Molekülvergleich, Pharmakophorhypthesen (GK/CS)
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Molekülvergleich, Pharmakophorhypthesen (GK/CS)
Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design • Molekülvergleiche ohne Rezeptorstruktur • Ähnlichkeitsmaß • Active Analog Approach • Zusatzkräfte • Differenzvolumina • Feldbasierender Pharmakophor • Vergleichende Feldanalysen • CoMFA, CoMSIA, AFMoC • Erste Designbeispiele Literatur • H.J. Böhm, G. Klebe, H. Kubinyi. Wirkstoffdesign - Der Weg zum Arzneimittel Lehrbuch, Spektrum - Akademischer Verlag (1996) • Kubinyi, H.: Similarity and dissimilarity: a medicinal chemist’s view. In: 3D QSAR in drug design. Ligand-protein interactions and molecular similarity. Kubinyi, H.; Folkers, G. und Martin, Y. C., Hrsg. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1998, S. 225-252; auch veröffentlicht in Persp. Drug Discov. Design 9-11, 225-252 (1998). • H. Kubinyi, Molekulare Ähnlichkeit. 1. Chemische Struktur und biologische Wirkung, Pharmazie in unserer Zeit 27, 92-106 (1998). • H. Kubinyi, Lock and Key in the Real World. Concluding Remarks, Pharm. Acta Helv. 70, 259-269 (1995). • D. Mayer, C. B. Naylor, I. Motoc und G. R. Marshall, A Unique Geometry of the Active Site of Angiotensin-Converting Enzyme Consistent with Structure-Activity Studies, J. Comput.-Aided Mol. Design 1, 3 - 16 (1987) • Cramer III, R. D., Patterson, D. E., und Bunce, J. D., Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA). I. Effect of Shape on Binding of Steroids to Carrier Proteins, J. Am. Chem. Soc. 110, 5959-5967 (1988). • Klebe, G., Abraham, U., und Mietzner, T., Molecular Similarity Indices in a Comparative Analysis (CoMSIA) of Drug Molecules to Correlate and Predict Their Biological Potency, J. Med. Chem. 37, 4130-4146, (1994). • H. Gohlke and G. Klebe, DrugScore Meets CoMFA: Adaptation of Fields for Molecular Comparison (AFMoC) or How to Tailor Knowledge-based Pair-Potentials to a Particular Protein J. Med. Chem., (2002) 45 4153-4170 • Goodford, P. J., Drug design by the method of receptor fit, J. Med. Chem. 27, 557-564 (1984). Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Receptor structurallyunbekannt unknown Rezeptor strukturell NH3 OH HN O O H H O superposition Ligand 3 Ligand 2 N S O S Ligand 1 HN OHNH2 NH2 N O N H H H Comparison of Ligands only Relative Differences in Interaction Properties + Solvation Properties Receptor structurally known Rezeptor strukturell bekannt O O NH3 N H O O O OH N O HN H O Ligand 3 Ligand 2 N NH2 H S Ligand 1 O H O Protein - Ligand 1 N O H N O Protein - Ligand 2 HO Protein - Ligand 3 Affinity = Interactions(Protein/Ligand) + Solvation(Protein) + Solvation(Ligand) Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Molekülvergleiche Überlagerung von Molekülen nach ihrer Ähnlichkeit Eigenschaftsbeschreibung in Abwesenheit der Bindestelle • in den meisten Fällen: Struktur Zielprotein unbekannt • aus der Kenntnis der vielfältigen Strukturvariationen der Liganden und ihrer veränderten biologischen Aktivität auf essentielle Bindungseigenschaften zurückschließen H N Suche nach einem gemeinsamen Pharmakophor Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie + D NH3 N Histamin P A Pharmakophor (bei pH = 7 vorliegende, positiv geladene Form) SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Was ist gleich(er)? (er) Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Verschiedene Wirkmechanismen ähnlicher Moleküle S S N N Cl N CH3 H3C N CH3 N CH3 CH3 Promethazin (H1-Antagonist) Chloropromazin (Dopamin-Antagonist) Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie R N CH3 a, R = CH3, Imipramin b, R = H, Desipramin (Uptake-Hemmer) SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Verschiedene biologische Wirkungen von Steroiden OH OH H H H H H H H O HO Östrogen Gestagen OH CH3 H H H O OH CH3 H H H O Androgen Anabolikum OH OH H H H H O H H CH3O Norethynodrel Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie Mestranol SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Unerwartetete Effekte bei der N- und C-Alkylierung H3C HO O a) R = H (Antagonist) IC50 -AT1 = 0,3 nM IC50 -AT2 = 4 500 nM H H 3C N N R N HO N CH3 O H N O S O Morphin, R = CH3 (Agonist) Nalorphin, R = CH2-CH=CH2 (Antagonist) Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie R b) R = CH2 CH(CH3)2 (Agonist) IC50 -AT1 = 13 nM IC50 -AT2 = 10 nM SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Ligandenerkennung bei der DNA-Replikation 2,4-Difluortoluol als Thymidin-Isosteres O F Me Me F NH N H O N Ribose Me N F H H H 4-Me-Benzimidazol N Ribose N H N H N N H H Adenin Me H H F Ribose 2-4,Difluortoluol O Me H N O H N Ribose Thymin S. Moran et al., J. Amer. Chem. Soc. 119, 2056-2057 (1997) Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Enantiomere unterscheiden sich in ihren biologischen