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INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
La geometria molecular es una característica molecular fundamentalmente importante que a menudo determina el destino de un compuesto en términos de interacciones moleculares con sus blancos farmacológicos. La complementariedad de la unión en las interacciones ligando-receptor, péptido-receptor, antígeno-anticuerpo y proteína-proteína es clave para la vida y la supervivencia, pero también para reconocer la bioactividad de las moleculas. En la presente práctica damos algunos ejemplos de la aplicación de métodos computacionales para el estudio de la geometria molecular, las estructuras tridimensionales, estudio de las cuales se derivan estudios de las relaciones de actividad de estructura cuantitativa, los modelos de clasificación y los algoritmos de búsqueda de similitudes. Estos métodos in silico han demostrado recientemente la importancia y aplicabilidad de determinar la forma molecular en la búsqueda de nuevos fármacos, el cribado virtual y la toxicología predictiva.
Para el modelaje de la estructura y comportamiento dinámico de la estructura de las moleculas se hace uso d e un conjunto de ecuaciones para los valores de . estos campos de fuerza o Force fields son potenciales interatómicos con parámetros que describen la energía intra e intermolecular de los sistemas químicos. Dentro de los diversos campos de fuerza disponibles destaca el campo de fuerza molecular de Merck (MMFF), que es una familia de campos de fuerza química desarrollados por Merck Research Laboratories. Se basan en el campo de fuerza MM3. MMFF no está optimizado para simulaciones de sistemas moleculares constituidos por proteínas o moléculas orgánicas pequeñas, pero sus resultados son razonablemente buenos cuando se aplica a una amplia gama de cálculos de química orgánica. Los parámetros de los campos de fuerza se han derivado de datos computacionales que constan de aproximadamente 2800 estructuras que abarcan una amplia gama de clases químicas.
OBJETIVOS
OBJETIVOS
Obtener y visualizar modelos moleculares tridimensionales de fármacos, utilizando software fácilmente disponible y de libre acceso (open source).
Diseñar y optimizar la geometría de moléculas orgánicas usando el programa Avogadro.
METODOLOGÍA
METODOLOGÍA
Materiales:
Base de datos de compuestos químicos: PubChem
Bases de datos de compuestos bioactivos: DrugBank
Base de datos de proteínas: PDB
Programa de edición y visualización de estructuras moleculares: Avogadro 1.2.0 Descargar Avogadro 1.1.0 Descargar
Programa online para la generación de estructuras 3D (formato PDB) a partir de la estructura en formato SMILES: Smiles translator
Métodos
I. Visualización y análisis de la geometría molecular
I. Visualización y análisis de la geometría molecular
El profesor le dara acceso a un archivo de excel en el cuál a cada alumno se le asignara un fármaco, buscar la estructura de la molécula del fármaco y en papel dibujar el mismo y realizar predicciones de geometría molecular VSEPR para su molécula, incluya en su representación los pares de electrones solitarios y los átomos de H, y responda las siguientes preguntas.
1. ¿Cuál es la fórmula molecular de la sustancia?
2. ¿Cuántos pares de electrones solitarios hay en esta molécula?
3. Selecciones 2 átomos de diferente tipo (que no sean hidrógeno) o de diferente hibridización molecular e indique ¿Cuál es la geometría molecular alrededor del átomo seleccionado?
4. ¿Cuál es el número estérico de cada átomo seleccionado?
5. tomando como referencia y como atomo central los 2 átomos seleccionados previamente responda ¿Cuál es el ángulo de enlace alrededor del átomo marcado?
6. Indique los nombres de todos los grupos funcionales presentes en la molécula.
A continuación de modo directo mostraremos algunas de las representaciones de la estructura tridimensional de moléculas orgánicas en 2 formatos PDB y mol2. Lo primero que hay que tener en cuenta es que la data son las coordenadas en 3 dimensiones de la posición de los átomos en el espacio.
Los archivos con formato pdb (Protein data bank) son generalmente de estructuras de proteínas, pero también se puede usar para otros tipos de moléculas. Originalmente fue diseñado como, y continúa siendo, un formato de ancho de columna fijo y, por lo tanto, oficialmente tiene un número máximo incorporado de átomos, residuos y cadenas.
Los archivos con formato mol2 contiene información sobre la estructura de las molécula con varios registros, como adicionales a las coordenadas 3D, en el caso del ejemplo la carga parcial de cada átomo en la molécula.
Las visualizaciones de las moléculas pueden ser múltiples, los más reconocidos son: Wireframe, Stick, Ball and stick, Space-filling/CPK. Los mostrados como ejemplos son:
Stick: Es una represntación esqueletal de una molécula es una representación abreviada de su estructura molecular.
