Optimización de Prototipos en QSAR: Relación Estructura-Actividad Biológica

Introducción a la Relación Cuantitativa Estructura-Actividad (QSAR)

La optimización de prototipos se basa en definir una estructura con parámetros cuantificables que relacionan la estructura química con la actividad biológica. Este método de análisis, desarrollado por Hansch y Fujita, se denomina QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) y relaciona la respuesta biológica (RB) con ciertos parámetros fisicoquímicos, como la solubilidad, y factores estéricos y electrónicos. Gracias a esto, se puede predecir la actividad de compuestos estructurables, estudiar mecanismos de acción y determinar las propiedades que hacen que compuestos diferentes estructuralmente tengan la misma respuesta. El proceso QSAR comienza con el planteamiento de objetivos, la determinación de la actividad biológica de los compuestos a estudiar, la selección de los parámetros fisicoquímicos de los compuestos, el análisis de datos, la obtención de una relación matemática y, finalmente, la interpretación de dicha relación.

Parámetros o Descriptores de las Propiedades Fisicoquímicas de los Compuestos Orgánicos

Descriptores de los Efectos Hidrófobos

La tendencia de las moléculas de soluto a preferir un medio no acuoso a uno acuoso se denomina lipofilia. En los fármacos, la lipofilia es decisiva en su absorción, transporte y eliminación, así como en la formación del complejo fármaco-receptor. En QSAR, la actividad biológica es proporcional al coeficiente de reparto (P), que se define como la diferencia entre las concentraciones de dos fases en equilibrio, siendo la fase uno agua y la dos octanol (C2/C1). El octanol actúa como dador y aceptor de hidrógeno, similar a las membranas biológicas. Su polaridad parcial permite la entrada de agua. Hansch y Fujita establecieron que el logaritmo del coeficiente de reparto aceite-agua es constante, aplicándose como π en las ecuaciones de coeficiente de reparto. Cuanto más positivo es π, más lipófilo será el sustituyente. Cuando interactúan en el coeficiente de reparto iones polares, la ionización se complica y, por ende, el cálculo de P. Para hallar la relación para ácidos (HA/A-) y bases, se utiliza la ecuación de Henderson-Hasselbalch.

Si trabajamos con la disociación de fármacos en función de la solubilidad en disolventes polares y apolares, y el pH según especies ionizadas y no ionizadas, se define el coeficiente de distribución (D) o coeficiente de reparto aparente. Este describe en la ecuación el pH, pKa, y los coeficientes de reparto de la forma ionizada (Pi) y la forma no ionizada (Pn), existiendo una ecuación para ácidos y otra para bases. Cuando la forma ionizada es mucho menor que la forma no ionizada, se desprecia Pi frente a Pn. Cuando varía el pH, los valores de log D se representan como curvas sigmoideas (si el pH aumenta, log D disminuye). Para aminoácidos y otros compuestos con más de un grupo ionizable, la especie más lipófila es el ion dipolar. La temperatura no afecta prácticamente al log P (sí a la solubilidad), dado que este se basa en las concentraciones. Pero, dado que los disolventes orgánicos varían la miscibilidad con la temperatura, afecta al coeficiente de reparto P. Para calcular los valores de P, se utiliza el método shake-flask, que se basa en agitar durante un tiempo determinado dos fases no miscibles presaturadas entre sí para no complicar el reparto de soluto. Cuando se alcanza el equilibrio, se determina el log P. Para calcular la lipofilia, se utiliza la cromatografía basada en la absorción y reparto, la cromatografía de capa fina en fase reversa (fase estacionaria hidrófila por hidrófoba no polar) y la cromatografía líquida de alta resolución en fase reversa. El log D en moléculas complejas se calcula fragmentando la molécula en varias partes y sumando las constantes hidrofóbicas π de sus partes. Un ejemplo es la difenhidramina, dividida en metano, éter metiletílico, tolueno y etilmetilamina. La media de los coeficientes de reparto se acerca al log P medido experimentalmente (3,27). π puede variar con la estructura, y especialmente con la posición para, en la que adquiere valores determinados porque se ve afectada la polaridad de la molécula. La lipofilia también depende de la geometría molecular, debido a que la solubilidad de un compuesto no es independiente de la geometría, como es el caso de compuestos aromáticos que varían según la geometría orto, meta o para. Cuando se produce un puente de hidrógeno intramolecular, aumenta mucho la lipofilia. En el cálculo de log P en carburos alifáticos, se daban errores por la hidrofobicidad del H (valores π cero en Hansch, cuando en realidad son positivos). Por ello, Nys y Rekker definen valores fragmento (Fx) o grupos, en una ecuación donde f es la constante hidrófoba de un fragmento i, también el número de fragmentos, su frecuencia y junto a un factor de corrección. Las variaciones de cálculo con este método de log P se deben a que en la solvatación influyen factores de conformación, estéricos y electrónicos; de ahí los factores de corrección de la ecuación que intentan acercar los resultados a lo obtenido de manera experimental. Entre estos factores, se distinguen: presencia de átomos de hidrógeno con grupos electronegativos, conformación, grupos aromáticos y neutros, efecto proximidad (centros electronegativos), grupos electronegativos junto a alquilos, tipo de soporte, resonancias, etc. También Ghosh y Crippen, en vez de dividir en fragmentos o grupos, dividen en átomos, donde ni es el número de átomos de tipo i. Este método es más complejo debido a la cantidad de información. Asimismo, Suzuki y Kudo se basan en fragmentos, pero sin utilizar factores de corrección. En la ecuación, se muestra el número total de grupos N, la cantidad de veces que se repite un grupo ni y Gi, la contribución del grupo al log P.

