3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05 /06 1 Wirkstoffeigenschaften Was macht eine chemische Verbindung zum pharmazeutischen Wirkstoff ? • Hohe Affinität zum target: Hohe Bindungskonstante (Wirkstoff sollte bereits in micro bis nanomolarer Konzentration an das Enzym binden) • Selektivität bezüglich des targets: Der Wirkstoff sollte bevorzugt (spezifisch) an das gewollte Enzym und nicht an andere Enzyme binden. • Hohe Bioverfügbarkeit und niedrige Toxizität: Ausreichender Konzentration im Körper mit hoher therapeutischer Bandbreite (Dosierung) und möglichst wenig Nebenwirkungen.
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3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 1
Wirkstoffeigenschaften
Was macht eine chemische Verbindung zum pharmazeutischen Wirkstoff ?
• Hohe Affinität zum target:
Hohe Bindungskonstante (Wirkstoff sollte bereits in micro bis nanomolarer Konzentration an das Enzym binden)
• Selektivität bezüglich des targets:
Der Wirkstoff sollte bevorzugt (spezifisch) an das gewollte Enzym und nicht an andere Enzyme binden.
• Hohe Bioverfügbarkeit und niedrige Toxizität:
Ausreichender Konzentration im Körper mit hoher therapeutischer Bandbreite (Dosierung) und möglichst wenig Nebenwirkungen.
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Informationsfluß in einer drug discovery pipeline
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Rational drug design
Nach welchen Prinzipien geht man vor ?
Was sind rationelle Strategien ?
• Systematische Veränderung der Leitstruktur• High Throughput Screening• Kombinatorische Synthese• Bioisostere
• Erhöhung der Affinität• Erhöhung der Selektivität• Erhöhung der Bioverfügbarkeit• Verminderung der Toxizität und Nebenwirkungen
Spezifität
Oft nur durch Tiermodelle und klinische Studien machbar
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Verbesserung der Spezifität (I)
Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?
Erhöhung der Bindungskonstante K
K = [E-L] / [E] [L] = 1/Ki =1/KD (Dissoziationskonstante)
-RT lnK = G = H - TS
Die Bindungskonstante läßt sich aus dem Massenwirkungsgesetz ableiten, und wird experimentell mikrokalorimetrisch bestimmt.
Brauchbare Ki -Werte liegen im Bereich zwischen 10-6 und 10-12 M also im micro bis pico molaren Bereich. Das entspricht einer freien Energie G bei der Bindung an das target von -4 bis -17 kcal / mol
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Verbesserung der Spezifität (II)
O
OO
N H
HO
H NH
H
CH3
O
Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?
Bindungsenergie H muß günstiger werden
Dazu müßen die energetischen Wechselwirkungen zwischen Ligand und Rezeptor besser werden
O
OO
N H
NH
H
N
O
O
N
H
CH3
Br
O
CH3
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Verbesserung der Spezifität (III)
)(0)(6
)(
12
)(
)(
2)(0
)()(
)(
2)(0
)(
)(
2)(0
)(
4
1
cos(12
22
ijpairs ij
ji
ijpairs ij
ij
ij
ij
ijkltorsions
ijklijklijkl
ijkangles
ijkij
ijk
ijbonds
ijij
ij
ESvdWtorsbendstretch
r
qq
r
B
r
A
nk
krr
k
EEEEEE
Die energetischen Terme lassen sich wie in einem Kraftfeld berechnen
Darauf beruhen die meisten Docking Programme
Weitere Voraussetzung ist das Vorliegen einer entsprechend hochaufgelösten molekularen Struktur des targets.
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Enzym-Ligand Wechselwirkungen
Welche gibt es ?
