarboksilna 3 C 1 3C______________________________________________________
Ukupno 9–10 C
Veoma rastvorljivi
CH2-CH -CO O HHO
NH3
Tirozin (9 C atoma)Rastvorljivost 0,5%
Cwitter jon !
NaOH/H2O HCl/H2O
Intramolekulsko vezivanje u polifunkcionalnim molekulama smanjuje potencijal rastvaranja.
2/23/2014
38
σσσσ-mera elektronskih efekata supstituenata na stepen disocijacije
Odredjivanje se vrši u poredjenju sa benzoevom kiselinom.
Pozitivni i negativni induktivni i mezomerni efekti utiču na konstantu disocijacije (jonizacije) aromatičnih jedinjenja.
Louis Hammett (1894-1987)
3.Elektronski efekti: Hametova konstanta3.Elektronski efekti: Hametova konstanta
Supstituenti pokazuju kvantitativni efekat na konstantu disocijacije.
2/23/2014
39
NO2 u p-položaju: veći uticaj !
Stabilizuje anjonStabilizuje anjon
Hametova jednačina uzima u obzir i mezomerni i induktivni efekat supstituenata.
m položaj-samo induktivni efekat !
p položaj-induktivni i mezomerni efekat !
Induktivni efekat !
2/23/2014
40
Vrednost σ zavisi da li je supstituent u m ili p položaju.
Orto položaj se ne odredjuje (sterne smetnje).
?
Mezomerni efekat !
σσσσx = log (Kx/Kbenzoeva kiselina)
Ako je Kx > Kbenz. kis i σx = log Kx – log Kbenz. Kis;
σ će biti pozitivna vrednost.
COOH
Ka= 6.25x10-5
COOH
Cl
Ka= 10.0x10-5
Log10.0x10
-5
6.25x10-5
= 0.204 =σp
for Cl
ben x
(σ+) -supstituenti akceptori elektrona,
(σ-) – supstituenti donori elektrona
2/23/2014
41
supstituent σ meta σ para
CH3 -0.07 -0.13
NH2 -0.16 -0.66
CN 0.56 0.66
NO2 0.71 0.78
OCH3 0.12 -0.27
(σ+) supstituenti akceptori elektrona,
(σ-) supstituenti donori elektrona
O u m položaju- induktivni EA efekat
O u p položaju- mezomerni ED efekat
Craig-ov grafik
-vizuelizacija relativnih osobina (π i σ) različitih supstituenata
Craig-ov grafik za para-aromatične supstituente
EA, lipofilan
2/23/2014
42
Craig-ov grafik
-supstituenti koji imaju pozitivne - negativne ili samo pozitivne vrednosti π i σ
-supstituenti koji imaju slične π vrednosti (mogu se međusobno menjati)
-supstituenti koji imaju slične σ vrednosti
-izbor supstituenata za QSAR analizu
Primena Craig-ovog grafika
Primer 1: Uvodjenjem CH3 supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom CH3 grupe sa terc. butilom grupom došlo do znatnog smanjenja aktivnosti od značaja za dejstvo su :
a) Elektronski efekti
b) Efekti lipofilnosti
Korišćenjem Carig-ovog grafika
predložite uvodjenje sledećeg
supstituenta koji će uticati na dalje
povećanje aktivnosti hipotetičke
molekule.
2/23/2014
43
Primena Craig-ovog grafika
Primer 2: Uvodjenjem OH supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom OH grupe sa OCOCH3
grupom došlo do daljeg povećanja aktivnosti od značaja za dejstvo su :
a) Elektronski efekti
b) Efekti lipofilnosti
Korišćenjem Carig-ovog grafika
predložite uvodjenje sledećeg
supstituenta koji ćeuticati na dalje
povećanje aktivnosti hipotetičke
molekule.
R K Log(K/K0)
H 6,2x10-5 0
Et 4,4x10-5 -0,15
NO2 37,05x10-5 0,776
Linearni odnos log(K/K0) derivata benzoeve i fenilsirćetne kiselinu.
R K Log(K/K0)
H 5,2x10-5 0
Et 4,2x10-5 -0,09
NO2 14,1x10-5 0,43
K0 Benzoeva kis.
