3 izomerija fizicko hemijska karakter qsar

1

STEREOHEMIJA STEREOHEMIJA I I BIOLOBIOLOŠŠKA AKTIVNOST KA AKTIVNOST (DELOVANJE) LEKOVA(DELOVANJE) LEKOVA

Nastaje zbog ograničene rotacije oko C=C dvostruke veze (CIS and TRANS)

STRUCTURNA ISOMERIJA

STEREOIZOMERIJA

GEOMETRIJSKA IZOMERIJA

OPTIČKA IZOMERIJA

IZOMERIJA NIZA

Ista molekulska formula ali različita strukturna

Javlja se kada postoji hiralancentar (predmet i lik u ogledalu).

Ista molekulska formula ali različitpoložaj u prostoru

IZOMERIJA POLOŽAJA

IZOMERIJA FUNKCIONALNE

GRUPE

STRUKTURNA IZOMERIJA

STEREOIZOMERIJA

IZOMERIJA NIZA

IZOMERIJA POLOŽAJA

KONFORMACIONA IZOMERIJA

STRUSTRUKKTURTURNNA IA IZZOMERIOMERIJAJA

NIZA različito organizovan skelet ugljenikovih atomaslične hemijske osobinemala razlika u fizičkim osobinama (gustina, Tk)razgranatiji niz = niža temperatura ključanja

Ista molekulska formula ali različita strukturna

C4H10

BUTAN 2-METILPROPAN

- 0.5°C - 11.7°C

POLOŽAJA isti skelet ugljenikaista funkcionalna grupafunkcionalne grupe su u različitom položajuslične hemijske osobine i malo različite fizičke

2

21 21 2 3PENT-1-EN PENT-2-EN

12 2

1-HLORBUTAN 2-HLORBUTANNIJE3-HLORBUTAN

ALI !

1,2-DIHLORBENZENorto dihlorbenzen 1,3-DIHLORBENZEN

meta dihlorbenzen

1,4-DIHLORBENZENpara dihlorbenzen

2

FUNKCIONALNE GRUPE ista molekulska formula različite funkcionalne gruperazličite hemijske osobinerazličite fizičke osobine

ALKOHOLI I ETRI

ALDEHIDI I KETONI

KISELINE I ESTRI

Alkoholi- polarni, hidrofilni, reaktivni; etri- nepolarni, lipofilni, slabo reaktivniAldehidi i ketoni-slične hemijske osobine, aldehidi su reaktivnijiKiseline-polarne, kisele; neutralni, nepolarni

STEREOISTEREOIZZOMERIOMERIJAJA

MOLEKULI IMAJU ISTU MOLEKULSKU FORMULU - ALI RAZLIČITI PROSTORNI RASPORED

Postoje 3 tipa...

• KONFORMACIONA IZOMERIJA

• GEOMETRIJSKA IZOMERIJA

• OPTIČKA IZOMERIJA

Sve ove strukture su iste zbog slobodne rotacije C-C veze

KONFORMACIONA IZOMERIJAKONFORMACIONA IZOMERIJANastaje zbog slobodne rotacije atoma oko hemijskih veza.

Mala energetska barijera.

Značajno za vezivanje za receptor.

3

Rotameri butana

stolica kolevka twist

zbog ograničene rotacije oko C=C vezepostoji kod nekih ali ne svih alkenapostoji u dva oblika: cis i trans

CIS TRANS

Izomeri - imaju različite fizičke osobine (Tk, gustina)- imaju slične hemijske osobine- ne vezuju se za iste receptore

Ograničena rotacija oko C=C veze

GEOMETRIGEOMETRIJSKA IZJSKA IZOMERIOMERIJAJA

C

C

H

H COOH

COOH

C

C

H

H COOH

HOOC

Maleinska kis, cis Fumarna kis, trans

Dekalin

Ne postoji dvostruka veza, postoji geometrijska izomerija!

trans cis

cis/trans; Z/E; syn/anti

OPTIOPTIČČKKA IA IZZOMERIOMERIJAJA

oblik stereoizomerijeIZOMERI dva različita oblika koja se odnose kao predmet i lik u ogledalu zovu

se ENANTIOMERIjavlja se kod molekula koji imju hiralan centarhiralan centar sadrži asimetrični ugljenikov atomasimetrični C atom ima četriri različita atoma (grupe) koji čine tetraedar

Asimetričan C atom2-hlorbutanOptički aktivan

4

RAZLIKA U PROSTORNOJ ORIJENTACIJI DVA IZOMERA

• izomeri postoje u dva oblika koji se međusobno odnose kao predmet i lik u ogledalu i ne mogu se preklopiti

• različito okreću ravan polarizovane svetlosti• suprotno od kazaljki na satu - levorotatorni L (-),

u pravcu kazaljki na satu - desnorotatorni D (+)• L, D (prema gliceraldehidu), + i – se odnosi na ravan polarizovane

svetlosti• R, S

Neki predmeti:

-se odnose kao predmet i lik u ogledalu ali se mogu preklopiti(npr. kašike)

-se mogu preklopiti ali se ne odnose kao predmet i lik u ogledalu (npr. knjige)

-se odnose kao predmet i lik u ogledalu ali se ne mogupreklopiti (npr. šake)

NB OPTIČKI IZOMERI MORAJU ZADOVOLJITI OBA USLOVA: MORAJU BITI PREDMET I LIK U OGLEDALU KOJI SE NE PREKLAPAJU !

Konfiguracija: apsolutna i relativna

Konfiguracija je prostorni raspored atoma ili grupa na hiralnom C-atomu ili na položajima oko fiksiranog dela molekula.

Optička aktivnost, (+) ili (-), ne definiše prostorni raspored supstituenata na hiralnom C-atomu !!

Relativna konfiguracija - raspored atoma zasnovan na hemijskoj interkonverziji iz ili u jedinjenje predložene konfiguracije

Apsolutna konfiguracija – tačan raspored supstituenata na hiralnom C-atomu. Obično se određuje kristalografskom analizom, mada može i hemijskim transformacijama u odnosu na jedinjenječija je apsolutna konfiguracija poznata. Potrebno je znati i tačan raspored atoma na hiralnom C-atomu i smer skretanja ravni polarizovanog svetla. (primer:(R)-(+) )

DIASTEREOIZIMERI

Dijastereoizomeri-razlikuju se po konfiguraciji na bar jednom stereocentru, uz uslov da je u jedinjenju prisutno više od jednog stereocentra

5

• Racemat - smeša 50 % enantiomera• Enantiomer koji ima veći afinitet za receptor - EUTOMER,

manji afinitet - DISTOMER

• Distomer: neželjeni efekat, povećava farmakološku aktivnosteutomera, inaktivan, toksični metaboliti

• Razdvajanje enantiomera - ekonomska opravdanost

-smesa ekvimolarnih količina (+) i (-) enantiomera. Racemat ne skreće ravan polarizovanog svetla.Obeležava se sa dl ili ( + )

RACEMATI

CH2OH

OHH

CHO

CH2OH

OH H

CHO

(+)

Fizičko-hemijska karakterizacija lekova


1.Kiselo-bazne osobine lekova

2.Lipofilnost lekova

3.Rastvorljivost lekova

KONCENTRACIJA LEKA NA CILJNOM MESTU

Šta može da smanji koncentraciju leka na putu ka aktivnom mestu?

