Computer in Medicinal Chemistry: Molecular Modelling, Docking, De Novo Drug Design

Analisi Conformazionale del Butano

La terza è la struttura eclissata a 120° (C) in cui c'è un massimo energetico locale, cioè il livello energetico si rialza in quanto CH3 del C2 è eclissato con un idrogeno di C3 e CH3 del C3 è eclissato con un idrogeno di C2. La repulsione c'è ed è forte, ma non così forte come quella relativa all'eclissamento del CH3 con un altro CH3. La quarta è la struttura sfalsata a 180° (D) in cui c'è un minimo energetico globale, in quanto il CH3 di C2 è alla massima distanza possibile dal CH3 di C3. La repulsione è minima. Se si analizza il butano in totale, questa analisi conformazionale viene fatta per tutti i legami rotabili. Per i composti di natura ciclica l'analisi conformazionale può essere fatta per tutti i legami rotabili (sedia > barca > sedia rovesciata).

Modellazione Molecolare

Nei software di chimica computazionale vengono generalmente utilizzati dei programmi che si basano su leggi della fisica:

• Leggi della meccanica molecolare > un composto chimico viene semplificato trattando gli atomi come se fossero delle sfere e i legami come se fossero delle molle. Con la meccanica molecolare si studiano le variazioni degli angoli di legame, le vibrazioni, le repulsioni steriche (quando ci si riferisce a C2 e C3 che si respingono) e torsionali (quando ci si riferisce ai sostituenti del C2 e del C3). Nella meccanica molecolare non vengono considerati gli elettroni, ma solo gli atomi e i legami. Le interazioni, le vibrazioni e le energie dovute allo stretching e al bending dei legami, agli angoli diedri e alle torsioni steriche e torsionali sono tutte inglobate nel cosiddetto campo di forza (force field). In base ai vari sostituenti, alla loro natura e alla loro elettronegatività ci sono dei valori tabulati di questi parametri che il computer utilizza per studiare il campo di forza delle molecole.
• Leggi della meccanica quantistica > studio strutturale più accurato in cui gli atomi vengono considerati fissi e vengono considerati gli elettroni, che si muovono molto più velocemente rispetto agli atomi.

I software che utilizzano la meccanica quantistica sono molto dispendiosi in termini computazionali. I metodi della meccanica quantistica si dividono in due categorie:

• Ab initio > è il metodo più accurato possibile, in quanto non fa riferimento a nessun valore tabulato ma la molecola viene studiata da zero considerando tutto quel che è relativo al movimento elettronico. Ogni molecola viene considerata come una entità a sé stante.
• Semi-empirici > i metodi semi-empirici utilizzano valori tabulati, quindi i calcoli sono più semplici ma sempre più complessi rispetto a quelli della meccanica molecolare.

Il fattore che guida nella scelta di un metodo da seguire per studiare la molecola da un punto di vista computazionale associato alla farmaceutica è la complessità della molecola stessa. Se la molecola è molto piccola (composta solo da 15-20 atomi) si possono utilizzare metodi quanto meccanici ab initio. Se si vuole fare uno studio di quanto meccanica su una molecola di 50-100 atomi si possono utilizzare i metodi semi- empirici. Se la molecola è molto grande, come un prodotto naturale, è conveniente scegliere metodi di meccanica molecolare. I computer e i software della meccanica quantistica aiutano molto ma non si riescono ancora a gestire facilmente le proteine e si devono inoltre fare delle grosse approssimazioni per poterle analizzare in un tempo umano. La dinamica molecolare studia movimenti nell'ordine del femtosecondo e del nanosecondo, che però impiegano molto tempo (ci vogliono mesi per ottenere un microsecondo di dinamica molecolare).Studi che si possono fare con meccanica molecolare e meccanica quantistica:

Meccanica Molecolare

• Energy minimizaition
• Identifying stable comformations
• Energy calculations for specific comformations
• Generating different conformations
• Studying molecular motion

Metodi Quantomeccanici

• Molecular orbital energies and coefficients
• Heat of formation for specific conformations
• Partial atomic charges calcualted from molecular orbital coefficients
• Electrostaic potentials
• Dipole moments
• Transition state geometries and energies
• Bond dissociation energies

Disegno di Strutture Chimiche

Quando ci si interfaccia ad un computer per fare uno studio di chimica computazionale associato alla chimica farmaceutica si utilizzano dei programmi di scrittura come ChemDraw e ChemWindow. Con questi programmi si possono svolgere molte operazioni: generare nomi IUPAC, predire caratteristiche chimico-fisiche come punto di fusione o punto di ebollizione, vedere spettri di risonanza magnetica secondo l'idrogeno o secondo il carbonio.

Strutture 3D

La molecola che viene disegnata può poi essere convertita in una struttura molecolare 3D utilizzando altri software come Chem 3D.

