МЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯ

21

непланарными серо- и фосфорсодержащими кислотными функциями:

-SO2OH

-SO2NHR

-CONHSO2R

сульфонаты

сульфонамиды

ацилсульфонамиды

O

O

O

P

OH

P

OH

P

OH

H

OH

NH2

Фосфинат

Фосфонат

Фосфонамид

Наиболее часто карбоксильную группу заменяют тетразольными или 3-гидрокси- изооксазольными остатками. Тетразольные биоизостеры могут иметь более высокую активность, биодоступность, могут повышать селективность биологического действия.

2.2.1.6. Заменители сложно-эфирной группы.

Замена сложно-эфирной группы на амидную – пример классического изостеризма. Биоизостерны: прокаин и прокаинамид.

						H
O O		N(C	H	)	O	N	N(C2H5)2
					2
		2	5

			NH2
	NH
2
	Прокаин		Прокаинамид

К изостерам приводит замена атома кислорода сложно-эфирной группы аспирина на атомы N, S или углерода. Однако ни один из изостеров не проявляет анальгетической активности. Это легко понять, т.к. анальгетическая активность аспирина обусловлена его способностью ацилировать циклооксигеназу. Указанные же изостеры такой способностью не обладают.

Замена сложно-эфирной группы возможна на остатки 1,2,4-оксадиазолов или 1,2,4- тиадиазолов. Биоизостерны лиганды бенздиазепиновых рецепторов – производные 1,4-

бенздиазепинов и β-карболинов 1 и 2, 3 и 4.
	N		COOC2H5	N	O	N
	N				N	CH3
				N
F		N	CH3	N
1	O				CH3
			Cl	O		2

22

	H	H
	N	N
		N	O N
		COOC2H5
			N	CH3
	3	4

Карбометоксильную группу можно заменять на хлорвинильный остаток, на что указывает сопоставимость свойств (-)кокаина и хлорвинильного аналога.

H3C N	COOCH3	Cl
	H3C	N

O

O

Кокаин

2.2.1.7. Заменители амидной группы.

Наиболее часто проводится замена атома Н NH-группы на метильную, изменение конфигурации аминокислот (D на L). Применяются также такие приемы, как: образование ретроамида или α-азапептида, применение дегидроаминокислот, замена амидной связи на сложно-эфирную с получением депсипептидов, на гидроксиэтиленовую, кетометиленовую, тиоамидную группы, замещение амидной карбонильной группы на СН2-группу либо на олефиновый фрагмент (см. схему).

2.2.1.8. Замена мочевинного и тиомочевинного фрагментов.

Атом кислорода или серы этих фрагментов может быть заменён на группы >NH, >N- CN-, >N-NO2, >CHNO2. При синтезе серии антагонистов гистаминовых (Н2) рецепторов эффективной оказалась замена этих атомов на N-нитро- и N-цианогуанидиновые группы.

-NH				X = NCN, NNO2
			X
-NH
X = O, S

23

Биоизостерные модификации пептидов

изменение конфигурации α-C атома

(L на D)

N-Мeтилирование

Замещение С=О на С=S

							Замещение С=О на СH2
		O			R2
	H
	N			N			Замещение NH на СH2
				H
	R1				O
							Замещение NH на O

		O	R2
	H
	N	N
	R1	H	O
	CH3 O		R2	N-Мeтил-
	N	N		пeптиды
	R1	H	O
			R2
		S
	H			Тиоамиды
	N	N
	R1	H	O	R2
		H
		N	N
		R1	H	O
			R2
		O
	H
	N
	R1		O
			R2
		O
	H		Депсипептиды
	N	O

R1

O

R2

H

Замещение CH на N

N

N N

Азапептиды

H

R1

O

Введение олефи-

O

R2

H

нового фрагмента

N

N

Дегидропептиды

H

R1

O

2

Перемещение

O

R

H

С=О и NH

N

Ретроамиды

1

O O

R

24

2.2.1.9. Перемещение функциональных групп.

Этот приём часто используется в пептидной химии и применим к непептидным соединениям.

COOCH2CH2N(C2H5)2		COOCH				CH N(C			H )
	OC4H9				2		2	2	5	2
					NH		2
	NH2			H
			OC		9
		4

Бeноксинат

Беноксинат и его мета-изомер обладают идентичной местноанестезирующей активностью

COOCH3	COOCH3
OH	NH2
NH2	OH

Ортокаин Местноанестезирующие свойства ортокаина и его изомера подобны. Однако изомер

ортокаина не обладает побочным аллергическим действием ортокаина.

3. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ СООТНОШЕНИЯ “СТРУКТУРА-АКТИВНОСТЬ”

Идея математического описания функциональной зависимости биологической активности веществ от их строения впервые была сформулирована в 1868 г. А. КрумБрауном и Т. Фрезером.

Изучая свойства курарероподобных соединений – кватернизованных стрихнинов, они пришли к выводу о том, что паралитические свойства этих веществ зависят от четвертичной аммониевой группировки, входящей в их состав. И на этом основании высказали предположения о том, что вообще биологическая активность веществ является функцией их строения

А = f (S)

Годом позже Ричардсон установил, что токсичность спиртов и простых эфиров тем выше, чем ниже их растворимость в воде. А Ричет в 1893 г. обнаружил, что наркотическая активность спиртов пропорциональна их молекулярным массам.

25

3.1. Липофильность и биологическая активность веществ.

В 90-е годы было сделано особенно важное открытие. Мейер и Овертон, независимо друг от друга установили, что наркотические свойства многих веществ зависят от их коэффициентов распределения в системе “масло - вода”. Мейером было сделано предположение, что наркотическая активность веществ определяется их способностью к растворению в жироподобной фазе клеточных мембран.

		Таблица 3
(Овертон, 1901 г.)	Наркотическое действие спиртов
Спирт	Р	Пороговая наркотическая концентрация (моль/л)*
		(головастики)
СН3ОН	0.0096	0.570
С2Н5ОН	0.0350	0.290
С3Н7ОН	0.1560	0.110
С4Н9ОН	0.5880	0.088

*Тест угнетения ЦНС: исчезновение рефлексов при определенной концентрации наркотического средства. При этом самостоятельные движения головастиков прекращаются. При более высокой концентрации при прикосновении стеклянной палочкой головастики сохраняют неподвижность.

3.2. Кислотно-основные свойства и активность веществ.

В начале 20 века исследователи пытались найти связь между биологической активностью и самыми различными физическими и физико-химическими параметрами: молекулярной массой, поверхностным натяжением, показателем преломления, температурой плавления или кипения, числом атомов углерода в молекуле и т.д.

Как правило, эти попытки не базировались на каких-либо серьезных научных аргументах и, если и приводили к успеху, то лишь в случае узких рядов веществ. Пожалуй, наибольший научный резонанс имели выполненные в 50-60 г.г. текущего столетия обстоятельные работы А. Альберта, в которых исследовалась связь между биологической активностью и константами ионизации БАВ.

Альберт в 1939 г. показал, что антисептическая активность акридинов зависит от доли катионной формы этих веществ в растворе, определяемой значениями их потенциалов ионизации.

Кислотно-основные свойства БАВ играют важную роль в процессах их транспорта и связывания с биомишенями. Многие БАВ содержат кислотные и основные центры. В растворах молекулы этих веществ находятся в состоянии равновесия протонированных и депротонированных форм.

											26
Для слабой кислоты:
АН									А- + Н+
K α =	[A− ][H							+ ]			(1)
				[HA]
Для слабого основания:
ВН+										В + Н+
K α			=		[В][H + ]						(2)
						[ВН+				]

Отрицательный логарифм величины Кα есть константа ионизации кислоты или основания. Прологарифмировав выражения (1) и (2) и с учётом того, что рН = -lg[Н+], получим выражения (3) и (4) для констант ионизации, соответственно, кислоты и основания:

		рКα = рН + lg [HA] – lg [A-]		(3)
		рКα = рН + lg [BH+] – lg [B]		(4)
				Таблица 4
	Константы ионизации некоторых органических кислот и оснований
Вещество	рКα		Вещество	рКα
ROH	16-20		C6H5COOH	4.2
RCONH2	16-18		C6H5NH3+	4.6
RNH3+	10-11		2,4-(NO2)2C6H3COOH	1.4
CH3NO2	10.2		Cl2CHCOOH	1.3
C6H5OH	10.0		п-NO2C6H4NH3+	1.02
п-NO2C6H4OH	7.2		CF3COOH	0
RCOOH	4.0-5.0

Константы ионизации слабых органических кислот и оснований могут быть определены методами потенциометрического титрования в неводной среде либо спектрофотометрически. В этих условиях удается достаточно хорошо дифференцировать соединения по их кислотно-основным свойствам. Так, 1,2-дигидро-3Н-1,4-бенздиазепин-2-оны I обладают свойствами слабых однокислотных оснований. Незамещённые в положении 1 соединения проявляют также свойства слабых кислот как вторичные амиды.