• RESORPCIJA: uglavnom rastvoreni i neutralni lekovi prolaze kroz lipidnebarijere

• KONCENTRACIJA SLOBODNOG LEKA U PLAZMI: lekovi u anjonskom obliku mogu da se vezuju za proteine plazmelekovi u katjonskom obliku mogu da se vežu za nukleinske kiseline

• DEPONOVANJE LEKA: veoma lipofilni lekovi mogu biti deponovani u masnom tkivu

• ELIMINACIJA LEKApolarni lekovi se lako izlučuju preko bubrega

FIZIČKO-HEMIJSKA KARAKTERIZACIJA LEKOVA

Šta je, pored aktivnosti, od značaja za lek?

RASTVORLJIVOST u vodi (lek treba da bude rastvoren u gastrointestinalnom traktu (GIT-u) i krvnoj plazmi)

LIPOFILNOST(lek treba da prolazi kroz lipidne barijere)

STEPEN JONIZACIJE(nejonizovani oblik leka prolazi kroz ćelijsku membranu)

HEMIJSKA I METABOLIČKA STABILNOST(otpornost na degradaciju leka usled niske pH u stomaku i prisustva enzima)

6

TEORIJE ZA TUMAČENJE POJMOVA KISELINE I BAZE

Arenijusova teorija• Kiseline su neutralna jedinjenja koja pri rastvaranju u vodi jonizuju

dajući H+ jone i odgovarajuće negativne jone/danas se smatra da H+ joni mogu postojati u vodi samo kao H3O+, hidronijum joni

• Baze su neutralna jedinjenja koja disocijacijom ili jonizacijom vodi daju OH- /hidroksidne/ jone i pozitivne jone

Bronšted-Lorijeva teorijaKISELINE SU SUPSTANCE (MOLEKULI ILI JONI) KOJE DAJU PROTON, A BAZE SU SUPSTANCE KOJE PRIMAJU PROTON.

Luisova teorijaKiseline su supstance koje mogu da prime elektronski par, a baze su supstance koje daju elektronski par.

1. K1. KISELISELOO--BAZNE OSOBINEBAZNE OSOBINE LEKOVALEKOVAKiselo-bazne osobine lekova

Bronsted-Lowry (H2O amfoterna)

CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-

CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-

Keq= [H3O+] [A-] / [HA] [H2O]

Ka = Keq [H2O]= [H3O+] [A-] / [HA]= [konj.kis] [konj. baza] / [kis]

pKa = -log Ka, pH=-log [H3O+]

pH=pKa + log [A-] / [HA]= pKa + log [konj. baza] / [kis]

Henderson-Hasselbach

u dil rastvorima const. (55,5)

HA + H2O H3O+ + A-

kis. baza konj. kis konj. baza

BH+ + H2O H3O+ + Bkis. baza konj. kis konj. baza

pH = pKa + log [B]/[BH+] = pKa + log [konj.baza]/[kis]

Henderson-Hasselbach

VAŽNO !!!

pKapKa BAZE = BAZE = pKapKa KONJ. KIS (PROTONOVANE BAZE)KONJ. KIS (PROTONOVANE BAZE)

pKapKa<<<<<<<<22: jaka kis, nema baznih osobina u vodi

pKapKa=4=4--66: slaba kis, veoma slaba konjugovana baza

pKapKa=8=8--1010: veoma slaba kis, slaba konjugovana baza

pKapKa>>>>>>>>1212: nema osobine kiseline u vodi, jaka konjugovana baza

7

pKa• pKa vrednost predstavlja jačinu kiselina• na osnovu pKa vrednosti ne može se zaključiti da li je jedinjenje

kiselina ili baza• na osnovu poznate pKa vrednosti može se izračunati pH vodenog

rastvora kiseline ili baze

[ ][ ]++=BH

BpKapH log[ ]

[ ]AH

ApKapH

−

+= log

za kiseline za baze

[ ][ ]B

BHpHpKa

+

+= log[ ][ ]−+=A

HApHpKa log

jednačina za kiseline jednačina za baze

Uticaj elektrostatičkih/induktivnih efekata na pKa

Akceptori elektrona povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza.

pKa = 4.54 na 25°C i 0.15M I (jonske jačine)

pKa = 0.32 na 25° C i 0.15M I

O

OHCH3

F

F

F

O

OH

Grupe koje su akceptori elektrona:

NR3, NO2, SO2R, CN, F, Cl, Br, I, CF3,

COX (X=OH, NH2, OR), COR, OR, SR, NH2, C6H5,

-I

Grupe koje su donori elektrona smanjuju jačinu kiselina i povećavaju jačinu baza.

O

OHCH3 pKa = 4.54 na 25°C i 0.15M I

pKa = 4.83 na 25°C i 0.15M I

O

OH

CH3

CH3CH3

Grupe koje su donori elektrona:

COO-, O-, NH-, alkil+I CH3CH2CH2 COOH

COOHCH2CH

Cl

CH3

COOHCH

Cl

CH3CH2

COOHCH2CH2CH2

Cl

COOHH

COOHCH3

COOHCH3CH2

COOHCH3CH2CH2

COOHCCH3

CH3

CH3

Uticaj induktivnog efekta na pKa vrednosti

3.75

4.75

4.87

4.81

5.02

4.8

4.5

4.0

2.9

kada je Cl atom udaljeniji od karboksilnegrupe, kiselost se smanjuje

pKa pKa+I -I

veličina radikala rastojanje

8

POREĐENJE JAČINA KISELINA

1. pKa (CH3COOH) = 4.7

2. pKa (ClCH2COOH) = 2.7Koja kiselina je jača?

Koliko puta?

pKa(2) – pKa (1) = 2.7 - 4.7 = -2

pKa = -logKa, antilog 2 = 100Kiselina 2 je 100 puta jača od kiseline 1

Uticaj mezomernog efekta na pKa

Grupe koje ispoljavaju negativni mezomerni efekat povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza.

OH

Grupe sa - mezomernim efektom:Grupe sa - mezomernim efektom:

δδδδ+ δδδδ-

NO2

δδδδ+ δδδδ-

NO2

δδδδ+ δδδδ-

CN

δδδδ+ δδδδ-

CN

δδδδ+ δδδδ-

COR

δδδδ+ δδδδ-

COR

δδδδ+ δδδδ-

SO2R

δδδδ+ δδδδ-

SO2R

pKa = 9.80 na 25°C i 0.15M I

pKa = 6.97 na 25°C i 0.15M IN

+O

-

O

OH

mezomerni efekat: dvostruke veze u konjugaciji sa jonizujućim centrom

Uticaj temperature i jonske jačine na pKa

Uticaj temperature na pKa vrednosti– pKa vrednosti baza smanjuju se sa povećanjem temperature,

npr., pKa vrednost amina smanjuje se za ~0.03 za svako povećanje temperature od 1°C.

– Promena temperature ima manje uticaja na kiseline

Uticaj jonske jačine na pKa vrednosti– pKa vrednosti kiselina smanjuju se sa povećanjem jonske

jačine, npr. pKa benzoeve kiseline = 4.20 za I=0, dok je pka = 3.99 za I=0.15M

– pKa vrednosti baza povećavaju se sa povećanjem jonske jačine ali ovaj efekat nije tako jako izražen kao kod kiselina, npr., pKa piridina=5.23 za I=0, i pKa=5.31 za I=0.5M

pKa (Tº,I)

Određivanje pKa vrednosti

-potenciometrijski

-UV spektrofotometrijski

-kapilarnom elektroforezom

-predviđanje pKa vrednosti korišćenjem kompjuterskih programa

9

9,62,51 x 10-10Efedrin (kao hidrohloridna so)

4,53,16 x 10-5Indometacin

1,62,51 x 10-2Saharin

7,53,16 x 10-8Fenobarbiton

4,81,58 x 10-5Sirćetna kiselina

9,35,01 x 10-10Amonijak

7,26,31 x 10-8Dihidrogen fosfat

6,11,26 x 106Hlorovodonična kiselina

pKaKa

KiselineAspirin 3.5 Paracetamol 9.5Fenobarbiton 7.4

BazeKokain 8.6Diazepam 3.3 Difenilhidramin 9.0

AmfolitiMorfin 8.0 (amin) i 9.9 (fenol) Adrenalin 8.7 (amin) i 10.2 i 12.0 (fenol)

Jedinjenje pKa vrednost

OH

O2N

NO2OH

NO2

OH

NO2

OH

NO2

OH OH

NO2O2N

NO210

7,2

7,3

0,4 pKa vrednosti nitrofenola

9,3

4,0

pKa vrednosti nekih supstituisanih fenola

cikloheksanol

alkohol fenol

Sledeća jedinjenja poređajte po rastućoj kiselosti.