Aktivitäten CH3 CH3 CH3 O (R)-(+)(S)-(-)Limonen Geruch: Orange Limone Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie CH3 O (S)-(+)(R)-(-)Carvon Kümmel Pfefferminze SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Geruchs-Schwellenwerte (ng/l Luft) von stereoisomeren Weinlaktonen (3a,4,5,7a-Tetrahydro-3,6-dimethylbenzo-furan-(3H)-one) 5 CH3 6 4 3a H 3C 3 CH3 CH3 7 7a O O O O H 3C O 3S,3aS,7aR 3R,3aR,7aS 0,00002 ng/l > 1.000 ng/l H 3C O 3S,3aS,7aS 0,01 ng/l H 3C H3C 0,25 ng/l 120 ng/l CH3 O O 3S,3aR,7aS CH3 O O O O O 3R,3aS,7aR CH3 CH3 H 3C CH3 H 3C O O H 3C O 3R,3aR,7aR 3S,3aR,7aR 3R,3aS,7aS 20 ng/l 0,1 ng/l 12 ng/l H. Guth et al., Helv. Chim. Acta 79, 1559-1571 (1996); Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design O N N Inhibitoren des Angiotensin Konversionsenzyms (ACE) OH O S S S N N O N COOH O HOOC OH N S N CH3 S COOH O CH3 O N N COOH CH3 S N N O O N N S COOH O COOH H N S O •Carbonylgruppe O •Zink-koordinerende Gruppe O CH3 P N H O HOOC N H COOH N N N H O S N O N O COOH COOH CH3 N N H O S COOH COOH S N P OH O COOH O N H O COOH HOOC O HOOC COOH CH3 HOOC N S Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie COOH COOH O O N COOH O OH CH3 HOOC P N N O H O COOH S S S N O •endständige Carboxylatgruppe COOH O COOH O O Gemeinsamer Pharmakophor? N N H SH CH 3 N O COOH SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Pharmakophor- & Konformationssuche: Active Analog Approach A A A B B B ..... B Systematic Search ΒΧ ΒΧ ΑΧ C ΒΧ ΑΒ Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie ..... = ΑΒ ΑΧ ∩ Pharmakophor Hypothese ΑΧ ΑΒ B B C ΑΧ C A C C C A A ΒΧ ΑΒ Eingeschränkter erlaubter Bereich SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design O Inhibitoren des Angiotensins Konversionsenzyms (ACE) N N S O N COOH •Carbonylgruppe N HOOC O COOH O COOH O OH N •endständige Carboxylatgruppe S N N S Gemeinsamer Pharmakophor? OH O S N CH3 S COOH O O OH CH3 HOOC P N N O H O COOH CH3 O N N COOH CH3 S N N O O N N S COOH O COOH H N S •Zink-koordinerende Gruppe H N H2N O O O CH3 P N H N O N H COOH N N O S HN N H HOOC N O Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie N O O COOH N P OH O COOH O N H CH3 N N H S O HOOC COOH S COOH Konformation? O COOH NH2 HOOC COOH CH3 HOOC S Zn2+ COOH COOH O O N COOH O O S S S N N H SH CH3 N O COOH SS 2003 Philipps-Universität Marburg COOH Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Molekülüberlagerung nach gemeinsamen Zentren 12 11 5 2 HO 3 1 12 9 12 10 6 10 5 7 N 2 3 4 17.2 9 9 11 8 5 3 6 1 1 17.3 Inhibitoren der ErgosterolBiosynthese Starre Referenz oder Ergebnis des Active Analog Approach Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie 12 N 6 8 10 6 5 2 3 1 10 NH 7 4 17.5 4 17.4 Internes Kraftfeld + Zusatzkräfte SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Datenbanksuche nach einem Pharmakophor Beispiel: HIV-Protease P1 o 8.5-12 A P1' o o 3.5-6.5A 3.5-6.5A H-Bond-d onor/acceptor Ile A 50 N N H OMe Ile B 50 HO H OH HO O H2O O OMe R O 1 OH O N H OH R HO OH O O A sp A 25 R O O HO Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie N HO N R 2 OH A sp B 25 SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design H N N N H H N N H N H N+ H N R H H H N N H H N O H O N N N N N N H H N N N N H Was macht Moleküle ähnlich? R N H H O N N+ H R H R N N H H N H H H N R H H N N N R N N N N H Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie N H H N H H H N+ H N R N N H N H R N N H O SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design H N H N N H N+ H N H H N N H R N N N H R N H O Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Verschiedener Bindungsmodus ähnlicher Moleküle Phenylimidazole als Cytochrom P450cam-Inhibitoren O N N NH N 1,0.10-7 M N NH H3C CH3 Metyrapon N 4,0.10-5 M N 7,0.10-6 M Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie 2,2.10-9 M SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Modellverbindungen legen aktive Konformation fest Calciumkanal-Blocker Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design aktiv: R1 R1= CH3 CH2 CH3 O OH O O 17.1 Picrotoxinin CH3 CH3 H O O CH3 R2= OH H OH OAc O R2 CH3 OAc CH3 O O OH O CH3 Überlagerung von Molekülen nach ihrer Ähnlichkeit OH CH3 N CH3 O O O inaktiv: O O O O O OCOCH3 O CH3 O O OH O O OH CH3 O CH3 O O OH O O O O CH3 O O OH O O O CH3 O Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie Picrotoxinin: Ligand des Chloridkanals SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design O O O O OH CH3 O Volumen 1 aktiv Überlagerung von Molekülen nach ihrer Ähnlichkeit in Volumen und physikochemischen Eigenschaften Volumen 2 inaktiv Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie Differenzvolumen Volumenbereiche bereits durch Rezeptor besetzt SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Molekülbeschreibung durch räumliche Gaussfunktionen H2N C + NH2 