©2

01

5 D

r. W

alter

F.

de

Aze

ve

do

Jr.

1

Aplicação de Docking Molecular para o

Estudo de Inibidores da

Protease do HIV-1

Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.

walter.junior@pucrs.br ou

walter.filgueira@hotmail.com

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

Protease do HIV

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

Protease do HIV

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

Protease do HIV

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

5

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:

http://www.sciencephoto.com/media/268488/view

Acesso em: 6 de agosto de 2015.

Regras de Lipinski

6

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:

http://www.sciencephoto.com/media/350658/view

Acesso em: 6 de agosto de 2015.

Regras de Lipinski

7

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)

8

HBA: 4

HBD: 1

Regras de Lipinski (Ligações de Hidrogênio)

Aceitador de ligação de hidrogênio (HBA)

Doador de ligação de hidrogênio (HBD)

Aspirina9

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

CompostologP 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)

10

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.

Bio

dis

po

nib

ilid

ad

e o

ral

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)

11

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:

http://www.sciencephoto.com/media/350657/view

Acesso em: 6 de agosto de 2015.

Regras de Lipinski (Aplicações)

12

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.

Regras de Lipinski (Aplicações)

Aceitador de ligação de hidrogênio (HBA)

Doador de ligação de hidrogênio (HBD)

XK21613

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.

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.

Regras de Lipinski (Aplicações)

Aceitador de ligação de hidrogênio (HBA)

Doador de ligação de hidrogênio (HBD)

XK21614

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.

A tabela da direita mostra o resumo das informações para aplicação das regras de

Lipinski. Vemos que todas as regras de Lipinski são satisfeitas.

Regras de Lipinski (Aplicações)

Aceitador de ligação de hidrogênio (HBA)

Doador de ligação de hidrogênio (HBD)

HBD = 2 5

HBA = 3 10 (5x2)

Log P = 3,6 5

MW 406,5173 500 (5x100)

XK21615

Fonte:

http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/446158#sectio

n=Chemical-and-Physical-Properties

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

Referências Bibliográficas