Thermodynamique de la liaison et de l’efficacité du ligand

L’objectif principal de tout effort de découverte de médicaments est d’augmenter au maximum la puissance des composés potentiels tout en optimisant les nombreuses autres propriétés physiques nécessaires au développement de médicaments. Dans la plupart des cas, peu d’efforts sont investis pour comprendre les quantités thermodynamiques sous-jacentes d’enthalpie et d’entropie qui sont responsables de la détermination de l’énergie libre. Plus récemment, il est devenu courant de refondre les énergies libres de liaison en termes d’efficacité du ligand, c’est-à-dire, la puissance par atome lourd. 1 − 5 Efficacité du ligand et propriétés thermodynamiques (Δ H et Δ S ) peut fournir des indications sur la liaison de ligands qui vont au-delà de simples comparaisons de puissance. Il a été suggéré que des ligands et des ligands plus efficaces avec plus d’enthalpies négatives de liaison 6 fournissent de meilleurs points de départ pour l’optimisation du plomb. Bien que ces deux concepts aient généralement été considérés indépendamment, un argument sera fourni ici qu’ils sont liés.En ce qui concerne l’enthalpie et l’entropie de liaison, Friere et autres6,9 ont présenté un argument intrigant que les médicaments (ligands) qui se lient principalement en raison de les enthalpies favorables jouissent de certains avantages par rapport aux drogues où la liaison est principalement déterminée par l’entropie. Certains des arguments en faveur de l’enthalpie sont que les interactions enthalpiques améliorent la sélectivité en raison de leur spécificité géométrique, et elles sont intrinsèquement plus efficaces car elles ont tendance à avoir une amplitude plus grande que les effets entropiques. Le deuxième point suggère déjà un effet sur l’efficacité globale du ligand. Les arguments en faveur de l’efficacité du ligand ont été largement exposés dans la littérature et sont maintenant bien acceptés. Un travail récent4,8,10,11 a montré que la définition standard de l’efficacité du ligand est problématique pour comparer des ligands de taille disparate car l’efficacité du ligand est elle-même fonction de la taille moléculaire. Une question qui se pose à cet égard est le degré auquel l’enthalpie et l’entropie contribuent à la diminution observée des rendements moyens lorsque les ligands deviennent plus grands. L’entropie est généralement considérée comme un problème pour les ligands plus grands, car probablement plus de degrés de liberté conformationnels devraient être perdus lors de la liaison. En effet, c’était la logique employée par Andrews2 pour inclure un facteur de correction dans son schéma d’additivité de groupe basé sur le nombre de liens rotatifs. Dans un article précédent, l’analyse computationnelle de la contribution de l’entropie conformationnelle n’a montré aucune tendance discernable4 en ce qui concerne la taille du ligand. La mesure expérimentale de la thermodynamique de la liaison du ligand peut être réalisée par des techniques telles que la calorimétrie isotherme. En raison de la complexité, de la quantité de protéine requise et du faible rendement des expériences ITC, l’enthalpie et l’entropie de la liaison du ligand ne sont pas systématiquement mesurées. Grâce au travail d’un certain nombre de laboratoires principalement universitaires, la disponibilité de ces données pour une variété de cibles protéiques a connu une croissance constante. Certaines de ces données ont été archivées dans la base de données BindingDB accessible au public.Nous avons utilisé des données thermodynamiques pour environ 100 composés dans 14 classes cibles de BindingDB pour analyser l’effet de l’enthalpie et de l’entropie sur la liaison et l’efficacité des ligands. Les données thermodynamiques de liaison pour 102 complexes ligand-protéine utilisés dans cette étude sont incluses. Information. En plus des enthalpies et des entropies de liaison, les efficacités des ligands ont été calculées sur la base de l’énergie libre (comme cela est généralement fait), de l’enthalpie et de la température. Cela fournit un aperçu considérable des facteurs qui déterminent les tendances observées précédemment en ce qui concerne l’efficacité du ligand. En outre, les