Inl. tot de medicinale chemie
Hoofdstuk 2: Drug-target interacties
1. Introductie
Algemeen
Doelwitten van GM zijn macromoleculen (receptoren, enzymen, ionenkanalen…) meestal
eiwitten!
GM zijn meestal veel kleiner dan hun target
GM interageert met doelwit door te binden aan bindingssites
Bindingssites zijn typische hydrofobe pockets op het oppervlak van macromoleculen
- Macromoleculen bevinden zich in waterig milieu
- Bindingssites zijn vaak hydrofobe/lipofiele AZ’en die zich meer aan binnenkant van
macromolecule bevinden
Bindingsinteracties omvatten typisch intermoleculaire bindingen tussen functionele groepen
Meeste GM zijn in evenwicht tussen gebonden en ongebonden toestand
- Hoe meer GM er gebonden is aan bindingssite, hoe hoger de affiniteit
Bindingsgroepen = Functionele groepen op het GM die betrokken zijn bij de
bindingsinteracties
Bindingsregio’s = Specifieke regio’s in de bindingssite die betrokken zijn bij de
bindingsinteracties
Induced fit = Door bindingsproces zal er een aanpassing van de structuur gebeuren zodat
klein molecule goed past in de bindingsplaats zowel conformatieverandering van
bindingssite als van GM
- Bindingsite zal aangepast worden (vorm)
- Doelwit zal aangepast worden (vorm)
- Belangrijk voor farmacologisch/biologisch effect van GM
2. Interacties
Algemene basiseigenschappen
Bestudeerd a.d.h.v. 3D-structuren van proteïne-ligand complexen en bindingsaffiniteiten
- Proteïne = doelwit
- Ligand = kandidaat GM
- Bindingsaffiniteit kan zwak of sterk zijn
- Basiskenmerken van moleculen met een hoge affiniteit bepalen
Pagina 1 van 279
,3 basisvoorwaarden
Sleutel-slot paradigma/model = Hoog niveau van sterische complementariteit tussen het
proteïne en het ligand → Het moet bij elkaar passen
- Sleutel = Klein molecule → GM
- Slot = Macromolecule → Doelwit
- Induced fit is maar een kleine verandering die is toegestaan
Hoge complementariteit van oppervlakte eigenschappen (fysicochemische eigenschappen)
tussen proteïne en ligand
- Lipofiel – lipofiel
- Polair – polair vb. 2 positieve ladingen stoten elkaar af
- Preservatie van H-binding geometrie → H-bruggen moeten de juiste afstand en hoek
hebben
- GEEN repulsieve/ afstotende interacties
Liganden binden in een energetisch gunstige conformatie (laag energetisch niveau)
- Er moet een goede affiniteit zijn wanneer het GM zich in een energie-gunstige
conformatie bevindt
Intermoleculaire interacties
Covalent
Komen minder voor/beperkt gebruik
Meestal niet aanwezig bij drug-target interacties
- Uitzondering: Irreversibele enzym inhibitoren, DNA alkylerende reagentia (toxisch/
antikanker)
Bindingssterkte: 200 – 400 kJ/mol
- C-C binding: 346 kJ/mol ; 1,54 Å
Heel sterke binding: Kan niet verbroken worden
- GEEN evenwicht als het gebonden is, zal het niet meer lossen
Andere intermoleculaire krachten kunnen gevormd en terug verbroken worden
- Evenwicht tussen gebonden en ongebonden GM aan doelwit
Niet-covalente interacties
Evenwicht en bindingsaffiniteiten:
Evenwichtsconstante/snelheidsconstante:
KA = Associatieconstante
KD = Dissociatie constante (voor receptoren)
KI = Inhibitie constante (voor enzymen/katalysatoren)
Zijn allemaal aan verwant met elkaar
KA = KD-1 = Ki-1 = [D-T]/[D].[T]
Gibbs vrije energie:
- ∆G° = -RT.ln(KA) = ∆H° - T.∆S° (R = 8,314 J/(mol*K)
- ∆H = entropie = wanorde
- ∆S = enthalpie = som inwendige energie en volumetoestand van systeem
Pagina 2 van 279
,Bindingsaffiniteiten:
KD en Ki liggen in de range van:
- 10-2 M = zwakke binding/affiniteit weinig potent GM
- 10-12 M = sterke binding/affiniteit heel potent GM
- 10-9 M = gewenste affiniteit
Zwakke binding: ∆G° = -11,9 kJ/mol bij T=37°C
Sterke binding: ∆G° = -71,2 kJ/mol bij T=37°C
Om bindingsaffiniteit met 1 orde van magnitude te laten toenemen (10x):
- ∆∆G° = 5,94 kJ/mol = 1,42 kcal/mol → 1 kcal = 4,184 kJ
In Drug Discovery Programs:
- Van initiële hit (10-5 = 10 µM) naar geoptimaliseerde lead (10-9 = 1 nM) 10-4 verschil
- ∆∆G° = 23,8 kJ/mol = 5,68 kcal/mol 4x6kJ/mol bijwinnen
Elektrostatische interacties:
= Aantrekkingskracht tussen 2 tegengestelde ladingen → volledige of partiële ladingen
(partiële ladingen zijn het meest voorkomend)
Lading-lading interacties of ionaire bindingen
Sterkste van de intermoleculaire bindingen 20-40 kJ /mol
- Nettowinst van 1 interactie kan te niet gedaan worden door interacties
op andere plaatsen NOOIT volledige nettowinst!