Physikochemische Physikochemische Eigenschaften Eigenschaften sterisch sterisch elektrostatisch elektrostatisch hydrophob hydrophob H-Brückendonor/akzeptor H-Brückendonor/akzeptor Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design HH2N N NH2 NH2 Ähnlichkeitsmaß O S HN HN Referenz Ligand Test Ligand O PO O 3 Überlapp physiko-chemischer Eigenschaften Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Pharmacophore Model from Ligand Superposition O F H N HN HOOC N S HOOC CF3 O N S O N N O CH3O CF3 RMS-Fit Cα-Atome Superposition Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie Common Pharmacophore SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Assignment of Field-based Pharmacophores red: molecule 1 blue: molecule 2 at each grid point arithmetic arithmeticmean mean geometric mean map field onto grid .OR. .OR .AND. . .AND. Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie approximate grid by gaussians SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design O F H N HN HOOC N HOOC CF3 S O N S O N N O CH3O CF3 Steric fields .AND. Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie .OR. SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Hydrophobic Hydrophilic Electrostatic +/- H-BondDonor/Acceptor Steric OR Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Paired Interactions FlexS HN H2N NH2 steric NH2 O HN HN hydrophobi c electrostati c H2N + NH2 NH2 S PO3 HH2N N O HN S Reference Ligand Test Ligand O O PO 3 Overlap of Physico-chemical Properties NH2 NH2 Test Ligand NH2 NH2 HN Reference Ligand HH2N N Reference Ligand Similarity Scoring + H-bond Volume Check O H2N NH O Test Ligand Reference Ligand Test Ligand HN Torsion Torsion HH2N Torsion N Angle NH2 Angle Angle NH2 90 180 0 90 180 HN O HN S Lemmen, Lengauer & Klebe 1998 Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie PO3 + O HN O S O O PO3 O Fast Flexible Superposition SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design 3D-QSAR (z.B. CoMFA-Methode) In Studien der „normalen“ Quantitative Structure Activity Relationships müssen alle Substanzen aus einer einheitlichen Serie stammen. 3D-QSAR kombiniert den „normalen“ Ansatz mit der Geometrie und kann deshalb auch Ähnlichkeiten zwischen nicht-gerüstverwandten, aber funktionsverwandten Molekülen erkennen Der Grundgedanke der Comparative Molecular Field Analysis ist, anstelle von Strukturen, Eigenschaftsfelder von Molekülen, die durch ihre Wechselwirkung mit anderen Molekülen entstehen, zu vergleichen. Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design . , .. .. Verb. -lg(IC50) S1 S2 S3 4.15 5.74 . , .... Sn E1 E2 E3 .... En ........ .... E(r) 3.89 8.83 6.74 0 LennardJonesPotential CoulombPotential r -lg(IC50)= y + a S1 + b S2 + c S3 + ...+ h Sn + k E1 +m E2 + n E3 ... + z En Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Data Set: Inhibitors of Thrombin, Trypsin Factor Xa H R1 O N H R1 t-Bu R2 N SO2 SO2 N -O C 2 Me SO2 N Me R2 Me Me O N SO2Me Me Me SO2 Me O Me ........... ........... CO2CH2Ph H2N + NH2 Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SO2 N SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Trypsin Thrombin Factor Xa Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Affinity Prediction Training Set FactorXa - CoMFA Trypsin - CoMFA Thrombin - CoMFA 9 8 8 7 7 6 5 predicted pK i predicted pK i predicted pK i 6 6 5 5 4 4 4 3 3 4 5 6 7 8 9 3 actual pKi 4 5 6 7 3 8 4 8 8 7 6 FactorXa - CoMSIA Trypsin - CoMSIA Thrombin - CoMSIA 9 5 actual pKi actual pKi 7 6 predicted pK i predicted pK i predicted pK i 6 6 5 5 4 4 5 3 3 4 4 5 6 7 8 9 actual pKi Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie 3 4 5 6 actual pKi 7 8 3 4 5 6 actual pKi SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Affinity Prediction of Novel Compounds Thrombin - CoMFA 9 FactorXa - CoMFA 6 predicted pKi 7 6 predicted pKi 7 8 predicted pKi Trypsin - CoMFA 8 6 5 5 5 4 4 4 4 5 6 7 8 5 6 7 4 8 4 actual pKi 9 Thrombin - CoMSIA 9 8 6 FactorXa - CoMSIA 6 7 6 5 predicted pKi 7 predicted pKi predicted pKi Trypsin - CoMSIA 8 5 actual pKi actual pKi 6 5 4 4 4 5 6 7 8 9 actual pKi Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie 5 4 4 5 6 actual pKi 7 8 4 5 6 actual pKi SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Steric Properties steric occupancy unfavorable steric occupancy favorable Me Me SO2 H N iPr O H N iPr CO2Me Me SO2 O H N H iPr HN NH2 pKi = 4.1 Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie N CO2CH2Ph pKi = 6.1 HN NH2 SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design steric field increase hydrophobic hydrophilic decrease increase starting point: hydrophobic field HN NH2 HN modelling: NH2 H CO2Me SO2 H N H N O predicted pKi = 6.4 (Thrombin) Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie + SO2 H N H N N O predicted pKi = 8.0 (Thrombin) SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design O S N Selectivity Discrimination O O O N N S O 8.38 6.77 N O N O S H2N + NH2 O 5.68 7.10 N O O H2N + NH2 CoMSIA based on Affinity Differences Steric Properties Thrombin Trypsin Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design CoMFA: Comparative Molecular Fields Analysis • relative comparison of molecules E(r) • 3D-QSAR using interaction properties = ............................................................... OH ............................................................... .................. ....................... ...................... .......... ....................... ...................... ............................................................... * .......... ....................... ...................... .................. ....................... ...................... ............................................................... NH .......... ....................... ...................... .................. ....................... ...................... ....................................................... ............................................................... ....................................................... ............................................................... ....................................................... ............................................................... ....................................................... O ............................................................... ......................................................... .. O ............................................................... ......................................................... NH .. ......................................................... ............................................................... NH .. ......................................................... ............................................................... .. ......................................................... ............................................................... .. ......................................................... ............................................................... .. ......................................................... OHOH .. ............................................................... ......................................................... ............................................................... ............................................................... ......................................... ...................... ....................................................... CoulombPotential ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... • set of training compounds required LennardJones............................................................... Potential ............................................................... O 0 r .. ............................................................... ......................................................... .. ............................................................... beyond van der Waals CoMFA, generic probe ligand information Cramer et al., JACS 110 (1988) 5959-5987 Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie molecular fields correlate with exp. pKi via PLS SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design CoMSIA: Comparative Molecular Similarity Index Analysis • Compare molecules by similarity E(r) . • 3D-QSAR, generic physico-chemical properties ...... ............................................................... ................................ * S ............................................................... ......................... OH OH O ............................................................... NH H CoMSIA, generic probe ............................................................... O ............................................................ ............................................................... ... O NH ............................................................ ... ............................................................... ............................................................ NH ... ............................................................... ............................................................ ... ............................................................ ............................................................... ... ............................................................ ............................................................... ... ............................................................ OH OH ............................................................... ... ............................................................ ... ............................................................... ............................................................ ... similarity indices = .................. ....................... ...................... ...... ....................... ...................... ............................................................... NH .................. ....................... ...................... ...... ....................... ...................... ............................................................... N NNH HH .................. ...... ....................... ....................... ...................... ...................... ............................................................... r ...... ....................... ...................... .................. ....................... ...................... ............................................................... ...... ....................... ...................... .................. ....................... ...................... O0 ................................................... ............................................................... ................................................... ............................................................... ............................................................... ...... ...... .... ............................................................... ........... ... ...... .................. ............................. ...................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... ............................................................... O O ...............................................................O ........ .... ............................................................... ................................................... ............................................................... ............................................................... ...... ......... ........... Gaussian ............................................................... ................ ligand information molecular similarity fields Klebe, Abraham, Mietzner, J. Med. Chem., 37 (1994) 4130-4146 Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie correlate with exp. pKi via PLS SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design AFMoC: Adaptation of Fields for Molecular Comparison • tailor DrugScore potentials to a particular protein • 3D-QSAR including protein specific information .... ........ .... 2 3 1 2 0 1 1 0 -1 -2 -ln(g(R) / gref(R)) -ln(g(R) / gref(R)) 3 2 -ln(g(R) / gref(R)) ........... ... ......... 3 ................ 1 -1 0 -2 -1 2 1 -2 3 2 1 2 4 5 R 3[Å] R 3[Å] 4 6 5 4 6 5 6 R [Å] ...... ...... ...... ...... ........... ...... ...... ............................... . ......................... protein information ligand information Gohlke, Klebe, J. Med. Chem. 2002, in press Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie modified potential fields correlate with exp. pKi via PLS SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design 3D-Struktur bestimmung 3D-Struktur des Proteins vorgeschlagener Ligand biologisch aktiver Ligand Testung Ligandendesign synthetisierte Verbindung Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie Synthese SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design C a rb o x yp e p tid a s e A lip o p h ile B in d e ta s c h e lip o p h ile B in d e ta s c h e Z n 2+ Z n 2+ { O H N O O N H R N H2 O H2N O HO + + N H2 O N H H2N N H In h ib ito r S u b s tra t ACE ...P ro -P h e -H is -L e u ... S u b s tra t P y r-T rp -P ro -A rg -P ro -G lu -Ile -P ro -P ro T e p ro id e 1 0 0 n M P y r-L y s -T y r-A la -P ro P h e -A la -P ro A la -P ro R2 O R3 N H 0 .0 5 µ M 1 .4 µ M 250 µM O H N O O R2 O O R1 O S u b s tra t O IC 5 0 = 3 3 0 µ M IC 5 0 = 2 2 µ M COOH Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie N O CH3 COOH N O R1 HS CH3 HOOC O In h ib ito r N HOOC O H N IC 5 0 = 2 0 0 n M COOH N HS O IC 5 0 = 2 3 n M COOH SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Oxyhämoglobin β 2 -N-Term β 2 -His2 O - O - P O β 1 - His143 Desoxyhämoglobin O β 2-His243 O O O O P O - O β 1 -His2 β 1 -N-Term β 1 - Lys 82 Diphosphoglycerat setzt Affinität des Hämoglobins zu O2 herab, regelt O2 -Abgabe Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg Molekülvergleiche, Pharmakophorhypothese, QSAR-Studien, Design Vermessen der Abstände zwischen polaren Gruppen im Hämoglobin Tetramer, Blockieren der Umlagerung Konkurrent zu allosterischem Effektor DPG β 2-1 N N β 1-1 R=H R = OCH2COOH OHC Schiffsche Base kovalente Verknüpfung H N β 2-1 β 2-His 2 -O 3S β 1- His 143 R β 2-His 143 SO3- O COO- N H β 1-1 SO3H β 1-His 2 CHO R=H R = OCH2COOH HO R OH SO3H β 1- Lys 82 Additionsprodukt Theoretische Methoden in der Chemischen Biologie SS 2003 Philipps-Universität Marburg