QSAR college - Qsar PDF

Preview

Summary

College aantekeningen O&S 2-6-17 – NMR analyse Nuclear magnetic resonance (NMR) is nodig voor identificatie van je compound. Principle: An atomic nucleus placed in a strong magnetic field and “irradiated” with an electromagnetic wave will absorb energy corresponding to a specific (ra...

Description

College aantekeningen O&S 2-6-17 – NMR analyse Nuclear magnetic resonance (NMR) is nodig voor identificatie van je compound. Principle: An atomic nucleus placed in a strong magnetic field and “irradiated” with an electromagnetic wave will absorb energy corresponding to a specific (radio)frequency. Deze frequentie word gemeten tijdens een NMR analyse. NMR uses magnetic dipole moment. Quantum mechanische atoomkernen hebben eigenschappen, de spin is de waarde daarvan. Hierdoor worden atomaire kernen magnetisch. Spin van ½ is ideaal voor NMR. Spin van 0 is NIET magnetisch. TE!!

Formules niet uit je hoofd kennen, maar kunnen plaatsen (waar staat het voor?)

Mate waarin atoomsoort gemagnetiseerd worden = gyromagnetic ratio (γ) Hoe magnetisch is deze atoomkern = magnetic dipole moment (μ)

A stronger magnetic field (B0) leads to a bigger difference between energy levels. Grote magneetveld  moeilijk tegen in te zitten  grote energie verschil. In de afbeelding hier boven: de bruine pijl die naar boven wijst is de richting van het magneetvelt. Om met het magneetveld mee te gaan is een lagere energie nodig (is makkelijker te doen) dan wanneer je tegen het magneetveld in gaat. In een NMR spectrum meet je het verschil om van het lagere energie niveau naar het hogere energie niveau (of omgekeerd) te gaan. Hoe sterker het veld is, hoe groter het verschil in energie levels is. Als je van hoge energie level naar lage energie gaat komt er energie vrij, dit wordt gemeten bij NMR.

Waar staan h en v voor? Chemical shift – electrones shield the nucleus De elektronendichtheid (omgeving) beïnvloed hoe de kern reageert. Hoe meer elektronen om een kern heen, hoe minder de kern merkt dat er een magneetveld aanwezig is = shielding the nucleus. The magnetic field in the vicinity of the nucleus becomes weaker. Energie verschil wordt kleiner, omdat elektronen protonen shielden. Excitation = aangeslagen toestand van atoom. Relaxation = atoom terug naar rust toestand Signaal (Free Induction Decay) wordt minder als de atomen terugkomen in rust toestand = afname van energie die geïnduceerd is.  dit betreft 1 atoom, maar als er meerdere atomen (en dus kernen zijn)…

1

Het magneetveld wijst omhoog. Je brengt de atomen in een aangeslagen toestand. Wanneer de atomen weer „‟ontspannen‟‟ is dit het punt wat je meet. Het signaal begint groot en wordt langzaam kleiner. Dit noem je een Free Induction Decay (FID).

Met de fourier transformatie zet je een functie in de tijd om naar frequentie. De frrequentie zegt namelijk iets over de energie. Hoe kleiner het energie, hoe lager de frequentie. Hoe meer elektronen om de kern, hoe lager de piek is, doordat er meer shielding is dus zal er een lagere frequentie zijn (als ik het goed zeg). Bij meerdere kernen gebruik je de Fourier transform, hier ga je van tijd naar frequentie (f). Dit zorgt ervoor dat je 1 piek per atoom hebt.

Voor elke golf is 1 atoomkern verantwoordelijk en de frequentie van zo een wolk zegt iets over de energie. Hoe meer elektronen in shield, hoe lager de energie, hoe lager de frequentie. Chemical shift - definition Maar de frequentie van je spectrometer speelt ook een rol, het aantal Hertz verschilt per spectrometer. Je corrigeert een soort van dat je met verschillende apparaten meet. Om toch hetzelfde te krijgen bij elke spectrometer corrigeer je hiervoor met de formule:

Het magneetveld wijst omhoog. Je brengt de atomen in een aangeslagen toestand. Wanneer de atomen weer ‘’ontspannen’’ is dit het punt wat je meet. Het signaal begint groot en wordt langzaam kleiner. Dit noem je een Free Induction Decay (FID). Met de fourier transformatie zet je een functie in de tijd om naar frequentie. De frrequentie zegt namelijk iets over de energie. Hoe kleiner het energie, hoe lager de frequentie. Hoe meer elektronen om de kern, hoe lager de piek is, doordat er meer shielding is dus zal er een lagere frequentie zijn (als ik het goed zeg). PROTON NMR (H-NMR) NMR spectroscopy op 1H kern Most abundant isotope of hydrogen Strongly magnetic (more than the rest of the “NMRable” nuclei) Present in a lot of molecules 3 belangrijke eigenschappen: 1. Regions/positie: waar vind je de piek terug in het spectrum 2. Surface area: oppervlakte onder de piek 3. Shape of the peak (multiplicity): singlet, triplet, kwartet

2

1. Regions/positie: Waar vind je piek terug in het spectrum. Verschillende typen 1H-nuclei have specific regions:

Hoe meer naar rechts in de tabel, hoe minder het signaal in ppm. Aan hand van positie van een piek in NMR weet je de positie van bepaalde atomen in een molecuul ten opzichte van elkaar. Chemical shift - aromatics Aromaten grote elektronendichtheid, maar toch hoog signaal? Dit komt omdat elektronen om de ring geen draaien. Ze zitten geordend in de aromaat, waardoor het spectrum wordt geïnduceerd en je een hoog signaal krijgt. ~ 7 ppm = benzeenringen. Magnetically equivalent protons

Je verwacht 8 pieken (want 8 H-atomen in molecuul), maar nee! Protons that have the same chemical environment will give the same response when submitted to NMR spectroscopy. Dat wil zeggen dat voor elke groep atomen zie je 1 signaal in het spectrum. Welke van de 3 protonen je aanwijst dat maakt niet uit, want ze gaan steeds op elkaars plaats zitten, ze zitten niet gefixeerd op 1 plaats. De magnetically equivalent protons hoeven niet perse gezamenlijk aan hetzelfde C te zitten, maar kijk naar de symmetrie. Het gaat namenlijk om het feit dat ze hetzelfde omgeving hebben. Protons that have the same chemical environment will give the same response when submitted to NMR spectroscopy  look for symmetry in the molecule. Diastereotopic protons 3

Chirale centra zorgen voor het feit dat er geen symmetrie is. 2 protonen (CH2) op een koolstof dichtbij de chirale center zijn niet magnetisch equivalent! Naast chiraal centrum zijn H-atomen anders en geven dus ander signaal. 2. Surface area Oppervlakte (integraal) van de piek zegt iets over hoeveelheid protonen (relatief gezien). 3. Shape - multiplicity Doublet, singlet, triplet, kwartet  veroorzaakt door aantal buren. Singlet = geen buren Doublet = 1 buur Triplet = 2 buren Kwartet = 3 buren etc. Ofwel: gaten TUSSEN je pieken = aantal buren. HA kan twee spinstaten hebben (up or down) HX kan 3 spinstaten hebben (zie dia), hierdoor kan HA 3 energie levels aannemen en 3 mogelijke transities. Deshielding zorgt voor minder sterk veld, piek verschuift naar links. Shielding zorgt voor sterk veld, piek verschuift naar rechts.  zie voorbeeld en problem 1. De buren zijn de H-atomen aan andere koolstof direct aan de ene C-atoom vanuit waar je kijkt! Bij diastereotopic protons geldt dat zij couple with each other (AB system). Elk signaal geeft een doublet. TE!! Niet zo belangrijk om te weten, mag je meteen weer vergeten. Coupling constant J The coupling constant is the difference between the shifts of the peaks. Hoeveel elektronen hebben H-atomen zelf om zich heen en hoe sterk is dit. Verschil tussen 2 pieken (dus voor J (ppm) moet je de ene afhalen van de ander en dan in formule voegen om coupling constant J te berekenen). But J is usually reported in Hz, so the value in ppm needs to be multiplied by the value of the field (in our case 300 MHz) and divided by 1 million (ppm = parts per million)

TE!!

Mee kunnen rekenen aan de hand van een gegeven spectrum.