- Afhankelijk van pH fysiologische pH = 7,4
Vindt plaats tussen groepen met tegengestelde lading
Sterkte van ionaire interactie is omgekeerd evenredig aan afstand tussen 2 geladen groepen
- Hoe kleiner de afstand, hoe sterker de interactie
Sterke interacties komen voor in hydrofobe omgeving → zie formule voor verklaring
- Di-elektriciteitsconstante ε:
Hoe meer hydrofoob de omgeving is, hoe kleiner ε, hoe lager de energie van een
ionische interactie
Wet van Coulomb
Sterkte van de interactie daalt minder snel i.f.v. afstand dan bij andere intermoleculaire
interacties
Ionaire bindingen zijn de meest belangrijke initiële interacties wanneer een GM de
bindingsite betreedt eerste interactie die zal plaats vinden, omdat het over een grote
afstand werkt
Pagina 3 van 279
, Ionen in macromoleculen: proteïnen:
Eiwitten bestaan uit AZ lading van AZ’en is afhankelijk van pH
α-amines (pKa = 9,60) zijn minder basisch dan andere primaire amines (pKa = 10,5)
- REDEN: Inductief elektronen wegzuigen door carbonyl (-COO-) dichte nabijheid van
carbonyl betere stabilisatie van negatieve lading door aminogroep
- Zelfs nog groter bij ethyl ester → minder elektronendichtheid rond N-atoom
α-carboxylzuren zijn zuurder dan andere carboxylzuren (pKa = 4,76)
REDEN: Inductief elektronen wegzuigen door geprotoneerd amine
In proteïnen: zowel amines, als carbonzuren zijn betrokken in amidebinding NIET geladen,
WEL in de zijketens!!
- Amidebinding bevat dubbelbindingskarakter
pKa vgl met pH:
- Indien pKa = pH 50% is geladen, 50% is neutraal
- Indien pKa en pH een verschil hebben van 2 zo goed als 100% geladen
Aspartaat en glutamaat
zijn 2 sterke zuren
inductief zuigend
effect daalt Cysteïne en tyrosine
minder zuur door zijn neutraal
grotere afstand tussen
amine en carbonyl
Lysine en arginine zijn
Histidine = twijfelgeval 2 zeer sterke basen
afhankelijk van situatie
pKa-waarden zijn afhankelijk van micro-omgeving!!
- pKa van zuren:
o Toename in hydrofobe en negatieve omgeving
o Daling indien zoutbruggen gevormd kunnen worden
- pKa van basen:
o Afname in hydrofobe en positieve omgeving
o Toename indien zoutbruggen gevormd worden
Ionen in macromoleculen: DNA & RNA:
Ionen in macromoleculen: DNA en RNA:
- Nucleosiden zijn niet geladen bij pH 7,4 onvoldoende zuur/basisch
- Fosfaatbrug tussen nucleoside zullen wel negatief geladen zijn!! → Mono-anionen
(pKa H3PO4 = 2; 7 en 14)
Pagina 4 van 279
Hoofdstuk 2: Drug-target interacties
1. Introductie
Algemeen
Doelwitten van GM zijn macromoleculen (receptoren, enzymen, ionenkanalen…) meestal
eiwitten!
