I. 02.02.23 Flashcards
Welche Aspekte sollten Sie miteinbeziehen, wenn Sie die Ergebnisse eines High Troughput Screenings analysieren?
- Hit muss ans Target binden
- Nur weil Hit im Assay aktiv ist heißt das nicht, dass es auch ans Target bindet
- Muss wahrscheinlich noch optimiert werden
- Gründliche Validierung notwendig
- Während der Optimierung müssen viele unterschiedliche Eigenschaften berücksichtigt werden (Multiparameter-Optimierung)
- Team-Science
- Jede Struktur-Modifikation verändert potentiell auch alle anderen Eigenschaften
- Kann zu Assay Interferenzen kommen, die man austesten sollte: Verunreinigungen, Lichtabsorption, Redox-aktive Moleküle
- Follow-Up muss man machen: Confirmation Assay, Dosis-Wirkungskurven bestimmen, Assay Interferenzen testen, weitere andere Testmethode (orthogonale Assays), Selektivität, Analoge-by-Cataloge
- Statistischer Cut-off notwendig, sonst hat man zu viele Moleküle ohne statistische Signifikanz —> zB. 2/3x SD + Mittelwert oder X% Hemmung
- Chemoinformatische Analyse durchführen
Welche Informationen erhalten Sie von einer Wasser-Analyse im StrukturLigandendesign und wie können Sie das für die Optimierung von Molekülen verwenden?
- Erhaltene Informationen aus der Wasseranalyse: –>
- Bei der Analyse von Compounds mit Hilfe von Kristallstrukturanalyse wird oft Wasser mitkristallisiert–> Wasser kann entweder zufällig (banal) dort sein oder nicht
- Findet man wiederholt Wassermoleküle in der Kristallstrukturanaylse, befinden sich diese Wassermoleküle immer an den gleichen Orten –> zb an hydrophilen Bindungsstellen im Protein
- Man führt die Kristallisation öfter durch und beobachtet, ob sich die Wassermoleküle ab gleichen Ort aufhalten
- Darüber kann die Enthalpie des Moleküls rechnerisch bestimmt werden –> kann positiv oder negativ sein
- Negativ –> happy water –> Wassermolekül ist gut gebunden und fix am Ort (viele IA mit Protein = –>mit Wasser interagieren) –> immer an der gleichen Stelle im Molekül
- Positiv –> unhappy water wenige IA mit Protein ( Wasser ersetzen)
- Ist wichtig für Arzneistoffdesign, wenn designte Arzneistoff (Ligand) in eine mit Wasser gefüllte Bindungstasche (Protein) ragt
1. Unhappy water: stellt kein Problem dar, Arzneistoff kann in die Bindetasche hineingebaut werden, Bindungstasche ist prinzipiell hydrophober
2. Happy water: lässt sich nicht leicht verdrängen und es muss Energie aufgewendet werden, um den Strukturteil des designten Moleküls in diesen Teil der Bindetasche hineinzubauen und dabei das Wasser zu entfernen –> dabei muss die Affinität des Molekülteils bzw. der Teilstruktur so gut sein, dass sich die aufgewandte Energie auszahlt –> Affinität muss mindestens so gut sein, dass sie die für die Bindung aufgewendet Energie kompensiert
Wasser ist nicht gleich Wasser: *
* Hydrophober Effekt – Hydrophobe Molekülteile werden in hydrophoben Bindetaschen verborgen
* Verdrängung von (unhappy) Wasser von hydrophoben Oberflächen
* Wasser an hydrophoben Oberflächen geordnet als im Bulk-Wasser –> Entropie
* Weniger Interaktionen an hydrophober Oberfläche als im Bulk-Wasser –> Enthalpie
Aber Happy Wasser:
* Wasser in polaren Bindetaschen mit vielen Interaktionen
* Enthalpie-Strafe wenn diese Bindungen aufgebrochen werden müssen
* Mit Wasser interagieren
* Minimale Strukturänderungen im Liganden können das Wassernetzwerk (und Enthalpie/Entropie) verändern
* Wasser-Analyse kann bei der Aktivitätsverbesserung von Compounds helfen
Optimierung:
* Happy Wasser verdrängen kostet Energie -> Affinitätsgewinn muss höher sein
als Desolvation Penalthy
* Unhappy Wasser verdrängen ist mit Affinitätsgewinn verbunden -> Ligand kann
Interaktion bilden und Unhappy Wasser macht Interaktion mit dem Bulk Wasser
* Es können Wassermoleküle identifiziert werden, die ignoriert oder durch eine zusätzliche funktionelle Gruppe ersetzt/verdrängt werden sollten, für eine verbesserte Bindungsaffinität
Welche Design-Strategien kennen Sie, um die Konformation eines Moleküls zu beeinflussen?
