Quantitativa relazione struttura-attività (QSAR) La struttura d’una entità chimica influenza le sue proprietà ed attività biologica (Hansch 1964) Attività = f (Struttura) È posibile trovare una relazione (f) fra le caratteristiche geometrica e chimica di un sistema molecolare e il suo comportamento (attività) Prevedere dati

I parametri chimico-fisici che definiscono le proprietà molecolari: sono una misura soddisfacente dell’effetto di queste proprietà sull’attività del composto; sono in forma di numero e derivano da dati empirici ritenuti correlati alla proprietà che il parametro rappresenta E’ dunque possibile misurare o calcolare questi parametri per una classe di molecole e correlarli ai dati di attività biologica mediante equazioni matematiche e con l’ausilio di metodi statistici (analisi di regressione).

Due possibili approcci calcolare il valore teorico di uno specifico parametro per un composto non ancora sintetizzato e, usando l’equazione matematica che correla l’attività a quel parametro, predire la possibile attività del composto ignoto determinare in base all’equazione matematica il valore di un certo parametro, e quindi progettare le strutture con l’optimum di attività Ne consegue una scelta più consapevole dei nuovi composti da sintetizzare e dunque una riduzione nei costi per lo sviluppo di un nuovo farmaco

Attività = a + b logP + c E + d S Log P E S Termino idrofobicità Equazione di Hansch Attività = a + b logP + c E + d S Log P E S Termino idrofobicità Termino elettronico Termino sterico Probabilità o abilità dell’entità chimica di trovare il sito del target Possibilità dell’entità chimica di interagire con il target e di essere attiva I primi studi de QSAR sviluppati da Hansch e Fujita cercavano di correlare l’attività biologica con la lipofilia

DESCRITTORI MOLECOLARI STRUTTURA CHIMICA DESCRITTORI MOLECOLARI ATTIVITÀ BIOLOGICA PROPRIETÀ FISICO-CHIMICHE M A D R1 R3 R2 M misure esperimentali delle proprietà A misure esperimentali dell’attività D procedure teoriche per i descrittori R1, R2, R3 relazioni matematiche

Descrittori molecolari Lipofilici Electronici Esterici Indici di connettività Presenza di sub strutture (binari) Ripetizioni di sub strutture Fisicochimici Topologici Strutturali Geometrici Calcoli di superficie Angoli Descrittori biologici Concentrazione necessaria per una risposta fissa (DE50, DL50, CI50, CE50 , ecc.) Risposta ottenuta per una concentrazione data Logaritmo de 1/(dose o concentrazione) utilizzata per una risposta determinata Logaritmo della constante K de dissociazione legando- enzima/recettore Logaritmo della relazione de concentrazioni controllo/saggio

Descrittori fisicoquímicos: Lipofilia [Compuesto X]octanol [Compuesto X]agua P = Misura la tendenza de un composto X determinato a formare legami idrofobici Constante dei sostituenti idrofobici: è costitutiva e addizionabile Espresso come il logaritmo de P, sperimentalmente se calcola come la partizione del composto X fra ottanolo e acqua Permite calcolare el log P de un composto de forma matematica con certa aprossimazione al valore reale. Ha valore predittivo Log P fenol - Log P benceno = πoh aromático πx = log PX - log PH “ 35 years of (ab)using of log P for every thing modeling is enough!! “ (R. Schwarzenback)

Descrittori Elettronici Constante de Hammet σ per sistemi aromatici: indica per un sostituente dato la capacità di cedere, attraverso effetti induttivi o mesomerici, elettroni al sistema coniugato Constante de Taft σ* per sistemi alquílici: Indica per un sostituente dato la capacità di cedere elettroni alla catena alchilica a cui stà unito σ < 0 donadores, σ > 0 atractores, σ = 0 para el H ρ σ = log KX - log KH [Compuesto X]octanol [Compuesto X]agua P =

Descrittori Elettronici Pueden describirse mediante el parámetro estérico de Taft ES Deriva de la hidrólisis ácida de ésteres X-CH2-COOR Cuanto más voluminoso es X más negativo es ES Es è stato calcolato da Verloop dai raggi di V.d.Waals opportunamente valutati: Refractividad Molar (MR) è direttamente relazionata al volumene molare (PM/d) attraverso la equazione de Lorentz-Lorenz. MR è una proprietà aditiva della molecola RM ha le dimensioni di un volume (Massa / Densità = volume) perciò si presta bene a correggere e convalidare Es e, talvolta, anche il parametro idrofobico  . MR = [(n2 - 1)/(n2 + 2)](PM/δ) L : Lunghezza del gruppo lungo l’asse del legame B1 : Dimensioni minima B4 : Dimensione massima B2 , B3 : dimensioni intermedie ortogonali ad L e fra di loro