GM zijn meestal veel kleiner dan hun target
GM interageert met doelwit door te binden aan bindingssites
Bindingssites zijn typische hydrofobe pockets op het oppervlak van macromoleculen
- Macromoleculen bevinden zich in waterig milieu
- Bindingssites zijn vaak hydrofobe/lipofiele AZ’en die zich meer aan binnenkant van
macromolecule bevinden
Bindingsinteracties omvatten typisch intermoleculaire bindingen tussen functionele groepen
Meeste GM zijn in evenwicht tussen gebonden en ongebonden toestand
- Hoe meer GM er gebonden is aan bindingssite, hoe hoger de affiniteit
Bindingsgroepen = Functionele groepen op het GM die betrokken zijn bij de
bindingsinteracties
Bindingsregio’s = Specifieke regio’s in de bindingssite die betrokken zijn bij de
bindingsinteracties
Induced fit = Door bindingsproces zal er een aanpassing van de structuur gebeuren zodat
klein molecule goed past in de bindingsplaats zowel conformatieverandering van
bindingssite als van GM
- Bindingsite zal aangepast worden (vorm)
- Doelwit zal aangepast worden (vorm)
- Belangrijk voor farmacologisch/biologisch effect van GM
2. Interacties
Algemene basiseigenschappen
Bestudeerd a.d.h.v. 3D-structuren van proteïne-ligand complexen en bindingsaffiniteiten
- Proteïne = doelwit
- Ligand = kandidaat GM
- Bindingsaffiniteit kan zwak of sterk zijn
- Basiskenmerken van moleculen met een hoge affiniteit bepalen
Pagina 1 van 279
,3 basisvoorwaarden
Sleutel-slot paradigma/model = Hoog niveau van sterische complementariteit tussen het
proteïne en het ligand → Het moet bij elkaar passen
- Sleutel = Klein molecule → GM
- Slot = Macromolecule → Doelwit
- Induced fit is maar een kleine verandering die is toegestaan
Hoge complementariteit van oppervlakte eigenschappen (fysicochemische eigenschappen)
tussen proteïne en ligand
- Lipofiel – lipofiel
- Polair – polair vb. 2 positieve ladingen stoten elkaar af
- Preservatie van H-binding geometrie → H-bruggen moeten de juiste afstand en hoek
hebben
- GEEN repulsieve/ afstotende interacties
Liganden binden in een energetisch gunstige conformatie (laag energetisch niveau)
- Er moet een goede affiniteit zijn wanneer het GM zich in een energie-gunstige
conformatie bevindt
Intermoleculaire interacties
Covalent
Komen minder voor/beperkt gebruik
Meestal niet aanwezig bij drug-target interacties
- Uitzondering: Irreversibele enzym inhibitoren, DNA alkylerende reagentia (toxisch/
antikanker)
Bindingssterkte: 200 – 400 kJ/mol
- C-C binding: 346 kJ/mol ; 1,54 Å
Heel sterke binding: Kan niet verbroken worden
- GEEN evenwicht als het gebonden is, zal het niet meer lossen
Andere intermoleculaire krachten kunnen gevormd en terug verbroken worden
- Evenwicht tussen gebonden en ongebonden GM aan doelwit
Niet-covalente interacties
Evenwicht en bindingsaffiniteiten:
Evenwichtsconstante/snelheidsconstante:
KA = Associatieconstante
KD = Dissociatie constante (voor receptoren)
KI = Inhibitie constante (voor enzymen/katalysatoren)
Zijn allemaal aan verwant met elkaar
KA = KD-1 = Ki-1 = [D-T]/[D].[T]
Gibbs vrije energie:
- ∆G° = -RT.ln(KA) = ∆H° - T.∆S° (R = 8,314 J/(mol*K)
- ∆H = entropie = wanorde
- ∆S = enthalpie = som inwendige energie en volumetoestand van systeem
Pagina 2 van 279
,Bindingsaffiniteiten:
KD en Ki liggen in de range van:
- 10-2 M = zwakke binding/affiniteit weinig potent GM
- 10-12 M = sterke binding/affiniteit heel potent GM
- 10-9 M = gewenste affiniteit
Zwakke binding: ∆G° = -11,9 kJ/mol bij T=37°C
Sterke binding: ∆G° = -71,2 kJ/mol bij T=37°C
Om bindingsaffiniteit met 1 orde van magnitude te laten toenemen (10x):
- ∆∆G° = 5,94 kJ/mol = 1,42 kcal/mol → 1 kcal = 4,184 kJ
In Drug Discovery Programs:
- Van initiële hit (10-5 = 10 µM) naar geoptimaliseerde lead (10-9 = 1 nM) 10-4 verschil
- ∆∆G° = 23,8 kJ/mol = 5,68 kcal/mol 4x6kJ/mol bijwinnen
Elektrostatische interacties:
= Aantrekkingskracht tussen 2 tegengestelde ladingen → volledige of partiële ladingen
(partiële ladingen zijn het meest voorkomend)
Lading-lading interacties of ionaire bindingen
Sterkste van de intermoleculaire bindingen 20-40 kJ /mol
- Nettowinst van 1 interactie kan te niet gedaan worden door interacties
op andere plaatsen NOOIT volledige nettowinst!