Wasserstoffbrücken
Elektrostatische Wechselwirkungen
Koordinative Bindung von Metallzentren
van der Waals WW
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Verbesserung der Spezifität (IV)
Die Ausbildung folgender intermolekularer Wechselwirkungen führt zur Absenkung der Energie (günstiger) im Bereich von
Viele Aminosäuren können ihren Protonierungszustand ändern !(Welche sind dies ?)
van der Waals WW max. 0.5 kcal mol-1 pro Atompaar
Vergraben von lipophilen Resten (Benzolringe) ermöglich den Wassermolekülen außen im Wasser nun die
Bildung von mehr H-Brücken. (Also auch entropisch günstiger)
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Verbesserung der Spezifität (V)
Es gibt aber auch Wechselwirkungen bei der Enzym-Ligand Bindung die energetisch ungünstig sind:
Vergraben von polaren Resten und geladenen Seitenkettenbis zu 7 kcal mol-1
Übergang von einem Medium hoherDielektrizätskonstante (physiologischesMedium ≈78) zu einer Umgebung mitviel niedrigerer DK (Bindungstasche 2-20)
Verdrängung von Wasser aus der Bindungstasche; Zunächst erfolgt der Bruch von H-Brücken und Ausbildung
einer leeren Kavität in der Bindungstasche bevor der Ligand diese ausfüllen kann.
=80
=4
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Verbesserung der Spezifität (VI)
Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?
Entropieverlust S bei der Bindung an den Rezeptor muß geringer werden
Dazu muß die Bindungstasche besser und vollständiger ausgefüllt werden.
Zugleich wird dadurch die Selektivität bezüglich des targets erhöht.
O
OO
N H
HO
H NH
H
CH3
O
O
OO
N H
NH
H
N
O
O
N
H
CH3
Br
O
CH3
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Verbesserung der Spezifität (VII)
NH
H
CH3
O
Entropisch ungünstig sind folgende Vorgänge:
Verlust aller translatorischen Freiheitsgrade
Verlust von rotatorischen Freiheitsgraden
etwa 1 kcal mol-1 pro drehbare Bindung zwischen zwei Nicht-Wasserstoffatomen
O
OO
N H
HO
H NH
H
CH3
O
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Verbesserung der Spezifität (VIII)
Die Erfahrung im rational drug design zeigt:
Wasserstoffbrücken sind für die Selektivität wichtig.
Enthalpie – Entropie Kompensation:
Die Einführung einer OH-Gruppe im Liganden um eine zusätzliche H-Brücke in der Bindungstasche auszubilden wird zur Desolvatation eines Wassermoleküles aus der Bindungstasche führen, aber gleichzeitig wird dieses Wassermolekül im umgebenden Wasser wieder solvatisiert.
Damit wären die Möglichkeiten des ligand design mittels docking ausgeschöpft.
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Bioverfügbarkeit & ADME Vorhersage
Absorption
Distribution
Metabolism
Elimination
Pharmacokinetic
Bioavailability
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Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ?
Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellen Wirkstoffs führen
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In silico ADME Filter
N R3
R1 R2
Mehr zu ADME Modellen in Vorlesung 7
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Welche chemisch-physikalischen Eigenschaften müßen Wirkstoffe nun also
aufweisen ?
Löslichkeit und Absorption: Von einer schlecht löslichen Verbindung geht nur wenig in den Blutkreislauf.
C. Lipinski‘s rule of five:
Molmasse < 500
logP < 5
H-Brückendonoren (N-H, O-H) < 5
H-Brückenakzeptoren (N, O) < 10
Beeinflußen den Druchgang durch Membranen
Weniger als 8 rotierbare Bindungen
Polare Oberfäche < 140 Å2
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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (I)
NH
H
CH3
O
Therapeutic Target
Lead Discovery
Lead Optimization
Clinical Candidate
Commerical Drug
drug design
NH
H
N
O
O
NCH3
Br
O
CH3
H
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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (II)
Im Verlauf der Optimierung von der einer Leitstruktur zum klinischen Wirkstoff werden die Moleküle zumeist größer und lipophiler (füllen die Bindungstasche präziser aus).
Deshalb sind folgenden Eigenschaften von Leitstrukturähnlichen Verbindungen wünschenswert:
Molekülgewicht < 250
Niedrige Lipophilie (logP<3) bei oraler Dareichung
Genügend Möglichkeiten für Seitenketten
Ausreichende Affinität und Selektivität
Mehr zu Substanzbibliotheken in Vorlesung 4
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Mindestens eine –OH Gruppe(Ausnahme: psychoaktive Wirkstoffe)
Mehr zu drug/non-drug Erkennung in Vorlesung 12
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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (III)
N
O
NH CH3
COOHH
NH
H O
Beispiel: Inhibitoren des Angiotensin Converting Enzyme
Angiotensin I Angiotensin II + HL
DRVYIHPFHL DRVYIHPF
Leitstruktur: Phe-Ala-Pro
Captopril (1977) X-Ala-Pro
ACE
S
O
NH
H CH3
COOH
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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (IV)
Somatisches ACE (sACE) ist ein membranständiges Protein(noch keine direkte Kristallstruktur)
Dagegen kommt germinales ACE (tACE) – das eine hohe Sequenzhomologie aufweist - löslich vor und diente in modifizierter Form für die Kristallisation. Dies eröffnete, neben den bisherbekannten Inhibitoren, ein struktur-basiertes Herangehen durch Kenntnisder Ausprägung der Bindungstascheum das Zink-Ion.
