Transcripción Medicinal 28 agosto 2008Tatiana Sáenz – Marisela Ivankovich

Básicamente las últimas dos semanas hemos estado hablando de diana-receptor-fármaco-farmacóforo, herramientas computacionales, cómo se interrelaciona con la parte química que nos puede ahorrar tiempo y dinero.

Se entiende que si podemos establecer una correlación entre los fármacos, las dianas y las estructuras a través de estas herramientas computacionales podemos predecir la actividad biológica que tiene ese fármaco. Por lo general, de forma tradicional, se hacen primero pruebas in vitro y luego in vivo y se pueden hacer de los dos tipos, o sólo de uno, dependiendo de lo que los investigadores estén trabajando. No hay un orden lógico porque a veces hay confusión pues dicen que es mejor hacer primero pruebas in vitro para no lastimar un animal completo, en realidad va a depender de lo que se esté buscando. Si logramos predecir lo que va a suceder in vivo o in vitro y en realidad sucede lo que esperábamos se vuelve otra vez al principio y se vuelve a generar el ciclo completo.

Introducción a la química medicinal farmacéuticaLa química medicinal requiere conocimientos en fisiología, bioquímica,

química, física, farmacológica y técnicas instrumentales. Una secuencia de aminoácidos es la que se va a convertir posteriormente en una estructura diana la cual va a tener una conformación o estructura dependiendo de cómo estos enlaces peptídicos se van a organizar.

Ellos tienen ángulos específicos que dependen de la secuencia de aminoácidos y éstos van a predecir como va a ser la estructura. Entonces gracias al uso de Rayos X una computadora puede predecir como será la estructura secundaria o terciaria de una proteína.

En este caso se puede graficar una alfa hélice o una lámina beta y estas son las representaciones que posteriormente van a conformar dependiendo de la complejidad de la secuencia de aminoácidos y el peso molecular de la proteína vamos a pasar de una estructura primaria a una estructura secundaria o terciaria y cuando son dos complejos como ellos interaccionan van a ser lo que se conoce como una estructura cuaternaria.

En una estructura primaria se pueden ver los aminoácidos según el orden en que aparecen (por ejemplo aminoácidos 1, 2, 3, 4,…,300) y ya en una estructura secundaria o terciaria aminoácidos que no están a la par en la cadena pueden estar cerca unos de otros y formar sitios de unión que se conocen como bosillos (que por ejemplo podrían estar formados por aminoácidos 2, 14, 27 y 278).

Como ejemplo se tiene el AMP cíclico interaccionando con su diana en las distintas formas: puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones iónicas entre otras. Y estos son los aspectos que van a estar involucrados cuando se habla de interacciones con la diana. Todas estas interacciones entre el fármaco y la diana van a crear nuevos enlaces, pueden ocurrir reacciones químicas y evidentemente tanto el fármaco como la diana van a sufrir un cambio conformacional que se va a traducir en un proceso biológico.

Entonces un receptor es una fracción estructural de un biopolímero (que puede ser una enzima, un ácido nucleico, un canal iónico entre otros) cuya interacción con una molécula endógena o exógena se traduce en una respuesta biológica, generalmente consecuencia de una sucesión de fenómenos bioquímicos. Estos receptores pueden

estar en la pared celular, intracelularmente o en el núcleo dependiendo de las características de la sustancia. Si es en la membrana va a tener características similares a la membrana celular o si es intracelular o nuclear la sustancia va a necesitar de un transporte activo o no para poder atravesar la membrana. En el caso de enzimas que se encuentren en el citosol vamos a hablar en términos de sustrato y enzima. Si admitimos que la respuesta biológica es una consecuencia de una reacción entre la diana y un fármaco, debe existir, necesariamente, una complementareidad entre ambos, luego puedo considerar que la respuesta biológica es en realidad función de un conjunto de propiedades de las moléculas reaccionantes, que convenientemente interpretadas explicarán de manera objetiva esta respuesta.

El empleo de herramientas computacionales en el desarrollo de nuevos fármacos

Es obvio que a raíz del desarrollo de estas herramientas entender las propiedades electrónicas, estéricas o hidrofóbicas de una molécula o receptor usando técnicas computacionales y obviamente la capacidad de poder verlas en tercera dimensión es de interés para el estudio y desarrollo de nuevos fármacos. El modelaje molecular es un conjunto de técnicas que permiten el análisis, estudio y determinación de las propiedades de las moléculas, facilitando la comprensión de su reactividad y el diseño de nuevas entidades moleculares en la que se optimicen los objetivos que han motivado el mismo. Estas técnicas nos dan una visión de cómo va a ser la molécula en 3 dimensiones; o sea vamos a poder ver varias variables físico químicas en la representación. Se pueden ver varios casos como el paracetamol, el benceno y el ciclohexano. Se debe tener en cuenta que la estereoquímica se mantiene.

