Расчет квантово-химических параметров ФАВ и определение зависимости "структура-активность" на примере сульфаниламидов (стр. 3 из 19)

Основной недостаток метода Хартри – Фока - вероятность найти электрон в некоторой точке пространства не зависит от местонахождения других электронов, распределение в пространстве которых задано одноэлектронными волновыми функциями. В результате двум электронам с одинаковыми спинами не запрещено занимать одну и ту же точку пространства. В действительности электроны с одинаковыми спинами стремятся избежать находится не только в одной точке пространства, но даже близко друг от друга. Пренебрежение этим эффектом, который принято называть электронной корреляцией, приводит к существенному завышению энергии взаимодействия электронов и, как следствие, завышению полной энергии молекулы.

1.1.3 Метод Хэнча

Основное содержание метода — эмпирическая модель биологической активности, основанная на линейной зависимости свободной энергии исследуемого процесса от физико - химических параметров соединения, рассматриваемых как независимые переменные. Поэтому метод Ханша также широко известен под наименованием «соотношения линейности свободной энергии». Метод основан на предположении о существовании корреляции между факторами, определяющими биологическую активность, и физико-химическими параметрами веществ в гомологических рядах химических соединений. Кроме того, оказывается, что все физико-химические факторы, связанные с транспортными свойствами и взаимодействиями активного центра, слагаются из трех составляющих — гидрофобной, электронной и стерической. Вклад каждой из этих составляющих характеризуется с помощью соответствующих констант заместителя, описывающих различие в свойствах между первым членом гомологического ряда и рассматриваемым соединением. Гидрофобность соединения описывается логарифмом коэффициента распределения соединения между водой и фазой, моделирующей липид, обычно нормальным октиловым спиртом.

В 1964 г. Ханш и Фуджита [10] путем сочетания двух гипотез с уравнением Гаммета [11] вывели соотношение, нашедшее наиболее широкое применение в исследованиях связи между структурой и активностью. Они постулировали, что скорость биологического отклика (БО) является произведением трех множителей. В их число входят: А — вероятность того, что биологически активная молекула достигнет в течение заданного интервала времени рецептора, С — молярная концентрация биологически активного вещества и КХ — скорость реакции биологически активного соединения с рецептором. Произведение параметров А и С получило наименование «эффективной концентрации» и представляет собой концентрацию вещества в зоне, прилегающей к рецептору.

Некоторые другие параметры

В исследованиях, связанных с соотношением линейности свободной энергии, был применен целый ряд других физико - химических параметров. Многие из этих параметров непосредственно дают информацию о молекулярной структуре соединения. К ним относятся, например, молекулярный вес и количество атомов определенного вида. В ряде исследований в качестве параметра использовалась молекулярная рефракция, характеризующая поляризуемость молекулы [12]. В последнем обзоре Ханша рассмотрены параметры различных типов, спектроскопические константы и индикаторные переменные. Индикаторные параметры - это параметры, указывающие на наличие в молекуле некоторой субструктурной группы [13]. Проводились также исследования, в которых экспериментальные параметры использовались вместе с субструктурными и индикаторными [14].

1.1.4 Регрессионный анализ и статистические параметры

Обычно данные биологических испытаний бывают определены со значительно меньшей точностью, чем физико-химические характеристики. Поэтому биологические данные выбирают в качестве зависимых, а физико-химические параметры - в качестве независимых переменных регрессии. Далее выполняется процедура метода наименьших квадратов, и рассчитываются статистические параметры, на основании которых можно судить об адекватности предложенной модели. Обычно регрессионный анализ осуществляется путем последовательного добавления независимых переменных и одновременной проверки характера изменения статистических критериев (метод прямого отбора). Цель такой процедуры — отыскание минимального числа переменных, достаточного для построения статистически значимой корреляционной зависимости. Автоматизированный вариант такой программы приведен в работе [15]. Метод работает таким образом, что на каждом шаге добавляется та переменная, которая обеспечивает максимальное улучшение качества модели. И так до тех пор, пока добавление новой переменной не перестанет давать существенного улучшения точности описания экспериментальной зависимости. Аналогичным образом на каждом шаге проводится проверка каждой переменной по отдельности и исключение ранее включенных в регрессию переменных. Вся процедура отбора переменных основывается на предположении, что переменные, идентифицированные по отдельности как наилучшие, и в совокупности будут образовывать наилучший набор переменных. Такое предположение не всегда оправдывается, особенно в тех случаях, когда между переменными, имеется сильная связь.