Space-filling/CPK: Es un tipo de representación molecular tridimensional donde los átomos se visualizan como esferas cuyos radios y distancias entre sus centros son proporcionales a sus radios atómicos y distancias entre los núcleos atómicos, respectivamente y en la misma escala.
En ambos casos el color de los átomos es el clásico CPK según el tipo de átomo (rojo oxígeno, gris carbón, blanco hidrógeno, azul nitrógeno, amarillo azufre).
Ivermectina
Protioconazol
II. Búsqueda en base de datos PUBCHEM
II. Búsqueda en base de datos PUBCHEM
Ingresar a la pagina de la base datos PUBCHEM
En la caja de busqueda escribir el termino identificador (Compound CID ): 441141 (este termino corresponde a la molécula de Vancomicina)
Buscar en la pagina obtenida el item: Canonical SMILES
Copiar el formato molecular en una hoja de excel.
La hoja de excel tiene que tener 14 columnas a ser llenada con la información a localizar en la pagina obtenida :
Compound CID
Chemical name
Common name
Molecular Formula
Canonical SMILES
Molecular Weight
XLogP3-AA
Hydrogen Bond Donor Count
Hydrogen Bond Acceptor Count
Rotatable Bond Count
Topological Polar Surface Area
Complexity
ATC Code (1)
ATC Code (2)
Repetir el mismo procedimiento pero introduciendo el nombre de los compuestos
Anestesicos locales (grupo I)
Lidocain
Tetracain
Bupivacain
Antiinflamatorios no esteroideos (grupo II)
Aspirin
Ibuprofen
Salicylic acid
Diclofenac
Agonistas adrenérgicos
Agonistas α1 (grupo III)
phenylephrine
methoxamine
alpha-Methylnorepinephrine
oxymetazoline
Agonistas α2 (grupo IV)
Clonidin
Guanfacine
Guanabenz
Dexmedetomidine
Agonista β1 (grupo V)
Dobutamine
Isoproterenol
Agonista β2 (grupo V)
salbutamol
clenbuterol
terbutaline
Por cada grupo de compuestos luego de almacenar la información en una hoja de excel, comparar sus valores de:
Molecular Weight
XLogP3-AA
Hydrogen Bond Donor Count
Hydrogen Bond Acceptor Count
Rotatable Bond Count
Topological Polar Surface Area
Discutir los resultados
La visualización interactiva de diversas moleculas se puede realizar a través de diversos programas, aquí incluimos una herramienta desarrollada por la Universidad de Pittsburgh para la visualización de moléculas, a la que hay que adicionar el código de identidad CID descrito en la base de datos PUBCHEM.
III. Edición, visualización y optimización de la estructura 3D de moléculas orgánicas
III. Edición, visualización y optimización de la estructura 3D de moléculas orgánicas
III.1 Dibujar una Molécula organica
Abrir el programa Avogadro. El programa cuenta con diferentes extensiones (encuéntralas en el menú superior) que le permite al mismo ofrecer al usuario distintas mejoras para sus trabajos. Realmente lo que más destaca de este software es que bastante rápido y eficiente, a diferencia de otros software de este estilo, que en muchas ocasiones colapsan el equipo, y requieren de capacidades técnicas bastante elevadas. En él se pueden construir moléculas, tanto orgánicas como inorgánicas, para posteriormente exportarlas como imagen o trabajar con ellas en el mismo programa.
• La Barras de herramientas en la ventana principal cuenta con:
1. Herramienta de dibujo
2. Herramienta de navegación
3. Herramienta de manipulación del enlace central
4. Herramienta de manipulación
5. Herramienta de selección
6. Rotación automática
7. Optimización automática
8. Medición
9. Alinear moléculas
•Al abrir un archivo en Avogadro, las herramientas de navegacion quedan automaticamente seleccionadas.
• Para comenzar a dibujar descliquea la opcion “Ajustar Hidógeno”. Luego dirije el cursor a la pizarra de dibujo y clickeando el boton izquierdo del mouse dibujas tu elemento.
Si deseas dibujar una molecula manten apretado el boton izquierdo y arrastra que se formara el enlace deseado.
Como ejemplo crea la estructura carbonada de la molecula del propano, y del benceno.
Si quisieras cambiar el tipo de enlace, despliega “Orden de enlace” y elige el enlace deseado.
Luego click izquierdo en el atomo en el que quieres el enlace diferente
• Errores: Si cometes un error puedes usar la opcion “Undo” (deshacer = “Ctrl + Z”) que está dentro de Editar en la barra de navegacion. Tambien puedes borrar atomos o enlaces que has agregado en los ultimos pasos, clickeando sobre ellos con el boton derecho del mouse.
si deseas eliminar un atomo, coloca el cursor sobre el átomo y un click derecho eliminará el átomo.