PRIMER :

OH

NO2

Cl

OH OH

CH3

H3C

OH

Cl

OH

NH2

H3CA B C D E

POREDAK PO RASTUĆOJ KISELOSTI

D ‹ B ‹ A ‹ C ‹ E

10

HO

COOH

COOH F

F

COOH1

2

3

4

PRIMER : Poređajte funkcionalne grupe (označene brojevima) u datomjedinjenju po opadajućoj kiselosti.

HO

COOH

COOH F

F

COOH1

2

3

4

3 > 4 > 2 > 1

F

F

COOH

HO

COOH

COOH

jaka organska kis.

jača kiselina od alkil kis.

smanjenje kiselosti

slaba organska kis.

PRIMENA pKa VREDNOSTI

● predviđanje APSORPCIJE, DISTRIBUCIJE i ELIMINACIJElekova

● REGULISANJE reapsorpcije ili izlučivanja leka iz organizmapodešavanje pH urina (5.7 –5.8), npr. oralnim dozama NH4Cl ili NaHCO3) da bi se:-postigla reapsorpcija nejonizovane molekule za terapeutske svrhe-olakšalo izlučivanje jonizovanog oblika molekula u slučajevima intoksikacije (slabe kiseline se izlučuju u alkalnom urinu, slabebaze se izlučuju u kiselom urinu)

● maksimiziranje proizvoda reakcije ili proizvoda sinteze

JONIZACIJA LEKOVA

- VEĆINA LEKOVA SU SLABE KISELINE ILI SLABE BAZE

- RAVNOTEŽA JONIZOVANOG I NEJONIZOVANOG OBLIKA SLABIH KISELINA I BAZA U VODENIM RASTVORIMA

HA H+ + A- B + H+ BH+

HA - nejonizovani oblik leka (kiseline)

A- - jonizovani oblik leka (kiseline)

B - nejonizovani oblik leka (baze)

BH+ - jonizovani oblik leka (baze)

STEPEN JONIZACIJE LEKA U F-JI pH RASTVORA

LEKOVI - SLABE KISELINE:LEKOVI - SLABE BAZE:

11

pH U GIT-U

želudac0.1 m2

Dvanaestopalačno crevo0.1 m2

jejunum60 m2

ileum60 m2

Debelo crevo0.3 m2

pH (prazan)

4.6 (2.4 - 6.8)

6.1 (5.8 - 6.2)

1.7 (1.4 -2.1h)

6.5 (6.0 - 7.0)

6.5

8.05.0 - 8.0

pH (pun)

5.0 (0.1 h)

4.5 - 5.5 (1 h)

4.7 (2 h)

3-4 sata prolaska kroz tanko crevo

%jonizovanog leka =100

1 + 10(pKa - pH)

%jonizovanog leka =100

1 + 10(pH - pKa)

HA

BH+

pH=pKa (50 % jonizacija)

SLABE KISELINESLABE KISELINE

pH = pKa (oko 50% molekula je jonizovano)pH > pKa (oko 90% molekula je jonizovano) +1pH > pKa (oko 99% molekula je jonizovano) +2pH > pKa (oko 99.9% molekula je jonizovano) +3pH > pKa (oko 99.99% molekula je jonizovano) +4

SLABE BAZESLABE BAZEpH = pKa (oko 50% molekula je jonizovano)pH > pKa (oko 90% molekula je nejonizovano) +1pH > pKa (oko 99% molekula je nejonizovano) +2pH > pKa (oko 99.9% molekula je nejonizovan +3pH > pKa (oko 99.99% molekula je nejonizovano) +4

Monoprotonske baze

O

NH2+

HO

H3C

H3C

O

NH

HO

H3C

H3C

Propranolol hidrohlorid(konjugovana kiselina) pKa = 9.53

BH+B

OH-

H+

Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblikapropranolola

www.sirius-analytical.com

12

Monoprotonske kiseline

N

O OH

O

CH3

F

N

O O-

O

CH3

F

Flumehin (kiselina) pKa = 6.27

HA A-

OH-

H+

Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblikaflumehina


Cviterjoni

NH3+

O

NH

N

O

H

H

S

CH 3 CH3

CO O H

NH3+

O

NH

N

O

H

H

S

CH3 CH3

COO -

NH2O

NH

N

O

H

H

S

CH3 CH 3

CO O -

X-

Ampicilin (cviterjon)

pKa = 2,55; 7,14

X-XH±XH+

⇔ ⇔

Raspodela jonizovanih oblika ampicilina

Primer: aminokiseline

XH+ XH±


Amfoliti

Morfin (amfolit)

pKa = 8,17; 9,26

XH2+

XH0

X-

O

H O

H O

H

N H +

C H3

XH2+

⇔ ⇔

Raspodela jonizovanih i nejonizovanog oblikamorfina

O

H O

H O

H

N

C H3

XH0

O

H O

O -

H

N

C H3

X–


Kisele grupe koje jonizujuJedinjenje pKa

Karboksilne kiseline, RCOOH 3-5

Fenoli, ArOH 10

Hidroksilamini, RNHOH 8-10

Triazoli 8-10

Tetrazoli 4-6

Purini 8-10

Sulfonamidi, RSO2NH2 8-10

Tioli, RSH 7-10

Alkoholi, ROH > 14Sulfonska kis. RSO3H < 0

13

Bazne grupe koje jonizuju

Jedinjenje pKa

Amini, RNH2 7-11Amidini, RC(=NH)NH2 11-13Gvanidini, RNHC (=NH)NH2 12-14Anilini 2-6Aminopiridini 6-7Hinolini 4-5Triazoli 1-2Piridini 2-6Aminopiridini 3-4Imidazoli 5-7Purini 2-3

N

CH2COOH

O=C- Cl

CH3

N

CH2COO-

O=C- Cl

CH3+ H2O + H3O+

Indometacin, pKa=4,5

Nejonizovan Jonizovan

Povećanje pH za 1 (5,5) - 90,9 % jonizovan !

Povećanje pH za 2 (6,5) - 99,9 % jonizovan !

CH CH NH2

OH CH3 CH3

+ H2O CH CH NH

OH CH3 CH3

+ H3O

Efedrin hidrohlorid, pKa=9,6

Jonizovan Nejonizovan

Povećanje pH za 1 (10,6) - 90,9 % nejonizovan !

Povećanje pH za 2 (11,6) - 99,9 % nejonizovan !

