1 STEREOHEMIJA STEREOHEMIJA I I BIOLO BIOLOŠKA 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 hiralan centar (predmet i lik u ogledalu). Ista molekulska formula ali različit položaj u prostoru IZOMERIJA POLOŽAJA IZOMERIJA FUNKCIONALNE GRUPE STRUKTURNA IZOMERIJA STEREOIZOMERIJA IZOMERIJA NIZA IZOMERIJA POLOŽAJA KONFORMACIONA IZOMERIJA STRU STRUKTUR TURNA I A IZOMERI OMERIJA JA NIZA različito organizovan skelet ugljenikovih atoma slične hemijske osobine mala razlika u fizičkim osobinama (gustina, T k ) razgranatiji niz = niža temperatura ključanja Ista molekulska formula ali različita strukturna C 4 H 10 BUTAN 2-METILPROPAN - 0.5°C - 11.7°C POLOŽAJA isti skelet ugljenika ista funkcionalna grupa funkcionalne grupe su u različitom položaju slične hemijske osobine i malo različite fizičke 2 2 1 2 1 2 3 PENT-1-EN PENT-2-EN 1 2 2 1-HLORBUTAN 2-HLORBUTAN NIJE 3-HLORBUTAN ALI ! 1,2-DIHLORBENZEN orto dihlorbenzen 1,3-DIHLORBENZEN meta dihlorbenzen 1,4-DIHLORBENZEN para dihlorbenzen
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
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,
-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
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
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
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
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
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)
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.
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
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
1.Kiselo-bazne osobine lekova
2.Lipofilnost lekova
3.Rastvorljivost lekova
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.
• 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
σ paraσ metasupstituent
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
σ paraσ metasupstituent
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:
-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).