Formule om aantal onverzadigde banden te berekenen of om te kijken of er een aromaat aanwezig is. Uitkomst = 0  geen onverzadigde binding. Uitkomst = 1  1 onverzadigde binding. Uitkomst = 3  kan aromaat zijn? (in dat geval ook aantal H-atomen checken). KOOLSTOF NMR (13C-NMR) Je meet op 13C kernen, kans dat er 2 naast elkaar zitten is klein, want 13C komt niet vaak voor in de natuur. The remaining 12C is not magnetic (spin is 0). 1 belangrijke eigenschap: 1. Regions/positie: waar vind je de piek terug in het spectrum

4

Waar staat TMS voor? Voorbeeld ethyl acetate: 4 koolstofatomen = 4 pieken + 1 (= chloroform het oplosmiddel). APT APT maakt verschil tussen koolstofatomen met 1, 2, 3 of 4 H-atomen. Alles wat een even aantal waterstofatomen heeft staan boven. Alles wat een oneven aantal waterstofatomen heeft staan beneden. Cq = koolstofatoom met geen waterstofatomen (quaternair).  zie problem 2.

5

College aantekeningen O&S 6-6-17 – QSAR (quantitative Structure-activity relationships) QSAR staat voor Quantitaive Structure-Activity Relationships. Hiermee wordt de relatie gelegd tussen biologische en chemische eigenschappen van de ligand/ (denk aan de synthese van de liganden is de chemie, 1e deel practicum, 2e deel practicum is biologie). Hierbij gaat het over liganden (die een verwant zijn aan elkaar) die op één target werken. In de afbeelding hierboven staan de fysiochemische en biologische eigenschappen voor een QSAR. Met de elektronische eigenschappen wordt bijvoorbeeld de lading bedoelt: een ligand met een (delta) plus lading wordt aangetrokken door een receptor met een (delta) min lading. Lipofiliciteit is hetzelfde als hydrofobiciteit. De β-adrenoreceptor Dit is onder te verdelen in twee typen receptoren: de β2 receptor die een rol speelt bij astma en de β1 receptor die een rol speelt bij de hoge bloeddruk. Hierbij is propranolol een antagonist voor deze receptor en isprenaline (of isoproterenol) een agonist voor de receptor. wat opvalt is dat het ethanolamine gedeelte hetzelfde is voor beide liganden en dat er dus bij de benzeenring verschillen zitten in beide liganden. Om te kijken naar de affiniteit van verschillende agonisten is er gekeken naar vergelijkbare structuren van isoprenaline. Hierbij is er een verandering van substituent aangebracht op de zijgroepen van de benzeenring. Wat hierbij opvalt wanneer je naar de pKi waardes kijkt, is dat clenbuterol de vergelijkbare ligand met hoogste affiniteit voor de receptor is. Om een goede QSAR af te kunnen leiden zouden 10 liganden wel genoeg kunnen zijn. (belangrijk om te onthouden: voor de Ki waardes geldt hoe lager de waarde hoe meer affiniteit en voor de pKi is dit omgekeerd, hoe hoger hoe meer affiniteit) Je kan dus een QSAR vergelijking opbouwen zodat je met de fysisch chemische eigenschappen de biologische eigenschappen kan berekenen. Hierbij hoef je alleen de gedeeltes van het ligand te meten wat je verschillend maakt in elke structuur. Dit kan je ook zien in de afbeelding. De structuur rechts van de pijl is het gedeelte waarvan je de fysisch chemische eigenschappen berekend, omdat je dit voor elke ligand verschillend maakt. Een groot voordeel van dit principe is dat je veel berekeningen van verschillende liganden kan verrichten. Ditzelfde kan ook voor antagonisten worden gedaan:

6

Door de biochemische en fysisch chemische eigenschappen van een ligand te combineren kom je uit op een kwantitatieve vergelijking die in de afbeelding te zien is. Deze QSAR vergelijking heeft een voorspellend karakter. Wat betekent deze vergelijking: Als je de LogP en Sb waardes (dus de fysisch chemische eigenschappen) van een ligand weet kan je hiermee de pKi (dus de biologische eigenschappen) van een ligand berekenen. In de afbeelding is te zien dat dit is gedaan voor zowel een agonist als een antagonist. Wat opvalt is dat het getal voor de LogP waardes niet hetzelfde is voor beiden. Bij antagonisten is dit getal groter, wat betekent dat de lipofiliciteit veel meer invloed heeft op de antagonist dan bij de agonist. Ook is verder te zien dat de Sb van de R2+R3 bij de antagonist nadelig werkt (omdat dit een negatief getal is), terwijl dit bij de agonist juist voordelig werkt (want het is positief geladen). Hierdoor kan je zeggen dat beide liganden niet op dezelfde plek aan de receptor binden en dat zij zich in een andere omgeving bevinden. Een verduidelijking op de Sb waardes(zie afbeelding hiernaast): wanneer je bij de βagonisten op de R2 en R3 plek substitueerd, gaat de affiniteit omhoog terwijl het bij de β-blokkers juist ervoor zorgt dat de affiniteit omlaag gaat.