HONH3

O HN

NO

S CH3

CH3

OO

pK a3 = 9,6

pKa2 = 7,4

pKa1 = 2,4Amoksicilin

14

NN

CO

OO

R

F

NH

H

+

-

NN

CO

OO

R

F

NH

H

H

+

-

NN

CO

OO

R

F

NH

NN

CO

OO

R

F

NH

H

JONIZACIJA HINOLONA U ZAVISNOSTI OD pH SREDINE

hinoloni- amfoterna jedinjenjacviter jon – najmanja rastvorljivost (neutralni pH)

kiseli rastvori (pH 2-5) – katjonski oblik, dobro rastvorni

bazni rastvori (pH › 9) – anjonski oblik, dobro rastvorni

neutralan molekul građenje intramolekulske H-veze /umanjuje se protonacija molekula/

PRIMER: ASPIRIN U GIT-U

nejonizovan jonizovan

Salicilna kiselina

želudačni sok

tanko crevo

debelo crevo

Aspirin

pKa 3.5

COOH

O-CO-CH3

COO-

O-CO-CH3

+ H+

HN NH

OO

O

HN N

OO

O

HN N

OO

O

PRIMER: PENTOBARBITON

konjugovana bazakiselina

Izračunati procenat jonizacije pentobarbitona (pKa 8) u plazmi, pH 7,4

)log(1

100.%

pHpKaantioblikagjonizovano

−+=

% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog 8,0 – 7,4)

% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog 0,6)

% jonizovanog oblika = 100/ (1 + 3,98)

% jonizovanog oblika = 100/ 4,98 = 20,08% (konjugovane baze)

100 – 20,08 = 79,9% nejonizovanog oblika (kiseline)

za kiseline

PRIMER: FENILPROPANOLAMIN

konjugovana kiselina

pKa 9,4baza

Izračunati procenat jonizacije fenilpropanolamina (pKa 9,4) u plazmi, pH 7,4

% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog 7,4 – 9,4)

% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog -2)

% jonizovanog oblika = 100/ (1 + 0,01)

% jonizovanog oblika = 100/ 1,01 = 99,01% (konjugovane kiseline) = % jonizacije

100 – 99,01 = 0,99% nejonizovanog oblika (baze)

za baze

)log(1

100.%

pHpKaantioblikagjonizovano

−+=

pH – pKa)

CH3

NH2

OH

CH3

NH3

OH

15






2. LIPOFILNOST2. LIPOFILNOST LEKOVALEKOVA

Lipofilnost lekova predstavlja značajan faktor za:

a) prolazak leka kroz ćelijske membrane b) koncentraciju leka na ciljnom mestu dejstva lekac) interakcije leka sa receptorom

ORGANSKA FAZA

VODENA FAZA

raspodela

Raspodela supstanci između dva rastvarača, koja se ne mešajuOrganski rastvarač – simuliranje hidrofobnog dela membraneVoda ili vodeni pufer – simuliranje unutrašnjosti kompartmenta punjenih vodenim sadržajem

P P ii DD

• Particioni koeficijent P (koeficijent raspodele, intrinsiclipophilicity) opisuje lipofilnost neutralnog oblika molekula, tj. skupa funkcionalnih grupa i ugljenikovog skeleta koji čine strukturu molekula ne uključujući disocijaciju ili jonizaciju.

• U zavisnosti od pH vrednosti, molekule koje jonizuju nalaze se u ravnoteži svog nejonizovanog i jonizovanog oblika. Smatra se da će se jonizovani i nejonizovani oblik naći u vodenoj, a nejonizovanioblik molekula u organskoj fazi (tradicionalni pristup).

• Koeficijent distribucije D opisuje lipofilnost svih oblika molekule pri datoj pH vrednosti.

∗U nekim slučajevima, u zavisnosti od okoline jonizujućeg centramolekula i raspodele naelektrisanja koje stabilizuje molekulu, čak i jonizovana molekula može da penetrira u organsku fazu. Na ovaj način objašnjava se prolazak nekih jonizovanih lekova u CNS

PARAMETRI LIPOFILNOSTIPARAMETRI LIPOFILNOSTI

LogLog PP i loglog DD

[ ][ ]voda

oktanol

oblik ninejonizova

oblik ninejonizovaP=

P = koeficijent raspodele, const.

D = koeficijent distribucije (f-ja pH)

[ ][ ] voda

oktanol

oblik ninejonizova jonizovani

oblik ninejonizova jonizovani D

+

+=

16

log P

logP = 0logP = 0 jednako rastvorljiv u vodi i organskoj fazijednako rastvorljiv u vodi i organskoj fazi

logP = 5logP = 5100,000 (105) puta rastvorljivije u organskoj fazi

100,000 (105) puta rastvorljivije u organskoj fazi

logP = -2logP = -2 100 puta rastvorljiviji u vodi100 puta rastvorljiviji u vodi

log P > 1 (lipofilno jedinjenje)log P <<<<-1 (hidrofilno jedinjenje)log P > 5 (toksično jedinjenje)

log Do lipofilnost molekule pri datoj pH vrednosti uzimajući u

obzir lipofilnost neutralnog oblika P i stepen jonizacije pKa.

o D za monoprotonsku kiselinu:

log D = log P - log (1+ 10pKa-pH)

o za monoprotonsku bazu:

log D = log P - log (1+ 10pH-pKa)

Jednačine su komplikovanije za diprotonske molekule

Primena logD na predviđanje farmakokinetičkih osobina leka

<0 problem propustljivosti u crevima i CNS-urenalni klirens

0 do 1 ravnoteža između rastvorljivosti i propustljivostiproblem za CNS

1 do 3 optimalne vrednosti za CNS i ne CNS oralne lekove dobra CNS penetracija, spor metabolizam

3 do 5 smanjuje se rastvorljivost, brži metabolizam

>5 slaba rastvorljivost, brz metabolizam, veliki Vd

Log D (pH 7.4) Zaključak

ZNAČAJ ODREDJIVANJA LIPOFILNOSTI LEKA

Predvidjanje apsorpcije:�Optimalna penetracija u CNS (log P = 2±0,7)

�Optimalna oralna apsorpcija (∼log P=1,8)

�Optimalna intestinalna apsorpcija (log P=1,35)

�Optimalna apsorpcija u debelom crevu (log P=1,32)

�Optimalna sublingvalna apsorpcija (log P=5,5)

�Optimalna perkutana apsorpcija (log P=2,6, mala MW)

Predvidjanje farmakokinetičkih osobina i toksičnosti:�Visoka vrednost log P (toksični lekovi)-deponovanje u masnom tkivu

�Metabolizam u f-ji log D (renalni i metabolički klirens, P450)

Predvidjanje aktivnosti leka sa receptorom�Hidrofobne reakcije sa receptorom

Izbor doziranog oblika�Niska vrednost log P (<0) injekcioni rastvori

�Srednja vrednost log P (0-3) oralni preparati

�Visoka vrednost log P (3-4) transdermalni preparati

17

Određivanje lipofilnosti

Eksperimentalni model

Ograničenja: nije dovoljno precizna metoda za logP > 3.5, supstanca mora da bude čista.

Izračunavanje Log P

• Većina programa koristi aditivni pristup.• Mogu se koristiti i komplikovaniji algoritmi koji uključuju i

faktore kao što su dipolni momenat, veličina molekula itd.

Supstituenti (fragmenti), fiFaktor interakcije, Fi

logP = logPparent compound+ fii =1

n

∑ + Fiji <j

n

∑Polazno jedinjenje

P vs πP označava hidrofobnost jedinjenja u celini i mera je transporta leka.

π predstavlja hidrofobnost specifičnog regiona -mera hidrofobnihinterakcija sa receptorom.

Konstanta hidrofobnosti supstituenta, π.

Moguće je izračunati konstantu hidrofobnosti supstituenta (π).Meri se hidrofobnost u odnosu na H.