Como podemos ver los átomos de Oxígeno son representados en color rojo y los de nitrógeno en color azul mientras que los de carbono en color blanco. Existen algunas representaciones:

1. Cuando son en esferas se llaman Modelos CPK en los cuales los átomos son representados mediante esferas, con un radio proporcional al de van der Waals, secantes entre ellas para que las distancias entre ellas sean proporcionales a las distancias de enlace. Lo que hace el programa es calculas la interacciones entre los diferentes átomos y busca la conformación más estable, por ejemplo la fenacetina va a estar en esta conformación más tiempo que el que estaría si girara algún enlace.

2. Modelos Dreiding: segmentos que representan los distintos enlaces de la molécula. Varillas que se unen con unas piezas que, por su forma, proporcionan los ángulos adecuados entre los distintos enlaces.

Los modelos Dreiding y CPK son modelos físicos, tienen ángulos fijados, no dan idea del volumen real, no informan de propiedades electrónicas ni superficiales y permiten la rotación.

3. Modelos mixtos que dan una idea del volumen para tener una idea de los ángulos y de la posible conformación de la molécula.

4. Modelos simulados por técnicas informáticas: posibilidad de visión estereográfica en donde todas las moléculas tienen una inclinación de 5-12° lo que permite al cerebro verla en tres dimensiones.

Si queremos hacerlo más complejo podemos ver una macromolécula en la cual hay secuencias de aminoácidos que están interactuando entre si (nunca hay que dejar de pensar esto y verlo como un dibujo plano como lo representan en los libros).

Otra forma de representar las macromoléculas es en forma de cintas y tubos que simplifican las macromolécula y se pueden ver secuencias y como se estabiliza la molécula.

Y se pueden ver de forma más sencilla como la figura anterior o en forma más compleja que muestra los puentes de hidrógeno y otras interacciones.

La idea es lograr predecir la conformación que presenta la molécula en el cuerpo. Lo que realizan estos software es un cruce aleatorio dependiendo del número de variables que uno le introduzca (Temp, Presión, Humedad). La única manera de obtener una estructura real es producir grandes cantidades de la proteína y por peso molecular se obtiene su estructura y si se puede cristalizar es excelente. Pero esto dura mucho más tiempo.

Modelización Molecular

Construcción de modelos moleculares tridimensionales, análisis de posibles conformaciones con sus energías asociadas, calculadas por mecánica molecular y obtención de propiedades derivadas de la función de onda molecular, por cálculos de química cuántica.

¿Por qué necesitamos hacer estos modelos 3D?Es obvio que nos ayuda a entender el comportamiento molecular tanto de la diana como del fármaco. Nos aportan datos que nos orientan en el diseño del fármaco, en el diseño de la síntesis y nos ayudan a entender su reactividad. Nos ayudan a entender el comportamiento biológico de nuestra herramienta de trabajo, los fármacos y su interacción con la diana biológica. Es obvio que es una herramienta muy importante a la hora del diseño de fármacos. Básicamente la parte más importante siempre va a ser observación y predicción entonces en un proceso de desarrollo computacional o de nuevos fármaco siempre va a haber experimentos reales para comparar lo que sucede en el simulador y lo que sucede en la vida real para poder ajustarlos. Pero lo más importante es introducir las variables correctas para poder predecir lo que va a ocurrir.

No olvidemos los conceptos básicos de isómeros conformacionales e isómeros configuracionales.

Debemos entender las propiedades químicas que van a influir en la estructura molecular de un fármaco. Es muy importante la solubilidad debido a que muchas moléculas y fármacos no son solubles y hay que formar sales lo cual permite purificar el fármaco y que sea soluble en agua (El Dr. dice que él si va a hacer mucho hincapié en solubilidad y formación de sales). De las propiedades biológicas la actividad es la más importante pero por igual la toxicidad (que no tenga grupos funcionales que vayan a ser tóxicos), la biotransformación se refiere más a lo que son profármacos y la farmacocinética también es importante.

Empleo de herramientas de síntesis orgánica: Desarrollo de novedosos fármacos

Sería la parte de química y estrategias para el desarrollo de fármacos. Es importante tener en cuenta que el número de pasos va a estar relacionado, en rendimiento medio para la síntesis se busca tener el mínimo de pasos para esta, el ideal es tener dos o tres pasos de síntesis con un rendimiento medio alto. Los rendimientos van a estar correlacionados con los costos.