В табл. 5 представлены данные, иллюстрирующие зависимость величин рКα и рКα′ - констант ионизации соединений I как оснований и кислот, соответственно, от характера заместителя R.

27

Таблица 5

Константы ионизации соединений I

				H			O
				N
			R				N
				C6H5 I
№			рКα					рКα′
соеди-	R	потенциометри-		спектрофотометри-				спектрофотомет-
нений		ческий метод		ческий метод				рический метод
1	СН3	3.95		4.51				13.64
2	NH2	3.73		4.49				14.41
				2.13
3	H	3.00		4.20				12.37
4	Cl	2.97		3.58				12.02
5	Br			3.53				11.99
6	OCHF2	2.29		3.54				12.27
7	SCHF2	3.56		3.48				11.84
8	NO2			2.93				10.94

3.3. Метод Хэнча.

Проникновение идей физической и физико-органической химии в биологию, как известно, было в целом весьма плодотворным. В частности, большое развитие получило применение количественной теории реакционной способности органических соединений в исследованиях проблемы связи их биологической активности и структуры.

Гаммет и Тафт в 40-е и 50-е годы ХХ столетия ввели в физико-органическую химию представления о дескрипторах электронных и стерических эффектов (σ, ρ, Εs).

Хэнч предложил их использовать в описании биологической активности. Однако он считал, что такое описание должно быть многопараметровым. Он применил статистические методы регрессионного анализа для установления связи между биологической активностью

иэлектронными, стерическими и гидрофобными параметрами.

Сэтой целью Хэнч использовал множественную линейную регрессию. Этот метод является широко применяемым в настоящее время статистическим инструментом. Метод предполагает, что используемые параметры независимы друг от друга и что они существенны для активности.

Основываясь на воззрениях о строении и функциях биомембран и положениях количественной теории реакционной способности органических соединений, К. Хэнч выдвинул концепцию, согласно которой биологическая активность веществ определяется

28

двумя типами факторов, обусловленных их строением:

1.Факторы, определяющие способность веществ проникать через биологические мембраны и к гидрофобному взаимодействию с макромолекулами (ферментами и другими биосубстратами). Эти факторы в ряде случаев могут быть достаточно хорошо оценены с помощью величин log P, параметров π, хроматографических характеристик, параметров растворимости и др.

2.Факторы, определяющие взаимодействие веществ с рецепторами. Эти факторы в соответствии с количественной теорией реакционной способности могут быть учтены с помощью констант Гаммета, стерических констант Тафта, поляризуемости (α), дипольных моментов (µ), потенциалов ионизации (IP), констант ионизации (рКа, рКв), частот полос поглощения в спектрах (ν) и других параметров, характеризующих электронное состояние и геометрию реакционного центра молекул БАВ.

Воснове количественного подхода к оценке связи “структура-активность” по Хэнчу лежит аддитивная схема, согласно которой активность (1/с, где с – эффективная доза вещества) определяется линейной комбинацией параметров первого и второго типов. Коэффициенты при этих параметрах находят методами регрессионного анализа.

Пример уравнения, связывающего активность и параметры 1-го и 2-го типов:

lg 1/с = K (log P)2 + K′ log P + ρσ + K′′

В уравнение могут вводиться другие физико-химические параметры (дипольные моменты, константы ионизации, заряды на атомах и т.п.).

Техника методов регрессионного анализа предполагает постулирование типа корреляционной зависимости. Интуитивно или на основе знания механизма действия веществ исследователь задаёт тот или иной вид зависимости и предполагает роль тех или иных параметров. Сопоставляя рассчитанные и экспериментально полученные значения величин 1/с, он может исправить или улучшить математическую модель введением улучшающих корреляцию параметров и/или удалением параметров, ухудшающих её. При этом может быть выяснено, какие из параметров более важны для предсказания биологической активности веществ данного ряда.