propriétés thermodynamiques pour des cibles protéiques spécifiques telles que la protéase du VIH-1, l’aldose réductase, la HMG Co-A réductase et la caspase-3 ont été examinées de plus près. Ces cibles ont été choisies parce qu’elles ont des sites actifs très différents en termes de taille et de polarité, et les tendances observées dans les propriétés thermodynamiques diffèrent significativement. Les graphiques et les statistiques ont été générés à l’aide de Spotfire.14Une caractéristique largement observée de la thermodynamique de liaison des protéines est l’apparente traction entre l’enthalpie et l’entropie15. En général, les complexes de protéines et de ligands qui présentent plus d’enthalpies négatives de liaison le font au prix de termes plus positifs et vice-versa. Cet effet de compensation de l’entropie d’enthalpie est clairement mis en évidence dans les complexes ligand protéine ∢ dans la présente étude. Un graphique comparant Δ H à − T Δ S montre une corrélation remarquable (Figure ​ (Figure 11). Figure 1Plot d’enthalpie (Δ H) vs entropie (− Les ligands avec les entropies les plus favorables de liaison ont en fait des enthalpies positives de liaison.Inversement, les enthalpies les plus favorables ont des entropies très défavorables de liaison.Même si le Δ H et − T Δ # x00394; les valeurs S sont fortement corrélées, cela ne signifie pas que l’enthalpie ou l’entropie de la liaison est un bon indicateur de l’énergie libre. x00394; S ne montre pas une telle corrélation (Figure ​ (Figure 22) .Figure 2 (a) Tracé de l’enthalpie (Δ H) et (b) tracé de l’entropie (− T Δ S) vs énergie libre (Δ G) .Intuitivement, on pourrait s’attendre à ce que les ligands qui ont des interactions très spécifiques du type attendu produire plus d’enthalpies négatives seraient plus rigides et, par conséquent, moins favorables à l’entropie. si vrai que numériquement, l’enthalpie et l’entropie doivent être corrélées négativement si l’énergie libre est maintenue constante puisque l’énergie libre est une somme de Δ H et − T Δ S. La distribution des enthalpies et entropies (− T Δ S) diffère, avec presque tous les liants raisonnables ayant des enthalpies négatives de liaison, alors que seulement un peu plus de la moitié des ligands dans cet ensemble de données particulier ont un négatif − T Δ valeurs S Les diagrammes de l’enthalpie et de l’entropie par rapport à l’énergie libre (Figure 2) soulignent les risques liés à l’utilisation de l’énergie libre comme substitut.19 − 21 Par exemple, les enthalpies d’interaction de la figure ​ Figure2a2a globalement ne montrent aucune corrélation avec l’énergie libre. Ceci est troublant puisque la plupart des études de modélisation utilisent des énergies d’interaction calculées à partir d’une structure de basse énergie, c’est-à-dire essentiellement enthalpique.Un examen plus approfondi de la figure 2,2, cependant, montre (Figure3a, b ) 3a, b) que dans certaines cibles spécifiques, l’enthalpie et l’énergie libre semblent être relativement bien corrélées (par exemple, la protéase du VIH-1 et l’aldose-réductase). Les ajustements par les moindres carrés de ces données confirment (Tableau 1) que les énergies libres pour ces cibles sont fortement corrélées avec l’enthalpie. Cela peut expliquer pourquoi ces cibles ont été modélisables.22,23 D’autres cibles individuelles, telles que l’HMG CoA réductase et la caspase-3, sont cohérentes avec la tendance générale, n’ayant aucune corrélation discernable entre l’enthalpie et l’entropie (Figure &#x200B (Figures 3c, d) .3c, d). Il faut également noter que dans les cas où l’enthalpie et l’énergie libre sont corrélées, il en est de même pour l’entropie, conséquence de l’enthalpie et de la compensation de l’entropie. Ainsi, toute théorie sur la raison pour laquelle certaines cibles montrent une meilleure corrélation entre l’enthalpie et l’énergie libre doit également considérer que la corrélation peut aussi être due à un aspect de l’entropie (− T Δ S). En effet, dans le cas de la protéase du VIH-1, on pourrait soutenir que cette protéine est &#x0201c, bien comportée ” en termes de corrélation entre les énergies d’interaction calculées et l’affinité car l’affinité est dominée par − S, vraisemblablement principalement le