Entre las estrategias para el desarrollo o síntesis se pueden tener estrategias lineales (que son las clásicas donde llegamos al compuesto partiendo de una cantidad mayor de materia prima y se llega a un tamaño mucho menor del producto buscado) o estrategias convergentes (parte de menores cantidades pero como se unen, las moléculas van aumentando tanto tamaño de molécula como peso molecular y se obtiene un mayor rendimiento)

Por ejemplo se puede partir de benceno y agregar una cadena lateral bastante grande y el rendimiento es bueno, se va a aumentar el PM del producto final. Es por esto que es importante tener manejo de los grupos funcionales e identificar la función de los reactivos reductores o reactivos para proteger; así como el conocimiento de reacciones básicas.

Para síntesis se debe de tener: 1) Manejo de las herramientas sintéticas:

a. Conocimiento de los grupos funcionales. b. Conocimiento de los reactivos. c. Conocimiento de los mecanismos de las reacciones

2) Manejo de las herramientas de laboratorio3) Manejo de las herramientas de elucidación estructural, para esto se tienen

una combinación de técnicas que siempre son importantes como: UV, infrarrojo, resonancia magnética nuclear (protones, carbonos), detector de masas (fragmentos y da idea de esqueleto básico del farmacóforo) o con HPLC. Identifico compuestos conocidos.

4) Manejo de las técnicas de modelización molecular. a. Para el diseño de las nuevas moléculasb. Para el diseño de las síntesis.

Básicamente sería recolectar evidencia según la técnica tradicional en la cual se busca: análisis de molécula objetivo, estudio de las síntesis de moléculas ya descritas, análisis de los reactivos que intervienen, análisis de los mecanismos de las reacciones que tienen lugar.. Si las evidencias van en un mismo punto sin contradecirse estamos en presencia de la molécula que queremos (si la evidencia dice que tenemos cola de perro, pelo de perro, pata de perro, boca de perro, es un perro!). Es decir las evidencias tienen que ser consecuentes sin contradecirse, las evidencias que se recolecten no deben de tener ambigüedades y si existen se deben de buscar análisis que anulen las ambigüedades. Entre algunas de las cosas que se tienen que tomar en cuenta son:

- Rupturas de enlaces y su influencia en los mecanismos como lo es la homólisis y heterólisis.

- La electronegatividad, pues dependiendo de que tan electropositivo es o no un grupo en las moléculas esto puede hacer que fluyan o no más rápidamente las reacciones o que la diana interaccione con él. En el caso del oxígeno hay que tenerlo en cuenta

- Las sustituciones nucleofílicas pueden ocurrir y dar un cambio conformacional o no del carbono dependiendo si es SN1 o SN2

- Hacer análisis de reactivos de carbonos ya sea por efecto inductivo o inductivo y resonante. Se debe de tomar en cuenta los carbonos que son electrofílicos pues ellos de alguna forma atraen electrones y hacen que las

moléculas sean reactivas, en una estructura donde se tengan muchos carbonos.

- Se deben hacer análisis de reactivos con carbonos electrofílicos. Es obvio que si se tienen buenos grupos salientes como cloro, bromo o yodo, se puede hacer que la molécula interaccione pues tiene buenos grupos salientes. En algunos casos ellos pueden aportar también alguna deficiencia de electrones donde nosotros queremos que la diana interactúe.

- Pueden existir grupos metilos que pueden desorganizar las cargas y hacer que el carbono reaccione. Por situaciones de conjugación y deslocalización. (revisar la presentación xq al Dr. No se le entiende bien lo que se refiere)

- Pueden darse competencia entre el grupo nucleofílico dependiendo del grupo saliente. En estos dependiendo si hay perdida de agua puede haber una adición o una eliminación.

- Si se considera la estabilidad se pueden dar isómeros, que son estructuras diferentes y depende cual se forme según la estabilidad del producto.

- Se debe tener un control cinético en las reacciones, utilizar catalizadores. - Las acilaciones son reacciones útiles pues puedo realizarla y reducir a un

alcohol y poder crear puentes de hidrógeno. Siendo este un mecanismo para aumentar la reactividad de algún fármaco que no la tenga.

Básicamente la estrategia de síntesis va a ser tener la molécula ya conocida su estructura, y buscar como se realizan desconexiones para tratar de sintetizarla, es decir buscas un análogo mucho más sencillo.

Otras aproximaciones para diseño de fármacos son: 1) Indirecta: teniendo la diana, y conociéndola construir el fármaco; teniendo un

diseño de fármacos indirecto en donde se conoce la diana y las interacciones del ligando con esta, se realizan estudios en 3D y se da la deducción de que elementos estructurales son necesarios para la actividad biológica (diseñar el fármaco).