Eksperimentalno se odredi P standardnog jedinjenje sa i bezsupstituenta (X).

πx = log Px - log PH

F H

logP=2.27 logP=2.13

πF = log Px - log PH

πF = 2,27-2,13=0,15

Pozitivan π = supstituent hidrofobniji od HNegativan π = manje hidrofoban od H

18

-1.49

-1.49

CONH2

0.140.860.711.16-0.02-0.671.680.52π Aromatični supstituenti

-0.170.600.391.070.47-1.161.680.50π Alifatičnisupstituenti

FBrClCF3OCH3OHt-BuCH3grupa

Cl CONH2CONH2

Cl

Benzen Hlorbenzen Benzamid m-hlorbenzamid

logP=2,13 logP=2,84 logP=0,64

logPhlorbenzamid = logPbenzen+πCl+πamid=2,13 + 0,71 + ( -1,49)=1,35

logPexp=1,51

Većina QSAR jednačina uključuje ili P ili π ili obe vrednosti.

Primena parametara lipofilnosti

Predviđanje ponašanja leka u organizmu:

-Predvidjanje aktivnosti lekova (ukoliko je lipofilnostod značaja za dejstvo, QSAR)

-Apsorpcija, distribucija, eliminacija:% apsorbovanog leka, permeabilnost kroz membrane, vezivanje za proteine plazme, toksičnošću leka (ADMET)

Promena log P utiče na biološku aktivost.

a) Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti

aktivan aktivan

Biološka aktivnost se obično izražava kao 1/C, gde je C = [lek]koja postiže odgovarajući nivo biološke aktivnosti. Aktivniji lekovi zahtevaju nižu koncentraciju.

Grafički prikazati log 1/C vs. log PU malom opsegu log P, npr. 1-4, zavisnost je linearna:

Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti

Povećanjem hidrofobnosti povećava se biološka aktivnost leka (in vivo):

a) ili zbog lakšeg prolaska kroz ćelijske membrane

b) ili zbog interakcije sa receptorom ili enzimom koji ima hidrofobno vezivno mesto

log(1/C)=k1logP + k2log P

Log(1/C)

19

Log P

Log (1/C)

log(1/C) = -k1(logP)2 + k2logP + k3

Visoka vrednost log P-parabolična kriva. Razlog:

• Slaba rastvorljivost u vodenoj sredini• Deponovanje u masnom tkivu• Intenzivniji metabolizam

Kod malog broja jedinjenja aktivnost zavisi samo od log P .

Važi samo za jedinjenja slične strukture. Npr: anestetici- samo etri(deluju na nivou membranskih struktura, ne postoji specifičan ćelijski receptor)

etar hloroform halotan0.98 1.97 2.3(anestetička aktivnost raste)

b) Predvidjanje prmeabilnosti kroz membranuLekovi sa Log P oko 2 prolaze HEB (npr barbiturati)Lekovi koji ne prolaze HEB trebalo da imaju nižu vrednost log P.

c) Apsorpcija i log P

121720232424304044

0.74.94.810.511.713.928.050.7>>>>100

BarbitonApobarbitonFenobarbitonAlilbarbiton

ButetalCiklobarbitonPentobarbitonSekobarbiton

Heksetal

% ApsorpcijePBarbiturat

Particioni koeficijenti i % apsorpcije barbiturata

Fenobarbiton - heksetal (zamena fenil radikala sa n-heksil radikalom)

Povećanje lipofilnosti

ClF

FCl

Flukonazol Hlorni derivat flukonazola

logP = 0.99 logP = 1.79

20

O

NCH3

H

HO

HO

Morfin Normorfin

Diacetilmorfin

logP = 0.90 logP = -0.17

logP = 1.59

O

N H

H

H O

H O

O

NH

H

OO

O

H3C

O

CH3

Smanjenje lipofilnosti (povećanje polarnosti molekule):-dodavanje polarnih funkcionalnih grupa

C

Cl

Cl

O

S

N

N

Cl

H

C

Cl

Cl

O

N N

N

N

NN

OH

Tikonazol Flukonazol

povecala se polarnost

Tiokonazol Flukonazol

povećala se polarnost

LIPINSKI “RULE OF 5"

4 DESKRIPTORA PO LIPINSKOM NA OSNOVU KOJIH SE MOŽE PREDVIDETI DA LI ĆE BUDUĆI LEK ISPOLJITI ODGOVARAJUĆU

APSORPCIJU I PERMEABILNOST

MW MOLEKULSKA MASA >500

logP log P > 5

Donori H veza VIŠE OD 5 DONORA H VEZA (izraženo kao zbir OH i NH)

Akceptori H veza VIŠE OD 10 AKCEPTORA VODONIČNIH VEZA

(izraženih kao suma N i O)

LOŠA APSORPCIJA I PERMEABILNOST LEKA UKOLIKO:

- veoma polarni lekovibrzo se eliminišu preko bubrega i teško prolaze lipidnebarijere ćelijske membrane, mogu jakim vezama da se vežu za receptor.

- veoma lipofilni lekovi, - brzo prolaze kroz ćelijske membrane, vezuju se slabim

vezama za receptor, pokazuju slabu rastvorljivost i slabo se apsorbuju iz GIT-a.

Najbolji lekovi predstavljaju kompromis hidrofobnih(lipofilnih) i hidrofilnih karakteristika.

HIDROFILNHIDROFILNOO--HIDROFOBNA RAVNOTEHIDROFOBNA RAVNOTEŽŽAA

21

Optimizacija polarnosti molekule:� Smanjivanje polarnosti molekule (povećanje lipofilnosti):o maskiranje polarnih funkcionalnih grupe:

alkohol ili fenol → etar ili estar karboksilna grupa → estar ili amidprimarni ili sekundarni amini → amidi ili sek. i terc.amini

o dodavanje ekstra hidrofobne alkil grupe

� Povećanje polarnosti molekule (smanjivanje lipofilnosti):o zamena većih alkil grupa sa manjim ili uklanjanje alkil grupao dodavanje polarnih funkcionalnih grupa






Rastvorljivost lekova

Rastvorljivost (Solubility) predstavlja koncentraciju leka u zasićenom rastvoru gde je prisutan višak čvrste supstance.

Rastvor

Čvrsta faza

HA(s) ↔↔↔↔ HA B(s) ↔↔↔↔ B

PRAVILA RASTVORLJIVOSTI

- RASTVORLJIVOST SE MENJA SA PROMENOM TEMPERATURE I pH

- “SLIČNO SE U SLIČNOM RASTVARA“

ZBOG ČEGA?

RASTVOR I RASTVORENA SUPSTANCA INTEREAGUJU ISTIM INTERMOLEKULSKIM SILAMA PRE I POSLE MEŠANJA

POLARNE I JONSKE SUPSTANCE SE RASTVARAJU U POLARNIM RASTVARAČIMA;NEPOLARNA JEDINJENJA SE RASTVARAJU U NEPOLARNIM RASTVARAČIMA;

- UKOLIKO JE VEĆI ODNOS O////N:C VEĆA JE RASTVORLJIVOST U POLARNIM RASTVARAČIMA;

22

Rastvorljivost

o Kinetička rastvorljivost

o Ravnotežna rastvorljivost

o Intrinzička rastvorljivost (rastvorljivost neutralnog oblika)

Kinetička rastvorljivost (Kinetic solubility):

-predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) u trenutku kada se talog prvi put pojavi u rastvoru in vitro.

Ravnotežna rastvorljivost (Equilibrium solubility):

-predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) gde su rastvor i čvrsta faza u ravnoteži.