déplacement de l’eau.Figure 3 Tracé de Δ H contre Δ G pour (a ) Protéase du VIH-1, (b) aldose réductase, (c) HMG CoA réductase et (d) caspase-3.Il ressort clairement des statistiques du tableau 1 qu’il existe une grande variation du pouvoir prédictif des enthalpies en ce qui concerne libérer des énergies de liaison.C’est un facteur qui doit être pris en compte lors de la modélisation des interactions protéine / ligand.Tableau 1Corrélation de Δ H avec Δ GIt est intéressant pour examiner la relation de chaque propriété thermodynamique par rapport à la taille moléculaire (Figure ​ (figure4) .4). On pourrait soutenir, d’après la Figure 44, qu’il existe une très légère tendance vers les enthalpies les plus favorables observées dans le régime des petites molécules et les entropies les plus favorables observées dans le régime des grandes molécules. Cependant, ces tendances semblent au mieux ténues pour les valeurs S et H natives.Figure 4 (a) Δ H et (b) − T Δ S vs taille moléculaire (nombre d’atomes lourds). Les tendances deviennent plus claires lorsque les enthalpies et les entropies de liaison sont converties en rendements d’enthalpie et d’entropie, c’est-à-dire, H / (nombre d’atomes lourds) et − T Δ S / (nombre d’atomes lourds). Juste pour montrer que cet ensemble de données relativement petit n’est pas inhabituel, les efficacités de ligand typiques (Δ G / nombre d’atomes lourds) sont tracées sur la figure ​ Ces efficacités de ligand suivent la même tendance observée avec les ensembles de données précédents d’efficacité optimale décroissante avec la taille croissante. les rendements d’enthalpie et d’entropie sont donnés sur la figure ​ les figures 6a, b, 6a, b respectivement. Il est immédiatement apparent que l’enthalpie et l’entropie se comportent différemment. En général, les rendements d’enthalpie présentent une courbe très similaire à celle observée pour les énergies libres (figure ​ (figure5) .5). Les rendements d’enthalpie les plus optimaux se détériorent de manière significative à mesure que la taille moléculaire (nombre d’atomes lourds) augmente, de même que, dans une moindre mesure, les rendements moyens d’enthalpie. Par exemple, les rendements d’enthalpie moyens pour les comptes d’atomes lourds de 0 − 19, 20 − 39 et 40 M sont 77 − 0.66, − 0.33, et − 0.13, respectivement. En revanche, les efficacités d’entropie présentent un comportement très différent. Strictement parlant, les efficacités optimales d’entropie s’aggravent à mesure que la taille moléculaire augmente, mais avec une marge beaucoup plus petite. En outre, même cette légère perte d’efficacité à mesure que la taille augmente est due à seulement quatre ligands ciblant le farnésyl diphosphate. Sinon, l’efficacité optimale de l’entropie est peu modifiée sur toute la gamme des tailles moléculaires. Il est intéressant de noter que ces mêmes quatre ligands ont des rendements d’enthalpie inhabituellement défavorables, un autre cas de compensation d’entropie d’enthalpie qui se traduit par des efficacités énergétiques libres au milieu de la route (Figure 5) .5). La distribution des rendements d’entropie est très large pour les petits ligands et devient significativement plus étroite à mesure que les ligands deviennent plus grands. Cependant, les rendements d’entropie moyens sont relativement inchangés dans toute la gamme des tailles moléculaires, avec une valeur moyenne globale proche de 0. Cela peut être démontré en comparant les rendements d’entropie moyens pour différentes tailles, comme cela a été fait précédemment pour les rendements enthalpiques. Les rendements d’entropie moyens pour les comptes d’atomes lourds de 0 − 19, 20 − 39 et 40 − 77 sont de +0,06, +0,01 et − 0,10, respectivement. Cette analyse des données ITC expérimentales est cohérente avec les calculs antérieurs4 en suggérant que les entropies de liaison (− T Δ S) ne conduisent pas la différence d’efficacité des ligands observée pour les ligands petits et grands. L’effet semble être principalement enthalpique, un résultat qui peut sembler surprenant mais qui est également cohérent avec une analyse récemment rapportée des enthalpies de liaison.8 Figure 6 (a) Efficacité de l’enthalpie, Δ H / (nombre d’atomes lourds), et (b) l’efficacité de l’entropie, S / (nombre d’atomes lourds), par rapport au nombre d’atomes lourds. Cette analyse des rendements d’enthalpie et d’entropie est cohérente avec le travail précédent en suggérant que le grand changement, des efficacités moyennes (ou maximales) des ligands, observées lorsque la taille du ligand est modifiée, est intrinsèquement un effet enthalpique et non, comme on le suppose parfois, un effet entropique. Les calculs précédents n’ont trouvé aucune tendance à la taille dans l’entropie de liaison due à la perte d’entropie conformationnelle des ligands4. Ces résultats sont également cohérents, mais peut-être pas probants, de l’hypothèse avancée basée sur des modèles computationnels simples. l’enthalpie est le résultat de l’augmentation de la complexité des ligands et de la nécessité de satisfaire simultanément plusieurs contraintes géométriques.4,24 Le graphique de l’efficacité de l’entropie par rapport à la taille (Figure 6b) indique que les effets d’entropie moyens peuvent être essentiellement linéaires en ce qui concerne la taille, bien que la distribution soit extrêmement large pour les ligands de taille petite à moyenne.En conclusion, nous avons analysé les enthalpies mesurées et les entropies de liaison pour environ 100 complexes de ligands de protéines afin de comprendre certaines des tendances de ces propriétés thermodynamiques. L’examen des enthalpies et des entropies montre qu’il existe une très forte corrélation négative entre ces propriétés thermodynamiques. Ceci est cohérent avec la sagesse conventionnelle de la découverte de médicaments et est bien sûr en partie une conséquence de la relation entre H, S, et G. Les tracés de ces propriétés par rapport à la taille moléculaire montrent un certain nombre de tendances significatives pour la découverte de médicaments. Tout d’abord, il existe une tendance générale, probablement la plus facile à observer en examinant les rendements d’enthalpie et d’entropie, à savoir qu’en moyenne, l’enthalpie domine l’affinité de la plupart des petits ligands. Il est également apparent que la forte dépendance de la taille à l’efficacité des ligands (moyenne ou optimale) rapportée dans la littérature est principalement une conséquence de l’enthalpie, pas de l’entropie. Les contributions d’entropie pour l’ensemble actuel de ligands sont intéressantes en ce sens que la contribution moyenne par atome lourd est remarquablement constante, et très proche de 0, sur toute la gamme des molécules. tailles. Dans le cas de petits ligands, la variance est très grande, mais elle semble converger vers une petite plage de valeurs pour les ligands plus grands. Ceci est quelque peu contre-intuitif par rapport aux arguments conventionnels selon lesquels on pourrait s’attendre à ce que les entropies de conformation soient pénalisées en termes d’entropie et puissent montrer que l’entropie conformationnelle est relativement faible à d’autres facteurs, comme le déplacement des eaux de l’actif site. On pourrait s’attendre à ce que ce dernier effet soit plus corrélé avec la taille moléculaire et plus important pour les ligands plus grands dans des sites de liaison plus hydrophobes. Enfin, s’il est vrai que la corrélation entre Δ H, ou − T Δ S, avec l’énergie libre est globalement très pauvre, dans beaucoup de cas individuels la corrélation est assez bonne. C’est une considération importante pour les efforts visant à modéliser les interactions protéine / ligand. Dans la plupart des cas, les énergies utilisées dans les études de modélisation sont générées à partir d’une seule configuration (par exemple, pose ou conformation) ou, au mieux, de quelques configurations critiques et peuvent être considérées comme une enthalpie approximative. Sur la base de l’analyse ci-dessus, on peut s’attendre à ce que ces calculs fournissent de bonnes affinités estimées dans les cas où H (et par association) sont corrélés avec l’affinité. Cependant, dans les cas où cela n’est pas vrai, apparemment une situation commune (Figure 2a), les résultats devraient être très médiocres. Cela donne beaucoup de matière à réflexion sur l’importance d’utiliser des énergies libres calculées plutôt que de simples énergies d’interaction dans la conception de médicaments à base de structure.