• Completar Hidrógenos: Cuando el esqueleto de tu molecula esta armado puedes ir a la opcion “Añadir hidrógenos” que se encuentra en la pestaña “Construir” para agregar los H faltantes.Tambien puedes hacerlo a traves de la opcion “Ajustar Hidrógenos” del menu Configuración de Dibujo, seleccionandola y luego clickeando encima de cada atomo que requiere H.
• Extender la molecula: Simplemente te paras en el hidrógeno y este se transforma en el átomo que desees agregar. Tambien puedes cambiar el numero de enlaces con Orden de enlace y la cantidad de hidrogenos varia automaticamente, repetando la tetravalencia del C.
• Optimizar la Geometría:
Primero ir al menu Extensions --> Molecular Mechanics --> Setup Force field
Seleccionar el ForceField MMFF94
Seleccionar el algoritmo de mimimización de energía: Steepest Descent o Conjugate gradient
Luego ir al menu Extensions --> Optimize geometry
Otra alternativa es hacer click sobre la herramienta “Optimización Automática” (boton E) o presionar a la vez las teclas “Ctrl + Alt + O”.
Con Ctrl + Backspace se borra todo lo hecho en la ventana de edición.
• Moviendo nuestra molecula: Para mover nuestra molecula seleccionamos el boton “herramienta de navegación (F9)” (estrella) en la barra de herramientas.
- Se puede rotar la molecula usando el click izquierdo del mouse.
- Si el click lo hacemos en un espacio vacio la molecula rota alrededor de su centro
- Si deseamos que rote sobre un atomo hacemos click sobre ese atomo.
- Si deseamos centrar nuevamente nuestra molecula, vamos a la barra de navegacion, en la pestaña “Ver” y elegimos la opcion “Centrar”
- Para arrastrar la molecula debemos mantener clickeado el boton derecho del mouse y arrastrar…
- Para acercarla o alejarla (Zoom) utilizo el scroll del mouse (esta accion tiene un cierto retardo).
• Para guardar como imagen: Entrar en “Archivo”, luego “Exportar”, “Gráficos” y seleccionar un formato común de imagen como png., jpeg. O bmp.
III.2 Importar una estructura al programa Avogadro usando el formato SMILES
Ir a la pagina de la base datos PUBCHEM
Hacer click en la etiqueta Draw structure y proceder a dibujar la estructura del siguiente compuesto: lynk
Observar que al terminar de dibujar la estructura organica se genera su formato SMILES en la caja superior de la ventana del programa.
Copiar el formato molecular en una hoja de excel.
Ir al programa Avogadro, Menu Build --> Insert --> Smiles
Aparecera la estructura de la molecula dibujada.
Proceder a su optimización geométrica
Salvar las coordenadas de la molécula, Menu File ---> save as... --> Paracetamol.pdb
III.3 Obtener una superficie de Potencial electrostático
Con la estructura de la anterior etapa del analisis
Ir al menu extensions --> create surfaces
Seleccionar
Surface type: Van der Waals
Color by: Electrostatic potential
Resolution: medium
in display type: Surfaces
Observar la superficie sobre la estructura, interpretar los resultados
Para guardar como imagen: Entrar en “Archivo”, luego “Exportar”, “Gráficos” y seleccionar un formato común de imagen como png., jpeg. O bmp.
Ejercicio final. Tomando como referencia la estructura del fármaco asignado al inicio de la clase indique los componentes de lo sistemas moleculares (número y tipo de particulas) de acuerdo a las aproximaciones teóricas siguientes: a) Mecánica molecular, b) Mecánica cuántica.
IV. PROBLEMAS
IV. PROBLEMAS
1. Dada las siguientes coordenadas para el ácido acetilsalicílico, ¿Cuáles serán sus coordenadas si desplazamos la molécula 10 A en la dirección del eje Y.
2. Del anterior ejercicio, a) ¿Cuál es la distancia de enlace entre el átomo 1 y 15? b) ¿Cuál es el ángulo formado por los átomos 4, 2 y 5? c) ¿Cuál es el ángulo diedro formado por los átomos 5, 4, 6 y 10?
3. Del anterior ejercicio. ¿Cuál es la energía de enlace entre el átomo 7 y 18, de acuerdo al termino de enlace del campo de fuerza:
Si: Kr(C-Ar-H) = 55.5 Kcal mol-1/Å2 y req = 1.084 Å
4. La hormona adrenalina interactúa con las proteínas ubicadas en la superficie de las células y no atraviesa la membrana celular. Sin embargo, las moléculas esteroideas más grandes, como la estrona, cruzan las membranas de las células e interactúan con las proteínas ubicadas en el núcleo celular. ¿Por qué una molécula esteroide grande puede atravesar la membrana celular cuando una molécula más pequeña como la adrenalina no puede?