De β-adreno receptoren bevatten 7 transmembraan eiwitten. Als je kijkt naar de β2-adrenergic receptor (twee afbeeldingen hieronder) kan je zien dat de aspartaat (D) in de 3e helix en de 2 serines (S) in de 5e helix belangrijk zijn voor de interactie tussen de agonist en de receptor

Door de negatieve lading van de aspartaat en de hydrofielheid van de serines is er een goede interactie tussen de receptor en isoprenaline. De aspartaat zit door zijn negatieve lading namelijk heel graag bij de geprotoneerde aminogroep van isoprenaline. De serines vormen graag waterstofbruggen met de hydroxy (OH) groepen. Om te kijken hoe belangrijk de serine groepen eigenlijk zijn werd er gekeken naar hoe de binding tussen de receptor en de ligand verandert tussen wildtype en gemutteerde receptoren. Hierbij werd gekeken naar de echte receptor en 2 gemutteerde waarbij er bij elke één van de serine groepen is verandert.

7

Wat je kan zien is dat wanneer je de serine groep verandert, de OH-groep van de ligand niet meer kan binden aan de receptor en hierdoor neemt de agonistische activiteit af. Ook neemt de binding van de andere groep (die wel nog aan een serine kan binden) af. Hetzelfde is gedaan voor antagonisten: hierbij zie je dat in de β2-adrenergic receptor de asparagine zuur (N) in de 7e helix en ook weer de aspartaat (D) in de 3e helix belangrijk zijn voor de interactie tussen de receptor en antagonisten. Hierdoor zie je dus al dat agonisten en antagonisten niet op dezelfde manier binden aan de receptor en niet op dezelfde plek in de receptor zitten. Om te kunnen zien hoe de agonisten en antagonisten in de β-adrenoreceptor zit, zijn deze gekristaliseerd met het ligand erin. Met behulp van QSAR kan je dus iets vertellen over welke ligand je kunt synthetiseren en over wat er eigenlijk op zo een receptor gebeurd. Conclusies: - QSAR puts numbers on the relationship between chemical structure and biological activity - For that one needs physicochemical and biological parameters; these have been developed - QSAR helps in understanding drug action - QSAR helps in predicting the activity of new molecules (in the same series)

8

College aantekeningen O&S 6-6-17 – Receptors: concepts of interactions G Protein-Couples Receptors: - GPCRs is een grote groep van receptoren: 700-800 genen in het menselijke genoom. Er zijn 3 klassen van de GPCRs die van belang zijn die op basis van hun structuur worden opgedeeld: 1. Klasse A: (grootste klasse) - olfactory receptors (390); alles wat je ruikt gebeurt via deze receptoren. Deze zitten in je neus en het zijn er ongeveer 390. - „drug-like‟receptors (rhodopsin-like, 270) 2. Klasse B: - Adhesion receptors (30) - Secretin-like receptors (15) 3. Klasse C: - Venus fly-trap domain (25) 4. Others (60) GPCRs: in de celwand zitten er 7 transmembraan helices. De receptor bestaat ook uit een alfa, beta en gamma subunit. Daarom worden deze receptoren ook wel heterotrimeric G proteins genoemd. Ook komen er veel effector eiwitten voor zoals; adenylate cyclase, phospholipase C en ionkanlen. De klasse A receptoren: De N-terminus van de klasse A receptoren begint aan de buitenkant van de cel. De C-terminus is buiten de cel. Zoals te zien is op de afbeelding bestaat deze receptor uit een orthosterische en allosterische bindingsplaats. Allosterisch betekent dat een (lichaamsvreemde) ligand bindt op een plek anders dan de echte active site/bindingsplaats. Orthosterisch betekent dat lichaamseigen liganden en hormonen op de active site/bindingsplaats binden. De klasse A receptoren zijn heel klein, waardoor de orthosterische en allosterische bindingsplaatsen heel dicht bij elkaar zitten of soms elkaar zelfs overlappen. De klasse B receptoren: klasse B receptoren zijn iets groter. Ze hebben een grote N terminus en de orthosterische bindingsplaats bevindt zich hier heel ver van de allosterische bindingsplaats, op de N terminus De klasse C receptoren: de klasse C receptoren bevatten in hun Nterminus een venus-fly trap bindingsdomain. De venusfly trap plant vangt vliegjes en klapt dan dicht. Hier lijkt deze bindingsplaats op voor de allosterische bindingsplaats. Ook hier bevinden de allosterische en orthosterische bindingsplaats zich ergens anders. Het oude receptor concept: - Competitieve interactie; mutual displacement: Hierbij binden alle liganden op 1 plek. Als de ene bindt kan de andere niet binden. Ook is het zo dat als er meer van een ligand aanwezig is, dat deze eerder zal binden. Volgens de concept doet de receptor niks (geen activiteit), als er geen ligand is.