(3 Bsp zeichnen können )
-
Einfügen von Heteroatomen:
Beispiel: Stickstoff- oder Sauerstoffatome in aromatischen Ringen können die Elektronendichte und damit die Konformation beeinflussen. -
Einführung von Substituenten an aromatischen Ringen:
Beispiel: Methylgruppen in ortho-Position an einem Benzolring führen zu sterischer Abstoßung und erzwingen eine Drehung des Rings. -
Einbau von Ringstrukturen:
Beispiel: Cyclische Strukturen wie Cyclopropan, Cyclohexan –> können die Flexibilität eines Moleküls reduzieren und spezifische Konformationen stabilisieren. -
Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen:
Beispiel: Einbau von funktionellen Gruppen (-OH, NH2, COOH, R-O-R, -SH), die intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen bilden können. -
Sterische Hinderung:
Einführung von sterisch anspruchsvollen Gruppen wie tert-Butyl, die die beweglichkeit einschränken -
Bioisostere Substitution:
Austausch einer funktionellen Gruppe durch eine bioisostere Gruppe, die ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften hat. Benzol vs Pyridin/ -CH3 vs -NH2 -
Flexibilitätsreduzierende Modifikationen:
Einbau von Doppelbindungen oder Triplebindungen, um die Rotationsmöglichkeiten zu reduzieren. -
Einführung von Koordinationsstellen:
Beispiel: Einbau von Chelatliganden, die Metallionen koordinieren können.
- Zeichnen Sie die Modifikationsvorschläge für die Untersuchung einer Hydroxy-Gruppe im Liganden basierten Design?
- 2 Modifikationen für Hydroxy und Carbonsäure in Liganden basierten Design zeichnen
- Ligandenbasiertes Design je 2 Modifikationen für Hydroxy und Carbonyl
- Zeichnen Sie jeweils 2 Modifikationen mit denen Sie die Interaktionen einer Hydroxy-Gruppe und eines Ketons im Liganden-basierten Design testen können. (4P)
- Amid in Liganden basierter Optimierung testen, zeichne 3 mögliche Strukturen?
- Jeweils 2 Tests in Ligandendesign um zu Testen ob Amid und Carbonsäure reagieren
- hydroxy+keton jewiels 2 modifizierungen nennen und zeichnen
- Carbonsäure liganden basierte Optimierung 3 Beispiele?
Liganden-basierte Optimierung generell:
- Liganden-Target-IA
- Sterische Komplementarität
- Lipophile
- Elektronische Ring-Eigenschaften
- Design Cycle
- Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (SAR)
- Liganden Metrics
Carbonsäure:
Alle Änderungen “entfernen” die Ladung -> Weil unter Physiologischen Bedingungen ist es decarboxyliert
Erklären Sie den Einfluss von (LogP) Lipophilie auf Permeabilität, Löslichkeit, metabolische Stabilität und Toxizität?
- Lipophilie und Permeabilität:
- Lipophile Moleküle durchdringen Zellmembranen (phospholipid. Doppelschicht) leichter als hydrophile Moleküle, da sie sich leicht in die Lipidschicht einlagern und durch passive Diffusion die Membran passieren.
- Erhöhte Lipophilie korreliert oft mit einer erhöhten Membranpermeabilität, Moleküle mit einem hohen logP-Wert haben oft eine bessere Zellmembranpenetration, aber achtung Molekül bleibt hängen bei zu hoher lipo. können polare Köpfe der Membran nicht mehr überwunden werden!
- Amiphile Molükle ideal fall hier
…………………………………………………………………… - Lipophilie und Löslichkeit:
- Log S(M) = 0,5 - 0,01x(MP - 25) - logP
- Lipophile Moleküle sind in Wasser ( polares LM) schlecht löslich
- Lipo.Mole tendieren dazu, in orgn LM oder Lipiden sich zu lösen
- ASt mit mit hohem logP-Wert oft geringe Wasserlöslichkeit, was BV beinflussen/ verringern kann.
- Lipophilie reduziren um Löslichkeit zu verbessern ( oder polare/ geladene Funktionelle Gruppen einbauen)
………………………………………………………………………………….. - Lipophilie und Metabolische Stabilität:
- Lipophile Moleküle werden in der Leber oft schneller metabolisiert, da der Körper versucht, sie durch Oxidation und Konjugation polarer und damit ausscheidbarer zu machen.
- Lipophile Moleküle sind Substrate für Cytochrom-P450-Enzyme, die sie in hydrophilere Metaboliten umwandeln.
- Höhere Lipophilie kann zu einer erhöhten Rate von Phase-I- und Phase-II-Metabolisierungen führen.
- ASt mit hoher Lipophilie haben oft eine kürzere Halbwertszeit aufgrund schnellerer/ höher Metabolisierung, was in in verminderten metabolischen Stabilität resultieren kann.
