TOP - um programa de cálculo de descritores topológicos para uso em correlações entre estrutura e atividade

A computational interface, using sybyl format as an input file, was created in order to calculate connectivity indexes. After generation and classification of all substructures, which derive from the molecular structure, this interface calculates all possible orders from zero up to the maximun number of bonds in the molecule. Other topological indexes such as Wiener and Schultz indexes can also be calculated.

Sobre o uso de métodos quimiométricos em química combinatória

Combinatorial chemistry has emerged as a tool to circumvent a major problem of pharmaceutical industries to discover new lead compounds. A rapid and massive evaluation of a myriad of newly synthesised compounds can be carried out. Combinatorial synthesis leads to high throughput screening en masse towards another myriad of biological targets. The design of a set of compounds based upon combinatorial chemistry may be envisaged by using of QSPR-SIMCA and QSAR-SIMCA as tools for classification purposes. This work deals with the definition and establishment of a spanned substituent space (SSS) that reduces the analogue numbers with no exclusion of global content. The chemical diversity may be set properly within a specified pharmacological field. This allows a better use of its potentiality without loosing information.

Proposição, validação e análise dos modelos que correlacionam estrutura química e atividade biológica

The present paper aims to bring under discussion some theoretical and practical aspects about the proposition, validation and analysis of QSAR models based on multiple linear regression. A comprehensive approach for the derivation of extrathermodynamic equations is reviewed. Some examples of QSAR models published in the literature are analyzed and criticized.

Estrutura e propriedades de elipticinas

The ellipticines constitute a broad class of molecules with antitumor activity. In the present work we analyzed the structure and properties of a series of ellipticine derivatives in the gas phase and in solution using quantum mechanical and Monte Carlo methods. The results showed a good correlation between the solvation energies in water obtained with the continuum model and the Monte Carlo simulation. Molecular descriptors were considered in the development of QSAR models using the DNA association constant (log Kapp) as biological data. The results showed that the DNA binding is dominated by electronic parameters, with small contributions from the molecular volume and area.

Glicoproteína-P, resistência a múltiplas drogas (MDR) e relação estrutura-atividade de moduladores

Multidrug resistance, MDR is a major obstacle for cancer chemotherapy. MDR can be reversed by drugs that vary in their chemical structure and main biological activity. Many efforts have been done to overcome MDR based on studies of structure-activity relationships and in this review we summarize some aspects of MDR mediated by P-glycoprotein (P-gp), as the most experimentally and clinically tested form of drug resistance. The most significant MDR mechanisms revealed until now are shortly discussed. Physicochemical and structural properties of MDR modulators, measures of the MDR reversal, and QSAR studies are included.

Prévention de l’asthme professionnel : nouvelles perspectives

L’asthme professionnel est une maladie fréquente, qui coûte cher, qui touche des travailleurs jeunes, dont le diagnostic est difficile et avec d’importantes conséquences socio-économiques. La prévention occupe une place centrale dans la gestion de l’asthme professionnel, d’un point de vue de santé publique. Ce mémoire de maîtrise présente trois articles rapportant des développements récents en matière de prévention de l’asthme professionnel. Tout d’abord, une revue de la littérature sur les agents sensibilisants de bas poids moléculaire dans l’asthme professionnel entre 2000 et 2010 recense 41 nouveaux agents et insiste sur l’importance de mettre à jour régulièrement les bases de données afin d’améliorer la prévention primaire. Ensuite, basé sur un cas clinique, la deuxième publication présente l’utilité potentielle du modèle d’analyse de risque QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) dans le processus diagnostique de l’asthme professionnel, notamment lors d’une exposition multiple à des agents sensibilisants. Enfin, le troisième article présente la performance en milieu clinique du premier questionnaire de dépistage spécifique à l’asthme professionnel. Un modèle simple associant 8 items du questionnaire, l’âge des travailleurs et leur durée d’exposition professionnelle permet de discriminer 80% des 169 sujets adressés pour suspicion d’asthme professionnel. Un tel modèle pourrait être intégré dans les programmes de surveillance médicale qui constituent la base de la prévention secondaire. Ces trois publications insistent sur les possibilités d’explorer de nouveaux outils préventifs dans le domaine de l’asthme professionnel, outils qui ouvrent des perspectives de développements futurs dont les implications cliniques et socio-économiques peuvent être importantes.

Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.

Internal test sets studies in a group of antimalarials

Topological indices have been applied to build QSAR models for a set of 20 antimalarial cyclic peroxy cetals. In order to evaluate the reliability of the proposed linear models leave-n-out and Internal Test Sets (ITS) approaches have been considered. The proposed procedure resulted in a robust and consensued prediction equation and here it is shown why it is superior to the employed standard cross-validation algorithms involving multilinear regression models

Descripció de propietats moleculars i activitats biològiques emprant l'energia de repulsió electró-electró

En aquest treball es descriu l'ús de les mesures de semblança molecular quàntica (MSMQ) per a caracteritzar propietats i activitats biològiques moleculars, i definir descriptors emprables per a construir models QSAR i QSPR. L'estudi que es presenta consisteix en la continuació d'un treball recent, on es descrivien relacions entre el paràmetre log P i MSMQ, donant així una alternativa a aquest parimetre hidrofòbic empíric. L'actual contribució presenta una nova mesura, capaç d'estendre l'ús de les MSMQ, que consisteix en l'energia de repulsió electró-electró (Vee). Aquest valor, disponible normalment a partir de programari de química quàntica, considera la molècula com una sola entitat, i no cal recórrer a l'ús de contribucions de fragments. La metodologia s'ha aplicat a cinc tipus diferents de compostos on diferents propietats moleculars i activitats biològiques s'han correlacionat amb Vee com a únic descriptor molecular. En tots els casos estudiats, s'han obtingut correlacions satisfactòries.