Descriptores Electrónicos

La reactividad de una molécula se basa en gran parte en sus propiedades electrónicas. La unión fármaco-receptor depende de las uniones polares, determinadas por las densidades electrónicas de los átomos, y no solo de las interacciones hidrófobas. Los parámetros electrónicos surgen para predecir y cuantificar la influencia de los sustituyentes en las reacciones. Hammett propuso en su postulado que los efectos electrónicos de un conjunto de sustituyentes deberían ser parecidos en diferentes reacciones orgánicas, e intentó relacionar la estructura química (efectos electrónicos) con las constantes de equilibrio y cinéticas a través de una ecuación. La ecuación engloba dos parámetros: ρ o constante de reacción, característico del tipo de reacción, la temperatura y el disolvente a la que sucede, y que mide la sensibilidad de la reacción en relación con la sustitución sobre el compuesto original; y σ o constante del sustituyente, que caracteriza al sustituyente y su capacidad para atraer o repeler electrones con efectos inductivos y de resonancia. Depende de las propiedades electrónicas del sustituyente y de la posición en el anillo aromático. Se puede calcular con el logaritmo de la diferencia de las constantes de equilibrio K/K₀. La ecuación de Hammett también engloba las constantes de velocidades de disociación del compuesto sustituido (k) y del original (k0). Para demostrar su teoría, Hammett eligió reacciones de ionización de ácidos benzoicos, siendo el compuesto con sustituyente el ácido benzoico con sustituyente en el anillo. Cuanto mayor capacidad tenga el sustituyente comparado con H para atraer electrones, mayor será la constante de equilibrio, mayor la acidez del grupo carboxílico (reacción desplazada hacia la derecha) y más positivo será σ, y viceversa. Un valor alto de ρ supone alta sensibilidad a los efectos de los sustituyentes. Las reacciones de donación tienen un valor de ρ negativo, mientras que las que atraen electrones lo tienen positivo.

Descriptores del Tamaño y Topología de los Sustituyentes

Tamaño y Volumen

El tamaño de los sustituyentes es muy importante en la interacción fármaco-receptor, por ello, a veces, la afinidad de los receptores depende del volumen del sustituyente. Para medir el tamaño, se utiliza Es, definido por Taft en una reacción de hidrólisis ácida de acetatos de alquilo sustituido en α por un sustituyente (cuanto más grande, más negativo es Es), que define la velocidad de reacción según el volumen del sustituyente. También, según Verloop y Tipker, el parámetro STERIMOL da idea de la forma y tamaño del sustituyente no esférico. Estos parámetros definen valores de L (longitud que sale el grupo sustituyente) y anchura. También en QSAR se utilizan los parámetros de peso molecular, refractividad molar (RM), parácoro (volumen molar del líquido), y radios y volúmenes de van der Waals. La refractividad molar se correlaciona con Es y STERIMOL, y también define la polarizabilidad del grupo ante enlaces de van der Waals.

Topología

Sobresale el índice de conectividad de Kier (X), que es la suma de las contribuciones de los fragmentos S, definidos estos por la conectividad (δ) o número de enlaces totales que forma cada átomo sin contar el H. El índice define bien las propiedades fisicoquímicas de isómeros con o sin ramificaciones. La molécula se disecciona en subestructuras según la conectividad.

Bioisosterismo y QSAR

Teniendo en cuenta los parámetros fisicoquímicos, el bioisosterismo puede ser isométrico (parámetros parecidos) o no isométrico (parámetros diferentes). Un ejemplo es la piridina, el benceno y el tiofeno. Los dos últimos tienen valores semejantes de log P y refractividad molar, pero la piridina es más electrófila e hidrófila, por lo que no son bioisósteros isométricos.