3.4. Методы Фри-Вилсона и Копецки-Бочека

Формально-аддитивные подходы к решению проблемы количественной связи “структура-активность”, предложенные Фри и Вилсоном, Копецки и Бочеком, рассматривают активность в виде линейной комбинации парциальных вкладов активностей фрагментов, групп, заместителей в общую активность соединения:

	29
по Фри-Вилсону	log1/c = Σ ai + µ;
по Копецки-Бочеку	log 1/c = Σai + Σaj +Σaiaj + µ.
	µ - активность родоначальника ряда соединений данной серии;
	аi и аj – вклады в активность заместителей i и j.

Модели Хэнча, Фри-Вилсона, Копецки-Бочека взаимосвязаны. Линейная модель ФриВилсона может рассматриваться как линейный случай уравнений Хэнча, а модель КопецкиБочека – как случай параболической зависимости моделей Хэнча и Фри-Вилсона.

Описано множество случаев успешного применения описанных моделей и их модификаций. Однако возможности этих подходов ограничены узкими рядами однотипных соединений, и на их основе неосуществим прогноз новых типов биологически активных структур.

Например, связь между активностью по 5 различным фармакологическим тестам и

величинами рКα и log P была установлена для 1,2-дигидро-3Н-1,4-бенздиазепин-2-онов II.

	R2			Соотношения между липофильностью (lоg P) и актив-
	O			ностью веществ I по тестам антагонизма с судорожным
	N
			3	действием коразола (5), максимального электрошока (6)
R1			R
	N			имеют, соответственно, вид:
	R5			log 1/ЭД50 = -1,56 log P + 4,92, R = 0,94 (5);
		R4		log 1/ЭД50 = -0,76 log P + 0,96, R = 0,94 (6).
	II

Связь активности соединений I по тем же тестам с величинами рКα выражается уравнениями (7) и (8), соответственно.

log 1/ЭД50 = -1,55 log рКα + 8,22, R = 0,99 (7); log 1/ЭД50= -1,55 log pKα + 5,23, R = 0,81 (8)

Биологическая активность вещества является совокупным результатом многих сложных процессов, в которых оно участвует, попав в организм: растворение, всасывание, транспорт, биотрансформация, взаимодействие с биосубстратами, выведение из организма.

Это обстоятельство определяет в целом невысокую эвристическую ценность физикохимических методов установления количественной связи “структура-активность”.

В то же время они оказываются достаточно полезными в практическом отношении, позволяя существенно сократить массивы тестируемых соединений, предсказать активность соединений данного ряда.

30

4. МЕТОДЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА В ВЫЯВЛЕНИИ СВЯЗИ

″СТРУКТУРА-АКТИВНОСТЬ″

Каждое новое лекарственное средство приходится в среднем на 20 тысяч синтезированных и изученных веществ. На поиск лекарственного средства уходит 7-10 лет работы исследователей и огромные финансовые средства.

Поэтому в последние 20-30 лет всевозможные методы конструирования молекул новых лекарственных средств (″drug design″) всё шире используются исследователями, работающими в области медицинской и фармацевтической химии. Цели экономии времени и средств в процессе изыскания новых лекарственных препаратов служат также идеология и практика комбинаторной химии.

Физико-химический подход к решению проблемы ″структура-активность″ не имеет фундаментальной основы - знания молекулярных механизмов действия БАВ. По своей сути методы Хэнча, Фри-Вилсона, Копецки-Бочека являются статистическими. Как уже отмечалось выше, эти методы более или менее эффективны только в узких рамках структурно родственных соединений.

4.1. Методы распознавания образов.

Сортировка соединений на активные и неактивные по определённому виду действия может быть успешно осуществлена методами искусственного интеллекта (распознавания образов).

В методах распознавания образов описание структуры может быть задано с помощью структурных признаков либо посредством физико-химических параметров. В процессе исследования выясняется какие из них более тесным образом связаны с активностью веществ. Далее эти данные могут быть использованы для совершенствования модели путём устранения неинформативных либо малоинформативных признаков и, в конечном итоге, прогнозирования признаков активных соединений. Естественно, что для решения задачи выявления количественной связи ″структура-активность″ необходимо информацию об активности представить в математических терминах. Наиболее удобно для решения таких задач представлять активность вещества в виде эффективной дозы - статистически обоснованной величины количества вещества вызывающего определённый фиксируемый фармакологический результат у 50% экспериментальных животных - ЭД50. В некоторых случаях используются дозы, вызывающие эффект у большей части экспериментальных животных. Так, смертельная доза часто выражается в величинах LD100 - дозах, вызывающих гибель 100% животных.

Сложнее решается задача адекватного описания структуры веществ. Более или менее