Minimizzazione Energetica

Dopo aver generato la molecola, questa deve essere trasferita nei programmi di chimica computazionale per fare uno studio della molecola o uno studio dell'interazione tra questa ed un'altra molecola. La prima cosa da fare, quindi, è studiare il suo contenuto energetico e non è detto che la molecola sia stata disegnata bene, perché magari nello spazio si dispone diversamente. Si deve processare la molecola utilizzando dei programmi adatti che vanno ad aggiustare tutte le sue proprietà come gli angoli di legame, lunghezza dei legami, angoli diedri, ecc. Questo processo si chiama minimizzazione energetica > la molecola nello spazio (nel vuoto o in un solvente) acquisisce la conformazione più stabile possibile, quella che ha il contenuto energetico minore (nel caso del butano la conformazione D). Nei processi di minimizzazione energetica la molecola che è stata precedentemente disegnata ha un contenuto energetico abbastanza alto. I software aiutano ad ottenere delle conformazioni con un livello energetico più basso, e quindi più stabili, facendo delle variazioni nella lunghezza di legame e negli angoli di legame uno per uno e ottenendo così il minimo energetico.

Proprietà Molecolari

La minimizzazione energetica della molecola permette di iniziare a lavorare dal punto di vista computazionale, perché il minimo energetico è la conformazione in cui la molecola passa più tempo. Se si vuole far cambiare questa conformazione si deve fornire energia scaldando ad es. la molecola. Per fare uno studio più accurato della molecola, si vanno a studiare anche altre proprietà oltre all'angolo di legame e alla lunghezza di legame: si studiano proprietà relative agli elettroni e alla superficie della molecola, come le cariche parziali degli atomi.

0.023 0.024 0.086 0.111 0.023 0.425 0.047 0.167 HN N N -0.289 NH2 -0.109 N 0.058 0.040 0.111 N 0.040 0.009 -0,467 0.033 0.024 0,026 0.089 0.025 0.041 .0.586 0.427 -0,167 N N -0.084 0.109 HN- 0.107 0.040 0.041 N 0.057 N 0.010 -0.466 0.109 NH 0.032Nell'istamina non protonata è presente un azoto con un 8- perché è più elettronegativo del carbonio e dell'idrogeno e tirerà a sé gli elettroni degli atomi vicini. A livello fisiologico questo azoto è protonato e diventa 8+. Questo tipo di studio però è statico e nella vita reale non è sempre questa la situazione. Nella vita reale, intorno alla molecola si genera una sorta di superficie che può essere visualizzata se si passa dalla rappresentazione ball and stick a quella delle superfici di Van der Waals.

Potenziale Elettrostatico Molecolare per l'Istamina

Passando alle superfici di Van der Waals si iniziano a considerare non solo lo spazio che occupano gli atomi e i legami, ma si considera la molecola in generale prendendo in esame anche gli elettroni. Intorno alla molecola c'è una superficie occupata dalla molecola stessa, in quanto ha intorno elettroni che si muovono. Questo contorno molecolare è carico parzialmente o totalmente positivo in alcuni punti, carico parzialmente o totalmente negativo in altri punti, sarà più o meno idrofobico in base alla composizione atomica della molecola. Questo è visibile dalle mappe di potenziale elettrostatico, dove le zone rosse rappresentano le cariche negative, le zone celesti le cariche positive, le zone verdi rappresentano zone neutre ma più idrofobiche (perché non ci sono COOH liberi). La superficie è importante perché è quella che андrà ad interagire con il sito attivo.

fluorobenzoyl indole fluorobenzoyl indole La ketanserina è una molecola F bioattiva ottenuta da una libreria di composti simili F strutturalmente che sono stati Electron-deficient ZI fluorobenzoyl system saggiati. La ketanserina Ketanserin. presentava però un'attività HOMO LUMO anomala perché era troppo HOMO and LUMO molecular orbitals (dot surfaces) for the indole/fluorobenzoyl complex. attiva rispetto alle altre e charge transefer questo non era spiegabile considerando semplicemente le interazioni del tipo legami idrogeno. Quello che poteva spiegare questo tipo di attività era una interazione più forte, ad es. un legame salino. La zona della molecola altamente lipofila (indicata in blu) non può fare legami estremamente forti ma può fare al massimo pi-stacking o legami idrogeno. Questo è dovuto al fatto che il fluorobenzene interagisce con un triptofano, che possiede una porzione indolica (porzione piatta con elettroni It delocalizzati che possono fare pi-stacking). Questo però non spiega un incremento dell'attività per cui, tramite quanto meccanica, è stato possibile studiare la superficie della molecola, i suoi elettroni e soprattutto sono stati definiti gli orbitali molecolari del complesso fluorobenzene-triptofano (molecola e sito attivo). Quindi, si riscontrava questa attività aumentata rispetto agli altri derivati simili strutturalmente perché il triptofano fungeva da HOMO (perché molto carico di elettroni) e il fluorobenzene da LUMO (perché il fluoro tira a sé gli elettroni). Questa interazione è rilevante perché è come se si sovrapponessero l'HOMO e il LUMO e si generasse un legame. Negli altri derivati, la quanto meccanica riusciva solo a vedere che il triptofano fungeva da HOMO e da LUMO e quindi non si generava un legame addizionale ma rimaneva l'interazione pi-stacking normale. N.B. > HOMO è l'orbitale occupato a più alta energia e il LUMO è l'orbitale non occupato a più bassa energia. Quando HOMO e LUMO si incontrano si genera un legame, perché HOMO cede a LUMO. La superficie molecolare, quindi, è importante da un punto di vista sterico (se si parla di meccanica molecolare) ma è anche importante dal punto di vista di orbitali molecolari (se si analizza il sistema con la quanto meccanica).