Descrittori strutturali e geometrici: Descrittori statistici Descrittori binari: Indicano la presenza o l’assenza di gruppi funzionali strutturali specifici 1 = Presencia 0 = Assenza Marcatori esterni 1 = Esistenza o no di sostituenti in una posizione determinata 2 = Esistenza o no di sostituenti contigui 3 = Esistenza o no di gruppi capaci di formare legame idrogeni 0...n = Ripetizione di un gruppo determinato

Descrittori topologici Il termine "índice topologico" indica una caratterizzazione matematica de una molecola, dove i siti occupati da atomi sono sostituiti per i "vértici" e le conessioni fra di loro per “lati“ Indice topologico de Randić è la addizione di lati in un grafico molecolare e si calcola attraverso dove δi y δj sono le valenze dei vertici i e j che definiscono il lato ij, e le valenze si possono calcolare attraverso la relazione : dove Zvi è il numero d’elettroni di valenza, Hi è il numero d’idrogeni e Z il numero atomico

Proprietà Molecolari in QSAR Altre proprietà molecolari (descrittori) che sono state incluse negli studi QSAR includono proprietà calcolate come: energia HOMO  energia LUMO ovalità  area superficiale polarizzabilità  cariche sugli atomi volume molecolare  superficie accessibile al solvente Area di superficie refrattività molare di VdW

Descrittori Quanto-meccanici Carica parziale atomica Popolazione orbitali Locazione di atomi Momento dipolare Comportamento e orientamento di un composto in un campo elettrostatico HOMO/LUMO (teoria dell’orbitale frontiera) HOMO = energia del più alto orbitale molecolare occupato, nucleofilia LUMO = energia del più basso orbitale molecolare occupato, elettrofilia Superdelocalizzabilità Calcolata per la reattività delle posizione degli idrocarburi aromatici

Proprietà Molecolari in QSAR Altre proprietà molecolari (descrittori) che sono state incluse negli studi QSAR includono proprietà misurate come: densità  pKa energia di ionizzazione  p.e. Hvaporizzazione  indice di rifrazione peso molecolare  momento di dipolo (m) Hidratazione  potenziale di riduzione Coeff. ripartizione (P) = log PX - log PH

DGbinding = f (Interactions) E’ possibile sovrapporre la struttura tridimensionale di una molecola al suo potenziale sito d’azione Equilibrium dissociation constant Binding free energy Temperature gas constant DGbinding = f (Interactions)

Campi molecolari 3D Una mappa recettoriale può essere costruita Premessa: la sovrapposizione sterica ed elettronica di molecole congeneriche che si legano allo stesso sito recettoriale non è sufficiente se si cerca una descrizione più dettagliata delle proprietà strutturali di un recettore Campi molecolari 3D Occorre anche definire le regioni idrofobiche, le regioni di trasferimento di carica e vari tipi di interazioni polari Una mappa recettoriale può essere costruita mediante la generazione di campi molecolari 3D

Campi molecolari 3D Un campo molecolare è rappresentato da una griglia cubica 3D. Viene generato usando vari programmi MEP – Molecular Electrostatic Potential (unit positive charge probe). MLP – Molecular Lipophilicity Potential (no probe necessary). GRID – total energy of interaction: the sum of steric (Lennard-Jones), H-bonding and electrostatics (any probe can be used). CoMFA – standard: steric and electrostatic, additional: H-bonding, indicator, parabolic and others. Ciascun pixel (o nodo) della griglia rappresenta forze attrattive e repulsive tra una molecola target e un atomo sonda (probe) che simula, ad es., le proprietà idrofobiche o di donazione di legame H. Partner di interazione possono essere acqua, ottanolo o altri solventi.

Presupposti generali nell’analisi QSAR L’effetto è prodotto dalla molecola e non dai suoi metaboliti La conformazione proposta è quella bioattiva. Il binding site è lo stesso per tutti composti inseriti nel modello. L’attività biologica è ampiamente spiegata da effetti entalpici I termini entropici sono simili per tutti i composti. Il sistema è considerato all’equilibrio e gli aspetti cinetici non sono generalmente considerati. Farmacocinetica: effetti del solvente, diffusione e trasporto non vengono considerati.

Problemi Conformazione in vacuo Sovrapposizione: le molecole dovrebbero essere allineate in modo ottimale........ Le molecole sono comunque flessibili Quale è la conformazione bioattiva? Conformazione in vacuo Conformazione nel cristallo Conformazione in soluzione acquosa Conformazione sul sito d’azione La conformazione bioattiva non è sempre quella determinata dalla cristallografia o dalle tecniche computazionali. La chimica computazionale viene applicata all’analisi conformazionale. Nuove tecniche sono state sviluppate per predire l’effetto dei cambiamenti conformazionali sull’efficacia della procedura di docking.

Tuttavia…… Le tecniche computazionali rappresentano uno strumento 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