1.1.5 Аддитивная модель Фри – Вильсона

В аддитивной модели предполагается, что биологический отклик соединения может быть представлен как сумма активностей заместителей плюс некая общая средняя активность.

Эта модель основана на предположении о том, что вклад данного заместителя, находящегося в структуре в данном положении, всегда одинаков независимо от того, в каком соединении присутствует рассматриваемый заместитель. Величины вкладов заместителей рассчитываются с помощью множественного линейного регрессионного анализа. Для построения линии регрессии необходима только информация о молекулярной структуре и биологической активности соединений, никакие физико-химические параметры не используются.

При анализе данных методом Фри - Вильсона для каждого соединения составляется линейное уравнение, а параметры рассчитываются методом наименьших квадратов. Здесь применяются те же статистические критерии, что и при анализе методом Ханша. Если рассчитанные статистические критерии являются удовлетворительными и тем самым обоснована применимость аддитивной схемы, то с помощью полученных таким образом параметров линейного соотношения можно восстановить величины биологической активности соединений, составляющих исходную выборку. При этом отдельные сильные отклонения от линейной зависимости могут быть сразу же идентифицированы. И наконец, наиболее важный результат состоит в том, что с помощью рассчитанных значений параметров можно предсказать активность соединений, образованных путем всевозможных сочетаний и перестановок исходных заместителей. Относительные вклады в биологическую активность различных заместителей, расположенных в соединении в различных положениях, могут быть упорядочены

Главный недостаток метода Фри — Вильсона заключается в том, что для описания всех заместителей требуется очень большое число переменных. К тому же иногда приходится иметь дело с вырожденными матрицами. Таким образом, при использовании метода Фри — Вильсона исследователю приходится выбирать одну из двух возможностей: либо испытывать большое количество производных, либо ограничивать количество заместителей и их положений в структуре. Результат выбора, очевидно, определяется спецификой конкретной задачи.

1.1.6 Метод Хюккеля, расширенный метод Хюккеля

Исторически метод, предложенный Эрихом Хюккелем в 1931 г., являлся первым полуэмпирическим квантово - химическим методом. В настоящее время он используется лишь для качественного объяснения свойств главным образом π - сопряженных молекул. Для количественных расчетов используется вариант данного метода, введенный в практику в 1961 г. Р. Хоффманом и получивший название расширенного метода Хюккеля. Он является простейшим, наиболее быстрым и вместе с тем наименее точным полуэмпирическим квантово-химическим методом. Его использование ограничивается в основном анализом структуры молекулярных орбиталей — определением их формы и последовательности.

Электрон - электронное взаимодействие в этом методе в явном виде не учитывается, диагональные элементы матрицы Н аппроксимируются потенциалами ионизации, взятыми с обратным знаком, а для недиагональных членов используется одно из приближений.

Рисунок 1.7.1. Вид молекулярных орбиталей HOMO (а) и LUMО (б) молекулы этилена, рассчитанных расширенным методом Хюккеля в программе HyperChem 7.0.

Подобный подход хорошо работает при расчете систем с относительно равномерным распределением заряда, например углеводородов, для которых он и был первоначально использован. Однако даже и в таких случаях бывают казусы. Например, в соответствии с предсказанием расчета, бензол должен распадаться на три молекулы ацетилена с выделением значительного количества теплоты. Что касается систем, содержащих гетероатомы, то для них более адекватным является интегративный расширенный метод Хюккеля. В этом методе уже учитывается зависимость гамильтониана от заряда на данном центре, причем зависимость полагается линейной.

1.2 Современные методы анализа «структура вещества – проявляемая физиологическая активность»

1.2.1 Принципы распознавания образов

Одна из основных предпосылок методов конструирования лекарств — предположение о том, что соединения сходной структуры имеют сходные типы биологической активности. Очень трудно дать строгое определение понятия структурного сходства, о чем свидетельствует обилие и разнообразие параметров, используемых при выводе эмпирических соотношений, связывающих структуру соединений с их биологической активностью. До сих пор наиболее распространенным методом чтения координат и методом построения таких соотношений был регрессионный анализ. Целью этого подхода является построение эмпирических соотношений, связывающих различные сочетания физических, химических или структурных параметров с биологической реакцией соединения. Этот метод особенно эффективен при исследовании не слишком длинных гомологических рядов соединений.