Lit: K.R.Acharya Nature Rev. Drug Discov. 2 (2003) 891.
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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (V)
N
O
NH
COOHH
NH2
OOH
S
O
NH
H CH3
COOH
Vorhandene Kristallstrukturen von tACE
Inhibitor (Patent im Jahr)
1UZF.pdb Captopril (1977)
1O86.pdb Lisinopril (1980)
1UZE.pdb Enalapril (1980)N
O
NH CH3
COOHH
OOH
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Aktuelle klinische und präklinische ACE Inhibitoren
Trandolapril (1980)
Fosinopril (1982)
MDL 10173 präklinisch
Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (VI)
N
O
N
CH3
H
OO
H
H
CH3
OOH
P
O
O
O
N
OOH
O O
CH3
CH3
CH3
O
N
H
NO
O
OH
SH
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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (VII)
Eine weitere Möglichkeit Strukturinformation zu erhalten besteht durch Kristallisation homologer Enzyme aus Modellorganismen und anschließendes Homologiemodelling.
Im Fall von human tACE (E.C. 3.4.15.1) gibt es das orthologe Protein bei Drosophila melanogaster (ANCE) von dem ebenfalls Kristallstrukturen vorliegen.
Möglichkeiten zur in vivo Überprüfung von Inhibitoren sind durch entsprechende Tiermodelle mit dem orthologen Enzym (Maus, Ratte) gegeben.Im Falle des Bluthochdrucks ist das Rattenmodell besonders etabliert.
Lit: K.R.Acharya Nature Rev. Drug Discov. 2 (2003) 891.
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2. Übungsaufgabe
Vergleichen Sie die Kristallstrukturen von tACE mit den gebunden Inhibitoren Lisinopril (1O86.pdb) und Captopril (1UZF.pdb).
Welche Residuen komplexieren das Zink Ion ?
Wie unterscheiden sich Captopril und Lisinopril bezüglich der Zink-Bindung ? (polar, ionisch,... Hinweis: SH-Gruppe von Captopril ist nicht deprotoniert)
Sind die Wechselwirkungen der Inhibitoren mit der Bindungstasche mehr polarer (H-Brücken, usw.) oder hydrophober Natur ? Listen Sie diese auf.
Welche weiteren, spezifischen Interaktionsmöglichkeiten für neue Inhibitoren gibt es in der Bindungstasche noch ?Listen Sie 3 auf.
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Suche in Datenbanken
Problem: Wie stellt man die Strukturinformation von chemischen Verbindungen als alphanumerischen String dar ?
Lösung 1: Gar nicht. Direkte Eingabe als gezeichnete Struktur z.B. in CAS-online (SciFinder) Datenbank.
Zuordnung zu einer sog. CAS-registry number
Captopril [62571-86-2]
Lösung 2: als sog. SMILES oder SMARTS
SMILES (Daylight Chemical Infomation Systems Inc.)
S
O
NH
H CH3
COOH
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SMILES und SMARTS
SMILES tutorial http://www.daylight.com/ D. Weininger J. Chem. Inf. Comput. Sci. 28 (1988) 31.
