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Applicazioni FARMACOLOGICHE: viene fornita unindicazione specifica, o quanto meno restrittiva, della struttura opportuna in funzione del bersaglio del.

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1 Applicazioni FARMACOLOGICHE: viene fornita unindicazione specifica, o quanto meno restrittiva, della struttura opportuna in funzione del bersaglio del farmaco. In questo campo, la costruzione di strutture calibrate permette di ridurre la ricerca ad un ristretto raggio dazione.

2 fisica24ore E il punto di partenza per quasi tutti i processi biologici. Un modello di riconoscimento tra molecole biologiche prevede che le molecole interagiscono in una maniera altamente specifica: modello CHIAVE-SERRATURA (Fisher e Ehrilch)

3 fisica24ore La complementarità geometrica e chimica fra piccole molecole biologiche (LIGANDI) e le strutture dei loro bersagli macromolecolari (RECETTORI) gioca un ruolo molto importante allinterno dei processi biologici.

4 La capacità di un recettore di agganciarsi al suo ligando selettivamente e con alta affinità è dovuta alla formazione di una serie di legami deboli (legami H, ionici, interazioni di Van der Waals) sommati ad interazioni favorevoli (es. idrofobiche). Gli atomi del sito di legame forniscono limpalcatura necessaria per conferire alla superficie un dato contorno e particolari proprietà chimiche Variazioni anche piccole di tali amminoacidi spesso compromettono la funzionalità del recettore

5 Metodi computazionali per la predizione della struttura 3D di complessi proteina-ligando (o anche applicabile a modelli proteina/proteina). Insieme di tecniche che consentono di simulare interazioni tra vari sistemi (sito attivo di un enzima e una nuova molecola di inibitore) e di valutare approssimativamente le nuove interazioni che si creano. docking

6 In questultimo caso, viene trovato il corretto modo di legame di un composto tramite il campionamento dello spazio conformazionale nel sito di legame, attraverso la valutazione di funzioni che stimano lenergia di ogni combinazione conformazionale ligando-recettore. Tali funzioni valutano fattori quali: Complementarità fra superficie Energia libera di solvatazione Interazioni elettrostatiche e idrofobiche

7 AUTODOCK, DOCK, FlexX, GOLD, … Algoritmi di docking. Posizionano ligandi – flessibili o semi-flessibili - in siti di binding proteici generalmente rigidi. algoritmi Prendendo in considerazione anche la flessibilità del recettore allora andrebbero considerati centinaia o anche migliaia di gradi di libertà. Il ligando durante il binding cambia la sua struttura tridimensionale in termini di angoli di torsione per trovare il miglior adattamento spaziale ed energetico nel sito di binding della proteina. Questa assunzione segue il modello chiave- serratura.

8 Elemento chiave: scoperta di composti guida nuovi e innovativi Composto guida = composto che mostra affinità per un dato recettore, che ha attività biologica e che può essere strutturalmente modificato per migliorare la bioattività farmaci

9 1.Ricerca del composto guida (1-2 anni) 2.Ottimizzazione del composto guida (1-2 anni) 3.Saggi di attività in vitro e in vivo (1-2 anni) 4.Test tossicologici (1-3 anni) 5.Test per la sicurezza sulluomo (1 anno) 6.Test per lefficacia sulluomo (1-2 anni) è di grande importanza lidentificazione RAPIDA E AFFIDABILE di ligandi ad alta affinità Tempo totale per lo sviluppo di un nuovo farmaco: 6-12 anni Costo totale: circa $

10 fisica24ore Screening sperimentale: test in vitro di grandi librerie di composti. Ignora, in genere, le proprietà strutturali del recettore Metodi computazionali detti Rational Design: si basano su informazioni strutturali del recettore e/o del ligando

11 fisica24ore Metodi computazionali Struttura 3D del recettore NON notaStruttura 3D del recettore nota Structure Based Drug Design QSAR (Quantitaive Structure- Activity Relationship) Stabilisce una relazione tra la struttura molecolare e lattività biologica di una serie di composti attivi. Predice la attività e la affinità di composti non noti dallanalisi delle loro similitudini e differenze strutturali, fornendo informazioni sui requisiti strutturali del recettore. De Novo Design I nuovi composti vengono generati nel sito di legame a partire da atomi o frammenti preposizionati nel sito e che successivamente vengono trasformati in molecole intere da softwares specifici. Screening Virtuale Librerie di molecole (esistenti o ipotetiche) vengono analizzate cercando ligandi con caratteristiche in accordo con i requisiti del sito di legame Docking

12 Drug discovery Il termine di drug discovery viene utilizzato per indicare tutti quei processi che portano allidentificazione o allo sviluppo di un nuovo farmaco. Identificazione di un bersaglio (target) a cui è correlata una certa patologia su cui intervenire con un farmaco. Identificazione di una molecola attiva Studio delle molecole attive al fine di realizzare derivati con un più definito profilo di attività, metabolismo e tossicità (lead compounds). Studi pre-clinici (animali). Studi clinici (uomo).

13 Drug discovery Il tempo è il peggior nemico nella drug discovery… Portare un nuovo farmaco sul mercato puo richiedere 8-14 anni e costi tra 400 e 900 milioni di dollari

14 Riconoscimento molecolare E il punto di partenza per quasi tutti i processi biologici. Le molecole interagiscono in una maniera altamente specifica: modello CHIAVE-SERRATURA La complementarità geometrica e chimico-fisica fra piccole molecole biologiche (LIGANDI) e le strutture dei loro bersagli macromolecolari (RECETTORI) gioca un ruolo molto importante allinterno dei processi biologici.