…………………………………………………………………….. - Lipophilie und Toxizität:
- Lipophile Moleküle neigen dazu, sich in Fettgeweben anzureichern ( vermin. Ausscheidung hier) , was zu toxischen Langzeiteffekten und erhöhter Toxizität führen kann.
- Lipophile Moleküle können die Blut-Hirn-Schranke leichter durchdringen, was das Potenzial für neurotoxische Wirkungen erhöht.
- Lipophile Verbindungen können in Zellmembranen eingebaut werden, was zu Membranschäden und zellulären Dysfunktionen führen kann.
- Vor allem bestimmte Substrukturen wie: elektronenreiche Aromaten, DB, Dreifachbindungen, Polychlorierte Biphenyle (PCBs)
Nennen Sie 5 Strategien, um den metabolischen Abbau zu minimieren: zeichne und erkläre wieso?
Design Strategien zur Verbinderung der CYP-Enzym-Metabolismus
* Lipophilie senken
- Regioisomere
- Blockade am Angriffsort
- Generelle sterische Blockade
- Entfernen/Austauschen von anfälligen Substrukturen
- Ring-Modifikationen
- Chiralität
- Konformation
R-Group Analyse und Matched Molecular Pair Analyse: Was versteht man darunter und in welchem Zusammenhang werden sie eingesetzt?
- R-Group Analyse:
- Einfluss der versch. Substituenten (R-Gruppen) testen, die am Gerüst (Core-Struktur) angebracht sind.
- Core Einheit Detektieren
- Struktureinheit bleibt fix und Substituenten variiren daran
- Unterschiedliche Substituenten zeigen dann unterschiedliche Effekte bezüglich der biologische Aktivität, physikalisch-chemische Eigenschaften und die Bindungsaffinität
……………………………………………………………………………………………………………. - Matched Molecular Pair Analyse:
- Methode in der zwei Moleküle verglichen werden die sich nur an einer strukturellen Veränderung unterscheiden.
- Bestimmung des Einflusses einer bestimment Transformation —> auf untersch. Aktivität testen, biologischen und phys-chem. Eigenschaften.
- Vorteil—> Aktivitätsänderung kann direkt mit der Strukturänderung in Verbindung gebracht werden
Zusammanhang: Sind Komplementäre Methoden zum Ableiten von Struktur-Aktivitätsbeziehungen und zur Optimierung von Leitstrukturen in der WSt entwicklung
Struktur basierte Optimierung: Welche Aspekte gibt es bei der Liganden/Target- Interaktion und sterische Komplementarität?
(Shape Interaktionen im Struktur-basierten Design? –> denke unglücklich formulierte Frage wollte Shape-Komplementarität wahrscheinlichen schreiben)
a) Liganden-Target-Interaktionen:
- Wie gut sind Interaktionen
- Können weitere Interaktionen gebildet werden
- Gibt es Interaktionen, die nicht ideal sind (Geoemtrie, Distanz, …)
- Electronic Repulsion?
- Gibt es Repulsive Interaktionen (zB OH in hydrophober Tasche schlecht für Affinität)
b) Sterische Komplementarität:
- Kann das Molekül in unausgefüllte Bereiche gebaut werden?
- Sind Räume nicht optimal gefüllt?
- Gibt es Molekülteile, die nicht mit dem Target interagieren und entfernt werden können?
- Gibt es sterische Clashes?
Wasseranalyse: Welche Auswirkungen hat Wasser bei Liganden/Target-Interaktionen?
-
Hydratisierung der Bindungstasche:
Wassermoleküle können in der Bindungstasche Wasserstoffbrückenbindungen eingehen und die Bindungsaffinität beeinflussen. -
Entropische und enthalpische Effekte:
Entropische Effekte: Verlust an Entropie bei der Bindung des Liganden durch Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Wassermoleküle.
Enthalpische Effekte: Bildung neuer WW zwi Ligand und Target kann energetisch günstig sein. -
Verdrängung von Wassermolekülen:
Verdrängung energetisch ungünstiger (unhappy) Wassermoleküle erhöht die Bindungsaffinität.
Verdrängung energetisch günstiger (happy) Wassermoleküle kann zusätzliche Energie erfordern. -
Stabilisierung der Bindung:
Wassermoleküle können als Brücken fungieren und die Bindung durch zusätzliche Wasserstoffbrücken stabilisieren. -
Hydrophobe Effekte:
Verdrängung geordneter Wassermoleküle durch hydrophobe Liganden führt zu entropischem Gewinn und stabilisiert die Bindung.
Wassermoleküle in der Bindungstasche können die Bindungsaffinität durch hydrophobe Effekte, Wasserstoffbrücken und Verdrängung energetisch ungünstiger Wassermoleküle positiv oder negativ beeinflussen.