Darstellung von 2D-Molekülstrukturen (Konfiguration) in 1D-Form als alphanumerischer String
CCO H3C-CH2OH
CC H3C-CH3
C=C H2C=CH2
C#C HCCH
Regeln:
1) Atome werden durch ihren Elementnamen dargestellt
C B N O P S Cl Br I H organisches Subset
Andere: [Fe] [Co]
H kann in der Regel entfallen: C CH4
Simplified Molecular Input Line Entry Specification
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SMILES (II)
2) Bindungen und Atome
CC Einfachbindungen können entfallen
c:c aromatische Bindung zwischen aromatischen C‘s
C=C Doppelbindung
C#C Dreifachbindung
C~C irgendeine Bindung
C@C irgendeine Bindung in beliebigem Ring
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SMILES (III)
3) Verzweigungen mittels Klammern
CCN(CC)CCC N
CC(N)C(=O)OO
OH
NH2
Typ: Zuerst die längste Kette im Molekül finden
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 30
SMILES (IV)
4) Cyclische Verbinungen: Werden an einer Bindung aufgeschnitten
c1ccccc11
Auch hier zuerst die längste Kette im Molekül finden
c1
c1
Br
1
CC1=CC(Br)CCC1
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 31
SMILES (V)
Polycyclische Verbinungen
c1cc2ccccc2cc11 2
c12c3c4c1c5c4c3c25
An einem Atom können auch mehrere Ringschlüße sein:
Zahlen größer als 9 werden mit % angegeben: c%11
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 32
SMILES (VI)
5) Nicht-kovalent gebundene Fragmente
werden durch . getrennt
[Na+].[O-]c1ccccc1
6) Isotope13C [13C]
O Na+
13CH4 [13CH4] Wasserstoffe angeben !
D2O [2H]O[H2]
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 33
SMILES (VII)
7) Konfiguration an Doppelbindungen
F/C=C\F oben, oben
F/C=C/F oben, unten
F F
F
F
FC=CF unspezifischF F
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 34
SMILES (VIII)
8) Chiralität
N[C@] (C )(F)C(=O)O
@ Auflistung der Subsituenten im Gegenuhrzeigersinn
NH2
FCH3
O
OHCOOH
FCH3
@@ Auflistung im Uhrzeigersinn
Hinweis: Hat nichts mit der R/S Nomenklatur an Stereozentren zu tun.
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 35
SMILES (IX)
9) Implizite Wasserstoffatome
H+ [H+] Proton
H2 [H][H]
CO[H][OH2] überbrückend
OCH3
H
H
OH
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 36
SMARTS (I)
Beispiel:
[F,Cl,Br,I] F oder Cl oder Br oder I als Atom
* irgendein Atom
a aromatisches Atom (C, N, O, S,...)
A aliphatisches Atom
Beschreibung von möglichen Substrukturen
SMARTS sind ein Superset der SMILES mit molekularen Mustern.Ein solches Muster ist in [ ] zusammengefaßt
1) Atome
c aromatischer Kohlenstoff
[Rn] Atom in einem n-gliedrigen Ring
[Fe] Eisenatom beliebiger Ladung
[X3] Atom mit drei Bindungen
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 37
SMARTS (II)
2) Logische Operatoren
A,B A oder B
A&B A und B (hoher Vorrang)
A;B A und B (geringe Priorität)
!A nicht A
Beispiele:
[F,Cl,Br,I] F oder Cl oder Br oder I
[!C;R] kein aliphatisches C und im Ring (c, N, O,...)
[CH2] aliphatisches C mit 2 Hs (Methylgruppe)
[c,n&H1] aromatisches C oder aromatischer NH
[c,n;H1] aromatisches C oder N, und genau ein H
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 38
SMARTS (III)
3) Konfiguration von Substituenten. Beispiele
[CaaO] C ortho zu O
[CaaaN] C meta zu N
[Caa(O)aN]
[Ca(aO)aaN]
C
O
C
N
C
N
O
C
O
N
Die Umgebung eines Atoms wird folgendermaßen spezifiziert: C[$(aaO);$(aaaN)] C
O
N
C
O
N
undauch
3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 39
SMARTS (IV)
Typische Beispiele für Datenbanksuchen
[s,o]1cccc1 Thiophene und Furane
[CX4][NH2] primäres aliphatisches Amin
S
C NH2
[C1OC1] Epoxide O
C(=O)[OH,O-,O-.+] Carbonsäure, Carboxylat, oder mit Kation
C(=O)[NH1] Peptidbindung
*=*[OH] Säuren und Enole
F.F.F.F.F insgesamt 5 Fluoratome im Molekül
Weitere Beispiele: E.J. Martin J. Comb. Chem. 1 (1999) 32.
Konvertierung von Molekülformaten mit Open Babel:http://openbabel.sourceforge.net