2) Diseño directo: Se conoce la diana biológica, y el efecto interacción ligando-diana biológica. Se realiza el estudio 3D interacción ligando y se diseñan ligandos que mejoren la interacción por medio de aumento de potencia y especificidad u optimización líder. “El Dr. Dice que en el examen debemos poder hacerlo, pues el nos va a dar la diana y sus características, como análogos que aumentan a grupos funcionales en ciertas posiciones, si tienen actividad biológica y con base a eso se diseña el fármaco”

3) Es obvio que para la diana es importante la clonación, expresar el ADN, purificar proteínas y cristalizarla para con rayos X tener una idea clara de la diana y entenderla. Se pueden hacer cálculos computacionales que dan datos muy cerca de lo que es la realidad y por cálculos empíricos se puede llegar a entender la diana. Siempre son complementarios análisis de resonancia magnética nuclear y difracción de rayos X para poder llegar a validar el modelo.

La diana en si va a tener centros lipófilos, zonas aceptoras de electrones, así como donadoras, centros donde se pueden dar intercambios de iones y demás.

FARMACÓFORO:

- Parte del Fármaco o esqueleto que no se puede modificar para mantener la actividad biológica.

- Es un esqueleto molecular que transporta los elementos que son necesarios de un compuesto que tenga una actividad biológica determinada.

- Ordenamiento tridimensional de elementos que confieren unas características tales a la molécula o al compuesto que se puede relacionar objetivamente con su actividad.

- Elemento estructural de un fármaco, llámese grupo o grupos funcionales, que le permite a la molécula ejercer la actividad biológica deseada sobre un receptor específico, la remoción de este elemento conduce a la perdida de la actividad biológica.

El Sr. Lipinski estableció basándose en aproximadamente 6000 fármacos observando sus características fisicoquímicas y estableció lo que se llaman algunas reglas básicas, se cumplen como en un 80%. Si se va a diseñar un fármaco este debe de tener:

- Nº de dadores de electrones o enlaces de hidrógeno menores a 5- Nº de aceptores de enlaces de Hidrógeno menores a 10 - Log P menor a 5- Peso molecular menor a 500- Hay excepciones con los sustratos de transportadores y los productos

naturales.

Otra forma de análisis de ver interacción de un farmacóforo que está siendo diseñado es por medio de modelos computacionales realizar superposición de este solo y luego con la diana ver como interaccionan y como es su distribución y tener una idea de cómo se distribuye la molécula con su diana.El concepto de docking es la disposición espacial adecuada de un determinado número de grupos funcionales que es suficiente para alcanzar la actividad biológica. Se trata de hacer interaccionar el fármaco con la diana y a este algoritmo o información que se genera se le llama docking o Dock. El objeto es crear nuevas moléculas ya establecidas estas interacciones con la diana que puedan disponer de estos elementos o grupos funcionales que se descubran y posteriormente sintetizar. Es un método minimalista y simplista. Ejemplo: Fenacetina, primero se debe saber determinar cuál es su esqueleto carbonado, su tipo, tamaño y número de átomos, si existen o no anillos aromáticos alifáticos, su volumen o tamaño, grupos funcionales, acción, etc.

La otra parte sería partiendo de un esqueleto carbonado establecido y se hacen modificaciones para poder alcanzar.

** Para el caso de lidocaína en particular se realizan las inyecciones en soluciones muy aceitosas, la lidocaína tiene protones acídicos que pueden interaccionar con antibióticos para formular adecuadamente inyecciones. Existen formulas farmacéuticas en donde los antibióticos son cristalizados por nanotecnología de tal forma que le cuesta mucho al cristal no estar soluble y mantenerse estable “como flotando” para que la lidocaína no le haga nada, esto por laboratorios mucho más sofisticados. Es importante saber la relación que se tiene entre las estructuras para que no vayan a perder su actividad biológica, mecanismo de acción y metabolismo. La nanotecnología es muy útil y tiene como beneficio que no se necesitarían usar agente suspensores pues la gravedad no las afecta al ser partículas tan pequeñas. Y asegurarnos la dosis exacta siempre se encuentra en la solución. **

Para productos NATURALES se puede realizar por medio de mimetización tomando como patrón estructural la molécula activa de origen natural diseño de nuevas entidades moleculares con igual perfil biológico, osea a partir de ella se imita y se trata de mejorar actividad biológica. A esto se le conoce como síntesis parcial, pues se utilizan sustancias naturales que pueden venir de plantas, animales o microorganismos. Aquí la parte biotecnológica entra a jugar un papel importante. Todos los antibióticos macrólidos de hoy en día se realizan por biotecnología (cefalosporina y penicilina se producen por inyección de secuencias de ADN a las bacterias para q produzcan los antibióticos).