-predstavlja stvarnu rastvorljivost molekula.

-merenja ravnotežne rastvorljivosti su veoma precizna ali spora (shake-flask metoda)

Intrinzička rastvorljivost (Intrinsic solubility):

-predstavlja rastvorljivost neutralne kiseline ili baze (slobodnog oblika)

-poznavanjem intrinzičke rastvorljivosti i pKa može se odrediti rastvorljivost na određenoj pH vrednosti

-intrinzička rastvorljivost se koristi kao ekperimentalnavrednost pri treniranju programa za predviđanje rastvorljivosti jonizujućih lekova

Disolucija• Nije isto što i rastvorljivost leka !

• Definiše se kao stepen povećanja količine rastvorene supstancetokom rastvaranja.

• Disolucija zavisi od: rastvorljivosti, površine čvrste supstance izložene rastvaraču, zapremine rastvarača, stepena mešanja, pHrastvora.

dm////dt = kA (S-C)

m (masa komponente), t (vreme), A (površina supstance izloženarastvaraču), S (rastvorljivost), C (koncentracija supstance)

23

Faktori koji utiču na rastvorljivost

LipofilnostVeličinamolekula

Jonizacija IntermolekulskeH-veze

(kristalna struktura)

Oblikmolekula

IntramolekulskeH-veze

Uticaj hemijske strukture na rastvorljivost leka

• Polarne grupe:-ROH, RNH2, RCHO (formiraju vodonične veze sa molekulama vode)

• Jonizujući centri(grupe koje mogu da formiraju hidrate sa molekulima vode)

• Ugljovodonični lanci ( što je veći odnos broja C atoma u odnosu na polarne grupe, rastvorljivost se smanjuje)

• Aromatične grupe (smanjuju polarnost jedinjenja)

Povećanje rastvorljivosti

• formiranje soli• uvođenje grupa koje imaju sposobnost rastvaranja• upotreba specijalnih doziranih oblika

Smanjenje rastvorljivosti

• maskiranje polarnih funkcionalnih grupa

*mora se voditi računa da li su polarne grupe koje se maskirajuuslov za dejstvo

OPTIMIZACIJA RASTVORLJIVOSTI LEKA

NH

O Cl

Cl

OH

NH

O-

O Cl

Cl

AH A–

SLABO RASTVORLJIV RASTVORLJIV

DIKLOFENAK DIKLOFENAK-NATRIJUM

SOLI KISELINA

Na+

SOLI BAZA

OH

R

N

H

R1

H

HO

+X -

derivat feniletil amina: NERASTVORLJIV

X: -tartarat

-hloridRASTVORLJIV

24

Određivanje rastvorljivosti

• Merenje koncentracije zasićenih rastvora “shake-flask" metoda (UV, LC ili LC MS detekcija)

• pH-metrijska metoda

Merenje koncentracije zasićenih rastvora

• “shake-flask“ metoda• nakon 24 časa rastvaranja uz mešanje, koncentracija rastvorene

supstance određuje se UV, HPLC/MS metodama• za dobijanje profila pH - rastvorljivosti, vrši se nekoliko merenje

korišćenjem različitih pufera• metoda je precizna ali dugotrajna• koristi se kao standardna metoda

POTENCIJAL ZA GRAĐENJE H-VEZA NAJČEŠĆE PRISUTNIH

FUNKCIONALNIH GRUPA U MOLEKULIMA LEKOVA

2ESTRI

1TERC. AMINI

2SEK. AMINI

3PRIM. AMINI

2ALDEHIDI

3ALKOHOLI

BROJ MOGUĆIH

H-VEZA

FUNKCIONALNA GRUPA

5-6 36 36 2-3

2

KARBOKSILNE KISESTRIAMIDIUREA, KARBONAT, KARBAMAT

6-7 3AMINI

4-5 25-6 2

ALDEHIDIKETONI

4-5 2ETRI6-7 3-4 FENOLI5-6 3-4ALKOHOLI

MONO- I POLI-FUNKCIONALNI

MOLEKULI

FUNKCIONALNA GRUPA

POTENCIJAL RASTVARANJA U VODINAJČEŠĆE PRISUTNIH FUNKCIONALNIH

GRUPA U MOLEKULIMA LEKOVA

POTENCIJAL RASTVARANJA POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 1

C

OH

CH2HO CH2 NCH2CH3

CH2CH3

Phenol 30 Alcohol

30 Amine

Fenol Alkohol

Amin

Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku soli hidrohlorida i Na-soli

Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijalgrupe rastvaranja rastvaranja

Fenol 3–4 C 1 3–4 CAlkohol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 C

Empirijska formula: C19H31NO2

Potencijal rastvaranja 9 C atoma, ukupno 19 C atoma:

25

POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 2


Fenol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 CAlkohol 3–4 C 1 3–4 CEtar 2 C 1 2 C

Ukupno 11–13 CC17H20NO3

Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku Na-soli i hidrohlorida

N

H

H

O OH

CH3

HOPhenol

30 Amine

20 Alcohol

Ether

Alkohol

Amin

Fenol

Etar

POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 3

CH2-CH -CO O HHO

NH2

CH2-CH -CO O-HO

NH3

CH2-CH -CO O--O

NH2


Fenol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 CKarboksilna 3 C 1 3C______________________________________________________

Ukupno 9–10 C

Veoma rastvorljivi

CH2-CH -CO O HHO

NH3

Tirozin (9 C atoma)Rastvorljivost 0,5%

Cwitter jon !

NaOH/H2OHCl/H2O

Intramolekulsko vezivanje u polifunkcionalnim molekulama smanjuje potencijal rastvaranja.

Uvod u QSAR

Quantitative Structure Activity Relationships-

QSAR

Quantitative Structure Property Relationships-

QSPR

SAR -tradicionalni pristup, slične molekule pokazuju sličnu aktivnost !

Jedna od prvih primena QSAR: predvidjanjetemperature ključanja alkana.

Postoji korelacija izmedju strukture i hemijske i biološke aktivnosti.

26

QSAR-korelacija izmedju osobina molekula (izraženih numerički) i biološke aktivnosti.

Biološka aktivnost se kvantitativno iskazuje kao koncentracija koja daje odredjeni biološki odgovor.

Fizičko hemijske osobine leka mogu se iskazati numerički.

Zavisnost dobijena metodom najmanjih kvadrata

y= a x + b

Pronaći set koeficijenata a i b koja minimizuju odstupanje x od jednačine.

aktivnost

const

osobinamolekule

y= f (x)

Prednost QSAR:

o Kvantifikovanjem odnosa SAR obezbedjuje se razumevanje

uticaja strukture na aktivnost.

o Moguće je predvideti puteve sinteze novih analoga.

o Rezltati mogu biti korišćeni za bolje razumevanje interakcija

funkcionalnih grupa.

o Kada se ustanovi QSAR moguće je predvideti biološku

aktivnost srodnih jedinjenja i uštedeti vreme potrebno za

složena biološka ispitivanja.

Nedostatak QSAR:•Pogrešne korelacije koje mogu nastati zbog bioloških podataka koji su uzrok eksperimentalne greške.

•Ako broj ispitivanih jedinjenja nije dovoljno veliki prikupljeni podaci ne

odražavaju osobine cele grupe. Posledično, QSAR se ne može koristiti za pouzdano predvidjanje jedinjenja najbolje aktivnosti.

•3D struktura liganda koja se vezuje za receptor nije uvek poznata pa se istraživanje najčešće izvodi sa najjednostavnijom strukturom koja

ne mora biti adekvatan reprezent.