K0 Fenilsirćetna kis. feni
l-si
rćet
na k
isel
ina
Log(
K/K 0
)
benzoeva kiselina Log(K/K0)
2/23/2014
44
ρρρρ-zavisi od osnovne strukture kiseline (benzoeva kiselina, fenilsirćetna kiselina)
Benzoeva kiselina
Log (K/K0)=σσσσ
Der
ivat
i ben
zoev
e ki
selin
e Lo
g (K
/K0)
Log (Kx/K0)=ρσρσρσρσ
veće rastojanje između supstituenta i protona –smanjenje ρ
referenca
2/23/2014
45
pKkis=pK0(kis)-ρρρρ(kis) ΣσΣσΣσΣσsupstituenata
Primena Hammetove jednačine: predviđanje pKa derivata benzoeve kiseline
COOH
O2N
O2N
H3C
supstituent σ meta σ para
CH3 -0.07 -0.13NH2 -0.16 -0.66CN 0.56 0.66NO2 0.71 0.78OCH3 0.12 -0.27
pKkis=pK0(kis)-ρ(kis) Σσsupstituenata
Benzoeva kiselina:
pK0=-log (6,2x10-5)=4,2 ρ=1
kis
2/23/2014
46
CH2CH2COOH
CN
H3CO
H3C
supstituent σ meta σ para
CH3 -0.07 -0.13NH2 -0.16 -0.66CN 0.56 0.66NO2 0.71 0.78OCH3 0.12 -0.27
Zadatak: Predvideti pK vrednost prikazanog jedinjenja (ρ=0,21)
pKkis=pK0 (kis) -ρ(kis) Σσsupstituenata
Vezivanje leka za receptor zavisi od:
• voluminoznosti• veličine• oblika
U kvantifikaciji sternih parametara primenjuju se tri pristupa:
� Molarna refraktivnost� Verloopov sterni parametar� Taftov parametar-Es
4. Sterni parametri4. Sterni parametri
2/23/2014
47
� Molarna refraktivnost
Mera zapremine prostora koji okupira neki atom ili grupa atoma
MR = (n2 - 1) x MW(n2 +2) d
n = indeks refrakcijeMW= molekulska masad = gustina
MW/d definiše zapreminu(n2 - 1)/ (n2 +2) korekcioni faktor
� Verloop-ov sterni parametar
Kompjuterski program izračunava sterne parametre za sve moguće konformacije iz:
Van der Waalsovog radijusa
Dužine veza
Uglova koje grade veze
2/23/2014
48
Element radius (Å)
Vodonik 1.20Ugljenik 1.70Azot 1.55Kiseonik 1.52Fluor 1.47Fosfor 1.80Sumpor 1.80Hlor 1.75Bakar 1.4
Van der Waalsov radijus
Imaginarna sfera koju zauzima atom
� ES (Taft-ov deskriptor)
ES-eksperimentalni deskriptor
-mera sternih efekata supstituenata
(ES-) – veći supstituent, povećanje negativne vrednosti ES
2/23/2014
49
Pored Taftovog sternog parametra Es, definisani su i drugi sterni parametri nezavisno od kinetičkih podataka.
Charton: V-vrednost, dobijena iz VdW radijusa.
Definiše zapreminu supstituenta koji se nalazi 0,3 nm od reakcionog centra.
QSAR model
Građenje QSAR modela:
1. Trenirani (ispitivani) set molekula-veliki broj struktura
-strukturno različite molekule
2. Deskriptori-značajni za ispitivanu osobinu ili aktivnost
3. Matematički model(jednačina) koji izražava odnos između osobine (aktivnosti) i deskriptora
4. Validacija matematičkog modela
2/23/2014
50
Ispitivani set
Kongenerički set molekula-set molekula sličnih hemijskih struktura (analoga)
Nekongenerički set molekula-set molekula različitih hemijskih struktura
NCH3
CH3
H3C
OMe
OMe
NH
CH3
H3C
OMe
OMe
NMe
CH3
H3C
OH
OH
N
N
N
N
O
O
NH2
CH3O
CH3O
N
O
ON N
F
F
F
CH3N
OH
O-CH3
OH
CH3-O
Selekcija deskriptora
-izračunat je veliki broj deskriptora za QSAR analizu
-dobar model sadrži mali broj dobro izabranih deskriptora
-veliki broj deskriptora može da dovede do grešaka u predviđanju
Selekcija deskriptora:
-manuelno (ukoliko poznajemo mehanizam dejstva lekova)
-automatski (pomoću statističkih metoda, upotreba programa)
2/23/2014
51
Selekcija eliminacijom deskriptora(Backward selekcija)
-počinje se sa QSAR modelom koji sadrži sve deskriptore
-eliminišu se deskriptori čije odsustvo ne smanjuje preciznost modela
-uspostavljanje korelacije sa značajnim deskriptorima
Primer korelisanih deskriptora
-za seriju alkana
-dva visoko korelisana deskriptora: MW i broj C atoma
MW – bira se deskriptor koji sadrži potpuniju informaciju
C atomi
C atomiStruktura
2/23/2014
52
Tabela podataka
-prvi korak je sumiranje molekula i molekulskih karakteristika
DeskriptoriOsobina koja se prati
Jedinjenje Aktivnost
Grafička analiza
-preliminarne interpretacije
-ispitivanja zakonitosti
osob
ina
osob
ina
osob
ina
osob
ina
Deskriptor x Deskriptor y
Deskriptor z Deskriptor k
2/23/2014
53
Matematički modeli
-uspostavljanje odgovarajućih korelacija
-interpretacija modela
• Linearne metodeMultilinearna regresija (Multilinear Regression Analysis, MLR), Metoda najmanjih kvadrata (Partial Least Squares, PLS)
• Nelinearne metodeMetoda glavnih komponenata (Principal Component Analysis, PCA)
Veštačke neuronske mreže (Artifical Neural Network, ANN)
Matematički modeli
linearna regresija model parabole
multipla linearna regresija
Akt
ivno
st
Akt
ivno
st
Deskriptor Deskriptor
Aktivnost= a (deskriptor 1) + b Aktivnost= a (deskriptor 1)2 + b
Aktivnost= a(deskriptor 1) + b(deskriptor 2) + c(deskriptor 3) + d ...
2/23/2014
54
Multipla linearna regresija
-korelacija sa više deskriptora
-uticaji različitih faktora
-linearnost za svaki pojedinačni deskriptor
Koeficijenti
Deskriptori
Aktivnost=
Multipla linearna regresija
-antikonvulzivi
-biloška aktivnost je rezultat kombinovanog dejstva lipofilnih, sternih i elektronskih efekata
loš model
dobar model
2/23/2014
55
Koeficijent korelacije r2
-stepen korelacije između eksperimentalnih i izračunatih vrednosti za aktivnost
-od 0 do 1
Izračunata aktivnost
Izm
eren
a ak
tivn
ost
Dobra korelacija
Izračunata aktivnost
Izm
eren
a ak
tivn
ost
Loša korelacija
Validacija modela
-standardna devijacija
-r2 –poređenje različitih modela
-t i F (mera reproduktivnosti modela za podatke koji su korišćeni za konstruisanje modela)
