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3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/051 Wirkstoffeigenschaften Was macht eine chemische Verbindung zum pharmazeutischen Wirkstoff ? Hohe.

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1 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/051 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.

2 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/052 Informationsfluß in einer drug discovery pipeline

3 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/053 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 Ermöglicht niedrigere Dosierung Lit: H.Gohlke & G.Klebe, Angew.Chem. 114 (2002) 2764.

4 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/054 Verbesserung der Spezifität (I) Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ? Erhöhung der Bindungskonstante K K = [E-L] / [E] [L] = 1/K i =1/K D (Dissoziationskonstante) -RT lnK = G = H - T S Die Bindungskonstante läßt sich aus dem Massenwirkungsgesetz ableiten, und wird experimentell mikrokalorimetrisch bestimmt. Brauchbare K i -Werte liegen im Bereich zwischen und 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

5 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/055 Verbesserung der Spezifität (II) 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

6 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/056 Verbesserung der Spezifität (III) 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.

7 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/057 Verbesserung der Spezifität (IV) Die Ausbildung folgender intermolekularer Wechselwirkungen führt zur Absenkung der Energie (günstiger) im Bereich von Wasserstoffbrücken1-7 kcal mol -1 (um 3 kcal mol -1 ) Elektrostatische Wechselwirkungen (Salzbrücken) >10 kcal mol -1 Viele Aminosäuren können ihren Protonierungszustand ändern ! (Welche sind dies ?) van der Waals WWmax. 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)

8 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/058 Verbesserung der Spezifität (V) Es gibt aber auch Wechselwirkungen bei der Enzym-Ligand Bindung die energetisch ungünstig sind: Vergraben von polaren Resten und geladenen Seitenketten bis zu 7 kcal mol -1 Übergang von einem Medium hoher Dielektrizätskonstante (physiologisches Medium 78) zu einer Umgebung mit viel 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.

9 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/059 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.

10 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0510 Verbesserung der Spezifität (VII) 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

11 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0511 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.

12 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0512 Bioverfügbarkeit & ADME Vorhersage Absorption Distribution Metabolism Elimination Pharmacokinetic Bioavailability

13 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0513 Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ? Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellen Wirkstoffs führen

14 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0514 In silico ADME Filter Mehr zu ADME Modellen in Vorlesung 7

15 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0515 Welche chemisch-physikalischen Eigenschaften müßen Wirkstoffe nun also aufweisen ? Löslichkeit und Absorption: Von einer schlecht löslichen Verbindung geht nur wenig in den Blutkreislauf. C. Lipinskis rule of five: Molmasse < 500 logP < 5 H-Brückendonoren (N-H, O-H) < 5 H-Brückenakzeptoren (N, O) < 10 Beeinflußen den Druchgang durch Membranen

16 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0516 Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (I) Therapeutic Target Lead Discovery Lead Optimization Clinical Candidate Commerical Drug drug design

17 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0517 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 5

18 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0518 Wann ist ein Molekül drug-like ? Typische Pharmaka weisen folgende Eigenschaften auf: Molekülgewicht < 500 Lipophilie im Bereich von –2 < logP < +5 Wenige H-Brückendonoren (< 5) Wenige H-Brückenakzeptoren (< 10) Mindestens eine –OH Gruppe (Ausnahme: psychoaktive Wirkstoffe) Mehr zu drug/non-drug Erkennung in Vorlesung 12

19 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0519 Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (III) Beispiel: Inhibitoren des Angiotensin Converting Enzyme Angiotensin I Angiotensin II + HL DRVYIHPFHLDRVYIHPF Leitstruktur: Phe-Ala-Pro Captopril (1977) X-Ala-Pro ACE

20 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0520 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 bisher bekannten Inhibitoren, ein struktur- basiertes Herangehen durch Kenntnis der Ausprägung der Bindungstasche um das Zink-Ion. Lit: K.R.Acharya Nature Rev. Drug Discov. 2 (2003) 891.