5. Queremos optimizar el siguiente sistema molecular usando el campo de fuerza MMFF94. ¿Como plantearíamos la función de energía a minimizar?
EMMFF = ΣEBij + ΣEAijk + ΣBAijk + ΣEOOPijk;l + ΣETijkl +ΣEvdWij + ΣEQij
6. Para las siguientes moleculas indique los componentes de lo sistemas moleculares (número y tipo de particulas) de acuerdo a las aproximaciones teóricas siguientes: a) Mecánica molecular, b) Mecánica cuántica.
Como segundo ejercicio con este grupo de moleculas, realizar predicciones de geometría molecular VSEPR para cada molécula, incluya en su representación los pares de electrones solitarios y los átomos de H, y responda las siguientes preguntas:
1. ¿Cuál es la fórmula molecular de la sustancia?
2. ¿Cuántos pares de electrones solitarios hay en esta molécula?
3. Selecciones 2 átomos de diferente tipo (que no sean hidrógeno) o de diferente hibridización molecular e indique ¿Cuál es la geometría molecular alrededor del átomo seleccionado?
4. ¿Cuál es la geometría alrededor de cad átomo seleccionado?
5. tomando como referencia y como atomo central los 2 átomos seleccionados previamente responda ¿Cuál es el ángulo de enlace alrededor del átomo marcado?
6. Indique los nombres de todos los grupos funcionales presentes en la molécula.
7. Usando el campo de fuerza MMFF94, queremos determinar la energía de interacción entre las dos moléculas del siguiente sistema. ¿Como plantearíamos la función de energía de interacción para este sistema?
EMMFF = ΣEBij + ΣEAijk + ΣBAijk + ΣEOOPijk;l + ΣETijkl +ΣEvdWij + ΣEQij
8. Enalapril, es un medicamento que se usa para tratar enfermedades cardíacas. Identificar el estado de hibridación y la geometría molecular en los átomos indicados en el Enalapril.
9. La energía electrostática, entre dos particulas i y j, se describe mediante la ley de Coulomb.
Donde q1 y q2 son las cargas de los dos átomos y rij es la distancia entre ellos. La constante ε0 es la permitividad del vacío, ε0 = 8.854 x 10-12 C2 .N-1m-2, y ε es la constante dieléctrica del medio. Considere la interacción electrostática entre un aminoácido cargado negativamente (por ejemplo, aspartato) y un aminoácido cargado positivamente (por ejemplo, arginina) separados por r Å en una proteína. a) ¿Cuál es la energía electrostática de esta interacción? (r= 2.8 Å) b) ¿Cuál es la fuerza requerida para aumentar la separación de las dos cargas por 0.1 Å? Suponga que las cargas están expuestas al agua (constante dieléctrica = 78.4).
10. Los siguientes son datos obtenidos en la base de datos PubChem para los fármacos antihipertensivos: Reserpine y Rescinnamine
a) Determinar el porcentaje de estos fármacos que podrían ser absorbidos en el estómago (pH~2), intestino (pH~6.5) y en el colon (pH~8) b)¿Qué propiedades farmacocinéticas y farmacodinamicas, Usted considera diferencian estos dos compuestos? Fundamente
11. Los siguientes son datos obtenidos en la base de datos PubChem para los fármacos antiinflamatorios no esteroideos:
a) Determinar el porcentaje de estos fármacos que podrían ser absorbidos en el estómago (pH~2), intestino (pH~6.5) y en el colon (pH~8). b) A continuación mostramos un esquema del sitio de unión de estos fármacos a la enzima ciclooxigenasa I
Indicar cuál de los fármacos planteados llegara más rápido al sitio de acción (Ej: tejido muscular) y cuál tendría una mayor fuerza de unión a la enzima. Basar su respuesta en los datos mostrados en la tabla y el esquema del sitio de unión a la enzima.
12. Los siguientes son datos obtenidos en la base de datos PubChem para los fármacos Agonistas adrenérgicos α1:
a) Completar la tabla. b) Determinar el porcentaje de estos fármacos que podrían ser absorbidos en el estómago (pH~2), intestino (pH~6.5) y en el colon (pH~8). c) Basados en los datos mostrados ¿Cuál de estos fármacos con mayor probabilidad se almacenarían en tejido graso?
V. ACTIVIDADES OPCIONALES
V. ACTIVIDADES OPCIONALES
1. Usando el programa RASMOL representar la interacción de la cicloxigenasa 2 con las moléculas:
Determinar los aminoácidos proximos,, las posibles interacciones intermoleculares y compararlos entre si.
Entregar:
Un informe de una hoja con alguna imagen y una respuesta a las preguntas.
El script *.top para reproducir la visualización
Hacer la entrega por el campus virtual de la Facultad
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