15 Riconoscimento molecolare La capacità di un recettore di agganciarsi al suo ligando selettivamente e con alta affinità è dovuta alla formazione di una serie di legami deboli (legami H, ionici, interazioni di Van der Waals, interazioni idrofobiche…). Gli atomi del sito di legame forniscono limpalcatura necessaria per conferire alla superficie un dato contorno e particolari proprietà chimiche Variazioni anche piccole di tali amminoacidi spesso compromettono la funzionalità del recettore Perché un farmaco possa esplicare la propria azione deve interagire con un bersaglio chiamato recettore.

16 Progettazione razionale di molecole bioattive Avvalendosi di tecniche computazionali, nota la struttura tridimensionale del recettore o un suo modello (tecniche di docking molecolare) Lobiettivo è quello di ottenere un modello chiamato farmacoforo sulla base del quale verranno progettate le nuove molecole attive. E linsieme delle caratteristiche chimico-fisiche della molecola di un farmaco necessarie allinterazione col recettore.

17 Il docking molecolare Si tratta di un approccio computazionale per lo studio delle interazioni fra un generico ligando (es. potenziale molecola attiva) e una macromolecola bersaglio (target). E necessario conoscere la struttura 3D sia del ligando, sia della macromolecola bersaglio. Le informazioni estrapolabili da uno studio di docking possono servire per: lidentificazione degli elementi strutturali chiave per linterazione sia del ligando, sia del recettore (modello farmacoforo); la progettazione di nuove molecole attive con maggiore affinità e, conseguentemente con maggiore potenza; ipotizzare un plausibile meccanismo dazione.

18 Struttura 3D del ligando C 19 H 23 NO 5 Formula chimica 3D

19 Struttura 3D del recettore Può trattarsi di un problema estremamente complesso soprattutto se non si dispongono di informazioni sperimentali sufficienti, viste le elevate dimensioni che un recettore presenta (> atomi). Cristallografia a raggi X Risonanza magnetica nucleare (NMR) Predizione della struttura 3D Accuratezza della struttura 3D Metodica sperimentale Metodica computazionale

20 Docking molecolare Loperatore è guidato dalla grafica computerizzata e programmi appositi che posizionano il ligando nella tasca del recettore. Ligando Recettore Docking La validità del complesso (o orientamento) risultante è stimata mediante un punteggio energetico. Valutare la validità delle soluzioni proposte dal punto di vista chimico- farmaceutico-biologico.

21 Lo screening virtuale di librerie di potenziali ligandi Strumento basato su metodiche computazionali atto allidentificazione di composti biologicamente attivi a partire da banche dati di strutture reali o puramente virtuali. Modello farmacoforo Database di composti (milioni) Database di composti (milioni) Molecole potenzialmente attive (decine) Molecole potenzialmente attive (decine) Virtuale Test farmacologico Sintesi chimica (decine) Sintesi chimica (decine) Molecole attive (alcune unità) Molecole attive (alcune unità) Reale

22 Lo screening virtuale Modello farmacoforo Database di composti reali (migliaia) Database di composti reali (migliaia) Molecole potenzialmente attive (decine) Molecole potenzialmente attive (decine) Virtuale Test farmacologico Molecole attive (alcune unità) Molecole attive (alcune unità) Reale Situazione tipica di unindustria farmaceutica. Vantaggi: risparmio di tempo nello sviluppo = risparmio di denaro.

23 La neuroaminidasi del virus dellinfluenza Lo screening random dinibitori della sialidasi virale non ha dato buoni risultati nella ricerca di nuovi farmaci anti-influenzali mentre il drug design basato sulla struttura ha portato alla progettazione di nuove molecole (analoghi dello stato di transizione della reazione catalizzata dalla sialidasi) attualmente in uso. Infatti il virus dellinfluenza e in continua evoluzione, ogni anno nuovi ceppi. La denominazione del virus si riferisce a due tipi di molecole che ricoprono la superficie del virus: emoagglutinina e la neuroaminidasi (sialidasi). Esse determinano linfettivita del virus. Diversi sottotipi neuroaminidasi N1-N9. Questi inibitori in uso interferiscono con il rilascio della progenie del virus dellinfluenza dalle cellule infettate, bloccando in questo modo linfezione. La sialidasi entra in gioco quando il virus abbandona la cellula infettata. Assicura che il virus non resti legato ai polisaccaridi della superficie (derivati dell acido sialico) tagliando le loro catene.

24 Meccanismo dazione di inibitori della Neuroaminidasi

25 Struttura 3D Neuroaminidasi La sialidasi virale è un enzima costituito da 4 subunità identiche ancorato alla membrana del virus. Labilità degli analoghi dello stato di transizione del substrato della sialidasi virale nellinibirla è conosciuta dagli anni 70. La progettazione dinibitori più efficenti, però, è stata possibile solo quando la prima struttura 3D dellenzima è stata risolta mostrando lorientazione degli amminoacidi nel sito catalitico.

26 Struttura 3D Neuroaminidasi Questo farmaco anti-influenzale è in commercio sotto il nome di Tamiflu (oseltamivir). E un anello a 6 atomi di carbonio che mima i substrati naturali della sialidasi e ottimizza le interazioni con i residui degli amminoacidi del sito attivo. I ricercatori sono riusciti a progettarlo studiando le strutture della neuroaminidasi. Si lega fortemente al sito attivo e ne blocca lazione indispensabile per il rilascio del virus.

27 fisica24ore

28 Le tecniche computazionali rappresentano uno strumento molto utile per: la modellazione di sistemi proteici la comprensione dei processi biologici la comprensione della relazione struttura-attività la scoperta e ottimizzazione dei composti guida farmacologici Vantaggio dal punto di vista biologico, chimico e farmaceutico, riducendo i tempi e completando e indirizzando le conoscenze sperimentali


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