- Afhankelijk van pH fysiologische pH = 7,4
Vindt plaats tussen groepen met tegengestelde lading
Sterkte van ionaire interactie is omgekeerd evenredig aan afstand tussen 2 geladen groepen
- Hoe kleiner de afstand, hoe sterker de interactie
Sterke interacties komen voor in hydrofobe omgeving → zie formule voor verklaring
- Di-elektriciteitsconstante ε:
Hoe meer hydrofoob de omgeving is, hoe kleiner ε, hoe lager de energie van een
ionische interactie
Wet van Coulomb
Sterkte van de interactie daalt minder snel i.f.v. afstand dan bij andere intermoleculaire
interacties
Ionaire bindingen zijn de meest belangrijke initiële interacties wanneer een GM de
bindingsite betreedt eerste interactie die zal plaats vinden, omdat het over een grote
afstand werkt
Pagina 3 van 279
, Ionen in macromoleculen: proteïnen:
Eiwitten bestaan uit AZ lading van AZ’en is afhankelijk van pH
α-amines (pKa = 9,60) zijn minder basisch dan andere primaire amines (pKa = 10,5)
- REDEN: Inductief elektronen wegzuigen door carbonyl (-COO-) dichte nabijheid van
carbonyl betere stabilisatie van negatieve lading door aminogroep
- Zelfs nog groter bij ethyl ester → minder elektronendichtheid rond N-atoom
α-carboxylzuren zijn zuurder dan andere carboxylzuren (pKa = 4,76)
REDEN: Inductief elektronen wegzuigen door geprotoneerd amine
In proteïnen: zowel amines, als carbonzuren zijn betrokken in amidebinding NIET geladen,
WEL in de zijketens!!
- Amidebinding bevat dubbelbindingskarakter
pKa vgl met pH:
- Indien pKa = pH 50% is geladen, 50% is neutraal
- Indien pKa en pH een verschil hebben van 2 zo goed als 100% geladen
Aspartaat en glutamaat
zijn 2 sterke zuren
inductief zuigend
effect daalt Cysteïne en tyrosine
minder zuur door zijn neutraal
grotere afstand tussen
amine en carbonyl
Lysine en arginine zijn
Histidine = twijfelgeval 2 zeer sterke basen
afhankelijk van situatie
pKa-waarden zijn afhankelijk van micro-omgeving!!
- pKa van zuren:
o Toename in hydrofobe en negatieve omgeving
o Daling indien zoutbruggen gevormd kunnen worden
- pKa van basen:
o Afname in hydrofobe en positieve omgeving
o Toename indien zoutbruggen gevormd worden
Ionen in macromoleculen: DNA & RNA:
Ionen in macromoleculen: DNA en RNA:
- Nucleosiden zijn niet geladen bij pH 7,4 onvoldoende zuur/basisch
- Fosfaatbrug tussen nucleoside zullen wel negatief geladen zijn!! → Mono-anionen
(pKa H3PO4 = 2; 7 en 14)
Pagina 4 van 279