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

Synthesis and structure-activity relationship studies of CD4 down-modulating cyclotriazadisulfonamide (CADA) analogues

HIV attachment via the CD4 receptor is an important target for developing novel approaches to HIV chemotherapy. Cyclotriazadisulfonamide (CADA) inhibits HIV at submicromolar levels by specifically down-modulating cell-surface and intracellular CD4. An effective five-step synthesis of CADA in 30% overall yield is reported. This synthesis has also been modified to produce more than 50 analogues. Many tail-group analogues have been made by removing the benzyl tail of CADA and replacing it with various alkyl, acyl, alkoxycarbonyl and aminocarbonyl substituents. A series of sidearm analogues, including two unsymmetrical compounds, have also been prepared by modifying the CADA synthesis, replacing the toluenesulfonyl sidearms with other sulfonyl groups. Testing 30 of these compounds in MT-4 cells shows a wide range of CD4 down-modulation potency, which correlates with ability to inhibit HIV-1. Three-dimensional quantitative structure-activity relationship (3D-QSAR) models were constructed using comparative molecular field analysis (CoMFA) and comparative molecular similarity indices analysis (CoMSIA) approaches. The X-ray crystal structures of four compounds, including CADA, show the same major conformation of the central 12-membered ring. The solid-state structure of CADA was energy minimized and used to generate the remaining 29 structures, which were similarly minimized and aligned to produce the 3D-QSAR models. Both models indicate that steric bulk of the tail group, and, to a lesser extent, the sidearms mainly determine CD4 down-modulation potency in this series of compounds.

Statistical deconvolution of enthalpic energetic contributions to MHC-peptide binding affinity

Background: MHC Class I molecules present antigenic peptides to cytotoxic T cells, which forms an integral part of the adaptive immune response. Peptides are bound within a groove formed by the MHC heavy chain. Previous approaches to MHC Class I-peptide binding prediction have largely concentrated on the peptide anchor residues located at the P2 and C-terminus positions. Results: A large dataset comprising MHC-peptide structural complexes was created by remodelling pre-determined x-ray crystallographic structures. Static energetic analysis, following energy minimisation, was performed on the dataset in order to characterise interactions between bound peptides and the MHC Class I molecule, partitioning the interactions within the groove into van der Waals, electrostatic and total non-bonded energy contributions. Conclusion: The QSAR techniques of Genetic Function Approximation (GFA) and Genetic Partial Least Squares (G/PLS) algorithms were used to identify key interactions between the two molecules by comparing the calculated energy values with experimentally-determined BL50 data. Although the peptide termini binding interactions help ensure the stability of the MHC Class I-peptide complex, the central region of the peptide is also important in defining the specificity of the interaction. As thermodynamic studies indicate that peptide association and dissociation may be driven entropically, it may be necessary to incorporate entropic contributions into future calculations.

Assessment and improvement of biotransfer models to cow’s milk and beef used in exposure assessment tools for organic pollutants

The aim of this study was to assess and improve the accuracy of biotransfer models for the organic pollutants (PCBs, PCDD/Fs, PBDEs, PFCAs, and pesticides) into cow’s milk and beef used in human exposure assessment. Metabolic rate in cattle is known as a key parameter for this biotransfer, however few experimental data and no simulation methods are currently available. In this research, metabolic rate was estimated using existing QSAR biodegradation models of microorganisms (BioWIN) and fish (EPI-HL and IFS-HL). This simulated metabolic rate was then incorporated into the mechanistic cattle biotransfer models (RAIDAR, ACC-HUMAN, OMEGA, and CKow). The goodness of fit tests showed that RAIDAR, ACC-HUMAN, OMEGA model performances were significantly improved using either of the QSARs when comparing the new model outputs to observed data. The CKow model is the only one that separates the processes in the gut and liver. This model showed the lowest residual error of all the models tested when the BioWIN model was used to represent the ruminant metabolic process in the gut and the two fish QSARs were used to represent the metabolic process in the liver. Our testing included EUSES and CalTOX which are KOW-regression models that are widely used in regulatory assessment. New regressions based on the simulated rate of the two metabolic processes are also proposed as an alternative to KOW-regression models for a screening risk assessment. The modified CKow model is more physiologically realistic, but has equivalent usability to existing KOW-regression models for estimating cattle biotransfer of organic pollutants.

Role of Halogen Bonds in Thyroid Hormone Receptor Selectivity: Pharmacophore-Based 3D-QSSR Studies

Most physiological effects of thyroid hormones are mediated by the two thyroid hormone receptor subtypes, TR alpha and TR beta. Several pharmacological effects mediated by TR beta might be beneficial in important medical conditions such as obesity, hypercholesterolemia and diabetes, and selective TR beta activation may elicit these effects while maintaining an acceptable safety profile, To understand the molecular determinants of affinity and subtype selectivity of TR ligands, we have successfully employed a ligand- and structure-guided pharmacophore-based approach to obtain the molecular alignment of a large series of thyromimetics. Statistically reliable three-dimensional quantitative structure-activity relationship (3D-QSAR) and three-dimensional quantitative structure-selectivity relationship (3D-QSSR) models were obtained using the comparative molecular field analysis (CoMFA) method, and the visual analyses of the contour maps drew attention to a number of possible opportunities for the development of analogs with improved affinity and selectivity. Furthermore, the 3D-QSSR analysis allowed the identification of a novel and previously unmentioned halogen bond, bringing new insights to the mechanism of activity and selectivity of thyromimetics.