Aplicação de Docking Molecular para o Estudo de Inibidores da Protease do HIV-1

(1)

Estudo de Inibidores da Protease do HIV-1

Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.

walter.junior@pucrs.br ou

(2)

A AIDS surgiu como pandemia há algumas décadas atrás e causou grande temor, pois inicialmente não havia conhecimento da sua causa. O estudo da AIDS registra um dos maiores sucessos da moderna abordagem do desenho de fármacos, usando-se recursos computacionais. A AIDS é causada pelo HIV. Os vírus são formados por uma capa de proteína que envolve seu material genético, no caso do HIV é o RNA. Aqui descreveremos o uso da protease do HIV, como alvo para o desenvolvimento de fármacos contra a AIDS.

Concepção artística da pesquisa de novos fármacos contra a AIDS.

Imagem disponível em:

<http://www.sciencephoto.com/media/206187/view>

Acesso em: 6 de agosto de 2015.

2

(3)

As proteases são enzimas que catalisam a clivagem de outras proteínas, a protease do HIV catalisa tal clivagem. Esta protease realiza uma importante etapa no ciclo da infecção viral. Como em outros vírus, o HIV leva a célula infectada a produzir muitas cópias de suas proteínas. Tais proteínas apresentam-se inicialmente como uma cadeia polipeptídica (poliproteína), que apresenta várias proteínas coladas numa cadeia. A função da protease do HIV é catalisar a clivagem da poliproteína em unidades menores funcionais. A correta execução de tal clivagem é crítica para o processo de infecção viral.

Célula (linfócito T)(em verde) infectada com o HIV (em vermelho). As esferas vermelhas são partículas repletas de HIV, que saem da linfócito T para infectar outras células.

Imagem disponível em:

http://www.sciencephoto.com/media/248205/enlarge

Acesso em: 6 de agosto de 2015.

3

(4)

A poliproteína intacta é necessária no início do processo de infecção, quando monta a forma imatura do vírus. Em seguida a poliproteína tem que ser clivada, para formar o vírus maduro, que pode então infectar uma nova célula. As reações de clivagem da poliproteína têm que ser coordenadas perfeitamente, o que permite a montagem do vírus. Devido a tal sensibilidade e seu papel essencial para infecção viral, a protease do HIV é um alvo importante para o desenho de fármacos contra a AIDS. A inibição da protease do HIV impede a maturação do

vírus, cessando a progressão da infecção. A estrutura da protease do HIV é dimérica, com duas unidades idênticas. Os inibidores ligam-se na cavidade entre as duas unidades. O inibidor está indicado pela esferas, no meio da estrutura.

4

(5)

As regras de Lipinski (Lipinski et al., 1997, 2001) são um conjunto de parâmetros, usados para avaliação do potencial que uma molécula apresenta de ser absorvida pelo organismo humano. Apesar de terem sido publicadas em 1997, essas regras já eram usadas há muito tempo pelo laboratório farmacêutico Pfizer. O seu sucesso na avaliação do potencial farmacológico deve-se às seguintes razões:

 Fácil aplicação;

 Fácil memorização;

 São evidentes do ponto de vista físico-químico;

 São baseadas em pesquisa básica

sólida e funcionam efetivamente. Lipinski, C.A., Lombardo, F., Dominy, B.W., Feeney, P.J.. Adv Drug Deliv Rev. 1997, 23(1-3):3-25.

Lipinski, C.A., Lombardo, F., Dominy, B.W., Feeney, P.J.. Adv Drug Deliv Rev. 2001, 46(1-3):3-26

Fonte da imagem:

http://www.sciencephoto.com/media/268423/view Acesso em: 6 de agosto de 2015.

Regras de Lipinski

(6)

As regras de Lipinski são baseadas nas propriedades físico-químicas de compostos que formam a base de dados USAN (United States Adopted Names

Directory), que apresentam moléculas que

passaram a fase 1 de testes clínicos. Estudos de fase 1 envolvem determinação de aspectos relacionados à toxidade e farmacocinética. Compostos que chegam à fase 2 são aqueles que apresentam absorção e toxidade tolerável, o que sinaliza que investimentos podem ser realizados em mais testes. As regras de Lipinski analisam :

 Doadores e aceitadores de ligação de hidrogênio;

 LogP;

 Massa molecular.

Fonte da imagem:

(7)

As regras de Lipinski baseiam-se em critérios físico-químicos que as drogas devem apresentar para serem absorvidas pelo organismo humano. A absorção está relacionada à solubilidade e à presença de ligações de hidrogênio. Para um dado composto é avaliado o número total de potenciais átomos que podem estar envolvidos nessas ligações, aqui separados em duas classes na análise. 1) Número de doadores de ligação de hidrogênio (hydrogen-bond donors)(HBD). Indica o número de hidrogênios presentes na molécula que podem fazer ligação de hidrogênio, principalmente ligados aos oxigênio e nitrogênio.

2) Aceitadores de ligação de hidrogênio (hydrogen-bond acceptors)(HBA). Indica o número de aceitadores de ligação de hidrogênio, na maioria das vezes átomos de oxigênio e nitrogênio.