Het nieuwe receptor concept: Hier gaan we het 1 voor 1 over hebben. - Constitutieve activiteit of inverse agonisme op receptoren; dit betekent dat receptoren al van zichzelf actief zijn. Dus er is geen ligand nodig voor activatie. Dit noem je dan constitutieve activiteit. - Allosterische modulatie van receptoren. - Receptor residence time.

9

Je gaat er vanuit dat een receptor bijvoorbeeld al iets van 50% activiteit heeft als het al aanwezig is in de cel. Een agonist laat de activiteit verder toenemen (een volle agonist dan). Maar een volle inverse agonist laat de activiteit helemaal naar beneden brengen. Een klassieke antagonist heeft eigenlijk geen invloed op de eigen activiteit. Huidige status van GPCRs: Veel GPCRs vertonen spontane/constitutieve activiteit: – orphans (GPR3,GPR12, GPR19, GPR21) – splice variants (5-HT4 receptor) – SNPs (S49G in β1-adrenoceptor) – somatic mutations (TSH, LH, PTH receptor) – RNA editing (5-HT2C receptor) CPA is een volle agonist. DPCPX is een inverse agonist N-0840 is een antagonist. Allosterische modulatie van receptoren (2e concept nieuwe receptor concepten): Binding van een allosterisch ligand (1) moduleert de binding van een hormoon of een neurotransmitter (2).

Endogene ligand: Hierbij duurt de effect van een ligand eigenlijk niet zo lang. Positieve allosterische enhancer: versterkt de werking van een endogene ligand. Dus het effect wordt groter. Synthetic agonist: Als je naar de afbeelding kijkt, kan je zien dat de geneesmiddelen die wij maken qua werking helemaal niet lijken op de werking van het lichaamseigen stof. Daarom wil je liever die allosterische enhancer. Positieve coöperatie: Binding van de allosterische enhancer PD 81,723 zorgt ervoor dat de binding van de lokale hormoon adenosine toeneemt. Hoe komt dit: de doorgetrokken lijn op de afbeelding hiernaast geeft aan hoe snel de dissociatie van de receptor kan gebeuren. Als je de allosterische enhancer erbij doet, kan je zien dat die dissociatie lager wordt: het duurt langer voordat dezelfde hoeveelheid (zonder de enhancer) eraf gaat. Dat kan je zien als je bijvoorbeeld kijkt naar de gebonden receptor op 60 minuten. De orthosterische bindingsplaatsen van verschillende subtypes receptoren lijken vaak op elkaar. Hierdoor wordt het lastig om selectiviteit te bereiken. Door de allosterische bindingsplaatsen kan je hier betere selectiviteit door bereiken.

10

Allosterische modulators als geneesmiddel: - Cinacalet: Allosterische modulator van Ca2+ gevoelige receptor. Wordt vaak gebruikt door mensen met een nierdialyse. - Maraviroc: Allosterische modulator van chemokine CCR5 receptor. Wordt vaak gebruikt door mensen met AIDS of HIV. Receptor residence time: (3e concept nieuwe receptor concepten):

GPCR drugs met een verbeterde efficacy/veiligheid:

CC Chemotactic Chemokine Receptor 2: - Member van de GPCRs - Endogene ligand CCL2 (MCP-1); controleert de chemotaxis en activatie van immuuncellen.

Conclusies: - Constitutieve activiteit of inverse agonisme op receptoren; de meeste antagonisten zijn eigenlijk inverse agonisten. - Allosterische modulatie van receptoren: nieuwe concepten zorgen voor nieuwe medicijnen. - Receptor residence time: verbindingen met een hoge affiniteit kunnen verschillende residentie tijden hebben.

11...