21 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0521 Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (V) Vorhandene Kristallstrukturen von tACE Inhibitor (Patent im Jahr) 1UZF.pdbCaptopril (1977) 1O86.pdbLisinopril (1980) 1UZE.pdbEnalapril (1980)

22 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0522 Aktuelle klinische und präklinische ACE Inhibitoren Trandolapril (1980) Fosinopril (1982) MDL präklinisch Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (VI)

23 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0523 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 ) 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.

24 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/ 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.

25 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0525 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 [ ] Lösung 2: als sog. SMILES oder SMARTS SMILES (Daylight Chemical Infomation Systems Inc.)

26 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0526 SMILES und SMARTS SMILES (www.daylight.com/dayhtml/smiles/) D. Weininger J. Chem. Inf. Comput. Sci. 28 (1988) 31. Darstellung von 2D-Molekülstrukturen (Konfiguration) in 1D-Form als alphanumerischer String CCO H 3 C-CH 2 OH CC H 3 C-CH 3 C=C H 2 C=CH 2 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 CH 4 Simplified Molecular Input Line Entry Specification

27 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0527 SMILES (II) 2) Bindungen und Atome CC Einfachbindungen können entfallen c:c aromatische Bindung zwischen aromatischen Cs C=C Doppelbindung C#C Dreifachbindung C~C irgendeine Bindung irgendeine Bindung in beliebigem Ring

28 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0528 SMILES (III) 3) Verzweigungen mittels Klammern CCN(CC)CCC CC(N)C(=O)O Typ: Zuerst die längste Kette im Molekül finden

29 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0529 SMILES (IV) 4) Cyclische Verbinungen: Werden an einer Bindung aufgeschnitten c1ccccc1 1 Auch hier zuerst die längste Kette im Molekül finden c1 1 CC1=CC(Br)CCC1

30 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0530 SMILES (V) Polycyclische Verbinungen c1cc2ccccc2cc1 1 2 c12c3c4c1c5c4c3c25 An einem Atom können auch mehrere Ringschlüße sein: Zahlen größer als 9 werden mit % angegeben: c%11

31 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0531 SMILES (VI) 5) Nicht-kovalent gebundene Fragmente werden durch. getrennt [Na+].[O-]c1ccccc1 6) Isotope 13 C[13C] 13 CH 4 [13CH4]Wasserstoffe angeben ! D 2 O[2H]O[H2]

32 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0532 SMILES (VII) 7) Konfiguration an Doppelbindungen F/C=C\Foben, oben F/C=C/Foben, unten FC=CFunspezifisch

33 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0533 SMILES (VIII) 8) Chiralität (C Auflistung der Subsituenten im Gegenuhrzeigersinn Auflistung im Uhrzeigersinn Hinweis: Hat nichts mit der R/S Nomenklatur an Stereozentren zu tun.

34 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0534 SMILES (IX) 9) Implizite Wasserstoffatome H + [H+]Proton H 2 [H][H] CO[H][OH2] überbrückend

35 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0535 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

36 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0536 SMARTS (II) 2) Logische Operatoren A,BA oder B A&BA und B (hoher Vorrang) A;BA und B (geringe Priorität) !Anicht 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

37 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0537 SMARTS (III) 3) Konfiguration von Substituenten. Beispiele [CaaO] C ortho zu O [CaaaN] C meta zu N [Caa(O)aN] [Ca(aO)aaN] Die Umgebung eines Atoms wird folgendermaßen spezifiziert: C[$(aaO);$(aaaN)]

38 3. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0538 SMARTES (IV) Typische Beispiele für Datenbanksuchen [s,o]1cccc1Thiophene und Furane [CX4][NH2] primäres aliphatisches Amin [C1OC1] Epoxide C(=O)[OH,O-,O-.+] Carbonsäure, Carboxylat, oder mit Kation C(=O)[NH1]Peptidbindung *=*[OH]Säuren und Enole F.F.F.F.Finsgesamt 5 Fluoratome im Molekül Weitere Beispiele: E.J. Martin J. Comb. Chem. 1 (1999) 32.


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