Fonte da imagem:

(8)

A aplicação das regras de Lipinski baseia-se na avaliação da solubilidade do composto em água, o aumento do número de ligações de hidrogênio contribui para esta solubilidade, mas dificulta a passagem pela membrana, visto que aumenta o número de ligações de hidrogênio que devem ser quebradas para a passagem da bicamada fosfolipídica. Vamos ver um exemplo de como contar os doadores e aceitadores de ligação de hidrogênio. Usaremos a molécula aspirina, código CID2244(http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=2244&loc=ec_rc s).

Indicaremos o número de doadores como HBD e o de aceitadores como HBA. Na molécula usaremos a seguinte notação:

Regras de Lipinski (Ligações de Hidrogênio)

Aceitador de ligação de hidrogênio (HBA) Doador de ligação de hidrogênio (HBD)

(9)

HBA: 4 HBD: 1 Regras de Lipinski (Ligações de Hidrogênio)

(10)

Definimos a lipofilicidade de um composto, como a tendência deste para uma partição numa matriz lipídica apolar contra uma matriz aquosa. Uma forma de determinarmos experimentalmente a lipofilicidade de um composto, é a partir da partição deste entre fases imiscíveis, tais como octanol (fase apolar) e um tampão aquoso (fase polar). Os valores de partição podem ser expressos em termos de Log P, que é o coeficiente de partição de um composto entre octanol e uma fase aquosa (tampão onde a molécula está neutra),

onde [Composto]_octanol é a concentração do composto na fase apolar, e [Composto]_aquosa é a concentração na fase aquosa. Há algoritmos estabelecidos para determinarmos o Log P de um composto (Hansch et al., 1995; Cheng et al., 2007).























aquosa octanol

Composto

log

P

Log

Hansch, C., Leo, A. and Hoekman, D. (1995) Exploring QSAR. Fundamental and applications in chemistry and biology, volume I. Hydrophobic, electronic and steric constants, volume 2. New York: Oxford University Press.

Cheng, T.; Zhao, Y.; Li, X.; Lin, F.; Xu, Y.; Zhang, X.; Li, Y.; Wang, R.*; Lai, L. "Computation of Octanol-Water Partition Coefficients by Guiding an Additive Model with Knowledge", J. Chem. Inf. Model. 2007, 47, 2140-2148.

Regras de Lipinski (Lipofilicidade)

(11)

Um guia geral para absorção gastrointestinal após administração oral da droga propõe que o Log P deve estar na faixa de 0 a 3 para uma situação ótima, como indicado na figura abaixo. Biodis ponibili da de ora l Log P Baixa Alta -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Faixa ótima Baixa permeabilidade da bicamada lipídica

Baixa solubilidade aquosa

Figura baseada em Kerns, E. H. e Di, L. Drug-like properties; Concepts, structure, design and methods. Academic Press, Elsevier, London, 2008. (pg. 45)

Regras de Lipinski (Lipofilicidade)

(12)

Regras de Lipinski. A partir da estrutura de um composto podemos avaliar características da estrutura, tais como ligações de hidrogênio, Log P e MW. Uma absorção e permeabilidade adequadas são esperadas para moléculas que apresentem as seguintes características:

 HBD  5

 HBA  10 (5x2)

 Log P  5

 MW  500 (5x100)

Todos os aspectos considerados são múltiplos de 5, por isso tal regra é também chamada de regra dos 5 (rule of

five).

Fonte da imagem:

Regras de Lipinski (Aplicações)

(13)

Como exemplo, vamos considerar a estrutura da molécula XK216, um inibidor da protease do HIV (Ala et al., 1998). Identificaremos os doadores e aceitadores de ligação de hidrogênio, como indicado abaixo.

XK216 13

Referência:

Ala PJ, Deloskey RJ, Huston EE, Jadhav PK, Lam PY, Eyermann CJ, Hodge CN, Schadt MC, Lewandowski FA, Weber PC, Mccabe DD, Duke JL, Chang CH. Molecular recognition of cyclic urea hiv-1 protease inhibitors. J Biol Chem 1998: 273: 12325-12331.

(14)

Para completar nossa análise, podemos usar as informações disponíveis sobre fármacos do site PubChem (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pccompound/). No caso do XK216, temos MW = 406,5173 g/mol g/mol e log P = 3,5.

XK216 14

Referência:

Ala PJ, Deloskey RJ, Huston EE, Jadhav PK, Lam PY, Eyermann CJ, Hodge CN, Schadt MC, Lewandowski FA, Weber PC, Mccabe DD, Duke JL, Chang CH. Molecular recognition of cyclic urea hiv-1 protease inhibitors. J Biol Chem 1998: 273: 12325-12331.

(15)

A tabela da direita mostra o resumo das informações para aplicação das regras de Lipinski. Vemos que todas as regras de Lipinski são satisfeitas.

 HBD = 2  5  HBA = 3  10 (5x2)  Log P = 3,6  5  MW 406,5173  500 (5x100) XK216 15 Fonte: http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/446158#sectio n=Chemical-and-Physical-Properties

(16)

ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora, Porto Alegre, 2004 (Capítulo 3).

KERNS EH, DI L. Drug-like properties: Concepts, Structure, Design and Methods . Academic Press, London, 2008.

LESK AM. Introduction to Protein Architecture. Oxford University Press, New York, 2001.

PATRICK GL. An Introduction to Medicinal Chemistry. 3ª Ed. New York: Oxford University Press, 2005.

16