•Iako postoji veliki broj uspešnih predvidjanja ne treba očekivati da su QSAR studije uvek tačne.

27

QSAR postupak

•Izdvojiti set molekula koji reaguju sa istim receptorom i izazivaju poznati efekat.

•Odrediti parametre ispitivanja.

•Podeliti izabrana jedinjenja u dve podgrupe: jednu za trening, drugu za ispitivanje.

•Napraviti model: pronaći korelaciju izmedju aktivnosti i osobina jedinjenja (regresiona analiza, statistički model).

•Testirati dobijeni model.

•Ako pretpostavljeni model “ne fituje” modifikuje se jednačina

Osobine jedinjenja koje se koriste u QSAR

QSAR studije se zasnivaju na poznavanju merljivih fizičkih osobina (deskriptora) kao što su:

– gustina– Energija jonizacije– Molekulska masa – Dipolni momenat – Temperatura ključanja– Refraktivni indeks– Redukcioni potencijal– pKa– Parametri lipofilnosti

Druge osobine molekula (deskriptori) koji su uključeni u QSAR studije (uključujući i veličine koje se izračunavaju)

– polarizabilnost– Volumen molekula– vdW površina– Molarna refraktivnost– Energija hidratacije– Taftov sterni parametarr

QSAR Metodologija

• Pronaći deskriptore koji medjusobno korelišu (npr molekulska masa i temperatura ključanja kod serije homologih jedinjenja).

• Statistička analiza kojom se odredjuju varijable koje najbolje opisuju (korelišu) sa posmatranim biološkim efektom.

• Konačni QSAR uključuje najviše 3-5 deskriptora(izuzimajući ukrštenu interakciju).

28

QSAR analiza

molekulska struktura korelacija strukture i dejstva

deskriptori matematički model

Ograničenje broja deskriptora• Broj ispitivanih jedinjenja treba da bude 5 puta veći od broja

posmatranih deskriptora

• Razlog: mali broj jedinjenja u odnosu na broj deskriptora može dati pogrešnu korelaciju– 2 ispitivanja tačno definišu liniju– 3 tačno definišu ravan – Veći broj ispitivanja daje tačniju korelaciju

Statistička analiza podataka• Sofisticirani (i skupi) softverski paketi (multipla linearna

regresiona analiza) • Jeftiniji statististički programi• Metoda najmanjih kvadrata ili odredjivanje glavne komponente-za

odredjivanje deskriptora koji pokazuju najveći stepen korelacije

QSAR kvantifikacija:

Parametri koji definišu rastvorljivost

Elektronski parametri

Sterni parametri

σσσσ-mera elektronskih efekata supstituenata

Odredjivanje se vrši u poredjenju sa benzoevom kiselinom.

Elektonski efekti: Hametova konstanta

Pozitivni i negativni induktivni i mezomerni efekti utiču na konstantu disocijacije (jonizacije) aromatičnih jedinjenja.

Louis Hammett (1894-1987)

29

Supstituenti pokazuju kvantitativni efekat na konstantu disocijacije.

NO2 u p-položaju: veći uticaj !

Vrednost σ zavisi da li je supstituent u m ili p položaju.

Orto položaj se ne odredjuje (sterne smetnje).

?

Mezomerni efekat !

Stabilizuje anjonStabilizuje anjon

Hametova jednačina uzima u obzir i rezonancioni i induktivni efekat supstituenata.

m položaj-samo induktivni efekat !

p položaj-induktivni i mezomerni efekat !

Induktivni efekat !

30

σσσσx = log (Kx/Kbenzoeva kiselina)

Ako je Kx > Kbenz. kis i σx = log Kx – log Kbenz. Kis;

σ će biti pozitivna vrednost.

COOH

Ka= 6.25x10-5

COOH

Cl

Ka= 10.0x10-5

Log10.0x10

-5

6.25x10-5

= 0.204 =σp for Cl

ben x

(σ+) -supstituenti akceptori elektrona,

(σ-) – supstituenti donori elektrona

-0.270.12OCH3

0.780.71NO2

0.660.56CN

-0.66-0.16NH2

-0.13-0.07CH3

σ paraσ metasupstituent

(σ+) supstituenti akceptori elektrona,

(σ-) supstituenti donori elektrona

O u p položaju- mezomerni ED efekat

O u m položaju- induktivni EA efekat

Craig-ov grafik

-vizuelizacija relativnih osobina (π i σ) različitih supstituenata

Craig-ov grafik za para-aromatične supstituente

EA, lipofilan

Craig-ov grafik

-supstituenti koji imaju pozitivne - negativne ili samo pozitivne vrednosti π i σ

-supstituenti koji imaju slične π vrednosti (mogu se međusobno menjati)

-supstituenti koji imaju slične σ vrednosti

-izbor supstituenata za QSAR analizu

31

Primena Craig-ovog grafika

Primer 1: Uvodjenjem CH3 supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom CH3 grupe sa terc. butilom grupom došlo do znatnog smanjenja aktivnosti od značaja za dejstvo su :

a) Elektronski efekti

b) Efekti lipofilnosti

Korišćenjem Carig-ovog grafika

predložite uvodjenje sledećeg

supstituenta koji će uticati na dalje

povećanje aktivnosti hipotetičke

molekule.

Primena Craig-ovog grafika

Primer 2: Uvodjenjem OH supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom OH grupe sa COOCH3

grupom došlo do daljeg povećanja aktivnosti od značaja za dejstvo su :

a) Elektronski efekti

b) Efekti lipofilnosti

Korišćenjem Carig-ovog grafika

predložite uvodjenje sledećeg

supstituenta koji ćeuticati na dalje

povećanje aktivnosti hipotetičke

molekule.

06,2x10-5H

-0,154,4x10-5Et

0,77637,05x10-5NO2

Log(K/K0)KR

linearni odnos log(K/K0) derivata benzoeve i fenilsirćetne kiselinu

05,2x10-5H

-0,094,2x10-5Et

0,4314,1x10-5NO2

Log(K/K0)KR

K0 Benzoeva kis.

K0 Fenilsirćetna kis. feni

l-sir

ćetn

aki

selin

a

Log(

K/K 0

)

benzoeva kiselina Log(K/K0)

ρ-zavisi od osnovne strukture kiseline (benzoeva kiselina, fenilsirćetnakiselina)

Benzoeva kiselina Log (K/K0)=σσσσ

Nek

a ki

selin

aLo

g (K

/K0)

Log (Kx/K0)=ρσρσρσρσ

32

veće rastojanje između supstituenta i protona –smanjenje ρ

referenca

pKkis=pK0(kis)-ρρρρ(kis) ΣσΣσΣσΣσsupstituenata

Primena Hammetove jednačine: predviđanje pKa derivata benzoeve kiseline

COOH

O2N

O2N

H3C

-0.270.12OCH3

0.780.71NO2

0.660.56CN-0.66-0.16NH2

-0.13-0.07CH3


pKkis=pK0(kis)-ρ(kis) Σσsupstituenata

Benzoeva kiselina:

pK0=-log (6,2x10-5)=4,2 ρ=1

kis

CH2CH2COOH

CN

H3CO

H3C

-0.270.12OCH3

0.780.71NO2

0.660.56CN-0.66-0.16NH2

-0.13-0.07CH3


Zadatak: Predvideti pK vrednost prikazanog jedinjenja (ρ=0,21)

pKkis=pK0 (kis) -ρ(kis) Σσsupstituenata

33

Sterni parametri

Vezivanje leka za receptor zavisi od:

• voluminoznosti• veličine• oblika

U kvantifikaciji sternih parametara primenjuju se tri pristupa:

Molarna refraktivnostVerloopov sterni parametarTaftov parametar-Es

Molarna refraktivnost

Mera zapremine prostora koji okupira neki atom ili grupa atoma

MR = (n2 - 1) x MW(n2 +2) d

n = indeks refrakcijeMW= molekulska masad = gustina

MW/d definiše zapreminu(n2 - 1)/ (n2 +2) korekcioni faktor

Verloop-ov sterni parametar

Kompjuterski program izračunava sterne parametre za sve moguće konformacije iz:

Van der Waalsovog radijusa

Dužine veza

Uglova koje grade veze

1.4Bakar1.75Hlor1.80Sumpor1.80Fosfor1.47Fluor1.52Kiseonik1.55Azot1.70Ugljenik1.20Vodonik

radius (Å)Element

Van der Waalsov radijus

34

ES (Taft-ov deskriptor)

ES-eksperimentalni deskriptor

-mera sternih efekata supstituenata

(ES-) – veći supstituent, povećanje negativne vrednosti ES

Pored Taftovog sternog parametra Es, definisani su i drugi sterniparametri nezavisno od kinetičkih podataka.

Charton: V-vrednost, dobijena iz VdW radijusa.

Definiše zapreminu supstituenta koji se nalazi 0,3 nm od reakcionog centra.

QSAR model

Građenje QSAR modela:

1. Trenirani (ispitivani) set molekula-veliki broj struktura

-strukturno različite molekule

2. Deskriptori-značajni za ispitivanu osobinu ili aktivnost

3. Matematički model(jednačina) koji izražava odnos između osobine (aktivnosti) i deskriptora

4. Validacija matematičkog modela

Ispitivani set

Kongenerički set molekula-set molekula sličnih hemijskih struktura (analoga)

Nekongenerički set molekula-set molekula različitih hemijskih struktura

NCH3

CH3

H3C

OMe

OMe

NH

CH3

H3C

OMe

OMe

NMe

CH3

H3C

OH

OH

N

N

N

N

O

O

NH2

CH3O

CH3O

N

O

O

N N

F

F

F

CH3N

OH

O-CH3

OH

CH3-O

35

Selekcija deskriptora

-izračunat je veliki broj deskriptora za QSAR analizu

-dobar model sadrži mali broj dobro izabranih deskriptora

-veliki broj deskriptora može da dovede do grešaka u predviđanju

Selekcija deskriptora:

-manuelno (ukoliko poznajemo mehanizam dejstva lekova)

-automatski (pomoću statističkih metoda, upotreba programa)

Selekcija eliminacijom deskriptora(Backward selekcija)

-počinje se sa QSAR modelom koji sadrži sve deskriptore

-eliminišu se deskriptori čije odsustvo ne smanjuje preciznost modela

-uspostavljanje korelacije sa značajnim deskriptorima

Primer korelisanih deskriptora

-za seriju alkana

-dva visoko korelisana deskriptora: MW i broj C atoma

MW – bira se deskriptor koji sadrži potpuniju informaciju

C atomi

C atomiStruktura

Tabela podataka

-prvi korak je sumiranje molekula i molekulskih karakteristika

DeskriptoriOsobina koja se prati

Jedinjenje Aktivnost

36

Grafička analiza

-preliminarne interpretacije

-ispitivanja zakonitosti

osob

ina

osob

ina

osob

ina

osob

ina

Deskriptor x Deskriptor y

Deskriptor z Deskriptor k

Matematički modeli

-uspostavljanje odgovarajućih korelacija

-interpretacija modela

• Linearne metodeMultilinearna regresija (Multilinear Regression Analysis, MLR), Metoda najmanjih kvadrata (Partial Least Squares, PLS)

• Nelinearne metodeMetoda glavnih komponenata(Principal Component Analysis, PCA)

Veštačke neuronske mreže (Artifical Neural Network, ANN)

Matematički modeli

linearna regresija model parabole

multipla linearna regresija

Akt

ivno

st

Akt

ivno

st

Deskriptor Deskriptor

Aktivnost= a (deskriptor 1) + b Aktivnost= a (deskriptor 1)2 + b

Aktivnost= a(deskriptor 1) + b(deskriptor 2) + c(deskriptor 3) + d ...

Multipla linearna regresija

-korelacija sa više deskriptora

-uticaji različitih faktora

-linearnost za svaki pojedinačni deskriptor

Koeficijenti

Deskriptori

Aktivnost=

37

Multipla linearna regresija

-antikonvulzivi

-biloška aktivnost je rezultat kombinovanog dejstva lipofilnih, sternih i elektronskih efekata

loš model

dobar model

Koeficijent korelacije r2

-stepen korelacije između eksperimentalnih i izračunatih vrednosti za aktivnost

-od 0 do 1

Izračunata aktivnost

Izm

eren

a ak

tivn

ost

Dobra korelacija

Izračunata aktivnost

Izm

eren

a ak

tivn

ost

Loša korelacija

Validacija modela

-standardna devijacija

-r2 –poređenje različitih modela

-t i F (mera reproduktivnosti modela za podatke koji su korišćeniza konstruisanje modela)

1. Konformaciona izomerija se javlja:

a) zbog ograničene rotacije oko dvostruke veze

b) zbog slobodne rotacije oko dvostruke veze

c) zbog ograničene rotacije oko proste (jednostruke) veze

d) zbog slobodne rotacije oko proste (jednostruke)

2. Ako je log P=1 (jedinjenje A) i log P=-1 (jedinjenje B), koje jedinjenje je lipofilnije?

3. Definišite pojam log P i napište kako se izračunava.

4. Izomeriju polo aja karakteriše:

a) Ista molekulska formula i ista strukturna

b) Različita molekulska formula i različita strukturna

c) Ista molekulska formula i različita strukturna

d) Različita molekulska formula i ista strukturna

38

5. Koja vrsta izomerije se javlja kod butana i 2-metilpropana (zaokružiti tačan iskaz):

a) izomerija nizab) izomerija položaja c) izomerija funkcionalne gruped) konformaciona izomerijae) optička izomerijaf) geometrijska izomerija

6. Zaokru ite reakciju(e) koje dovode do povećanja polarnosti i rastvorljivosti leka u vodi?a) metilovanje fenolne funkcionalne grupe b) uvođenje dodatnih alkil grupac) uvođenje amino gruped) zamena aromatičnog prstena heterociklusom sa azotom(ima) e) zamena alkilgrupe nekom većom alkil grupomf) uvođenje atoma fluorag) uvođenje karboksilne grupe

7. Koja vrsta izomerije je prikazana na slici (zaokružiti tačan iskaz):

a) izomerija nizab) izomerija položaja c) izomerija funkcionalne gruped) konformaciona izomerijae) optička izomerijaf) geometrijska izomerija

8. Na slici je prikazana struktura adrenalina i noradrenalina. Zaokru ite jedinjenje koje je po vašem mišljenju lipofilnije.

Adrenalin Noradrenalin

9. Koje funkcionalne grupe povećavaju polarnost jedinjenja:

a) etarska d) amidska g) karboksilna

b) estarska e) alkil radikal

c) hidroksilna f) aromatičan prsten

10. Na slici je prikazan nesteroidni antiinflamatorni lek sulindac koji ima pKa = 4,22. Ako je pH eluca 2,2 u kom obliku (jonizovanom/nejonizovanom) i u kom procentu će biti prisutan sulindac (napisati bez izračunavanja).

CH3

F

COOH

SH3C

O

H

3 izomerija fizicko hemijska karakter qsar

Documents