Kumarinlerin karbonik anhidraz CA-XII izo-enzimine karşı inhibitör aktivitelerinin QSAR modellemesi / QSAR study of coumarin derivatives as carbonic anhydrase CA-XII isozyme inhibitors

Abstract

Karbonik anhidraz (CA, EC 4.2.1.1) en basitinden en gelişmiş olana kadar doğadaki tüm canlılarda var olan bir metalo-enzimdir. Bu enzimin doğada pek çok formu olmakla beraber, bulundukları canlıya bağlı olarak beş guruba ( -CA, -CA, -CA, CA ve -CA) ayrılmıştır. Bu guruplardan -Karbonik anhidraz memelilerde bulunur ve temel fonksiyonu kanda ve diğer dokularda CO2 + H2O HCO3- + H+reaksiyonunu katalize etmek vasıtası ile asit baz dengesini ayarlamak ve dokulardan karbondioksit transferini sağlamaktır. Bu enzimin aktif bölgesinde Çinko (Zn+2) atomu vardır, bu atom enzimin inhibisyonu esnasında genellikle inhibitör ile terahedral bir bağ yapısı gerçekleştirir. Ancak son birkaç yıl içerisinde Kumarin türevi moleküllerin farklı bir mekanizma ile bu enzimi inhibe ettiği ortaya çıktı. Ayrıca bu yeni keşfedilen Kumarin türevi moleküllerin farklı CA izo-enzimlerini seçici şekilde inhibe ettiği gözlendi. Geleneksel olarak inhibasyon araştırmalarında en yoğun şekilde çalışılan sulfonamide tabanlı bileşiklerin seçiciliğine kıyasla Kumarin türevi moleküllerin daha seçici olması, çalışmaların bu alana kaymasına sebep olacaktır. Burada bahsedilen CA izo-enzimlerinden bazılarının seçici inhibisyonu bazı hastalıkların tedavisinde kullanılacak ilaçların geliştirilmesinde temel bir yoldur.Günümüzde QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship - Kantitatif Yapı-Etki Analizleri) etkisi yüksek ve yan-etkisi az ilaçların geliştirilmesi çalışmalarında vazgeçilmez ve yaygın bir yöntemdir. QSAR metodunun temeli, halihazırda biyolojik etkisi (ilaç etkisi) deneysel olarak ölçülmüş bir grup molekülü kullanarak, bu moleküllerin biyolojik etkisine artırıcı yada azaltıcı yönde katkı yapan moleküler parametrelerin istatistiksel analiz metotları kullanarak tespit edilmesi esasına dayanır.Bu çalışmasında 27 adet Kumarin türevi molekülün, Karbonik Anhidraz, CA-XII izo-enzimine karşı deneysel yolla ölçülmüş biyolojik aktivite değerleri kullanarak, QSAR (Kantitatif Yapı-etki Analizi) çalışması yapıldı. Çalışmada Kumarinlerin üç boyutlu yapıları ve bir çok moleküler parametreleri Gaussian 03 yazılımı ile hesaplandı. Elde edilen bu yapılar CodessaPro yazılımına yüklenerek çok sayıda moleküler tanımlayıcı (descriptor) hesaplandı. Hesaplanan moleküler tanımlayıcılarla literatürden alınan deneysel yolla ölçülmüş biyolojik aktivite verileri Codessa yazılımı kullanılarak Çoklu Lineer Regresyon (ÇLR) işlemine tabi tutularak birçok QSAR denklemi elde edildi. Elde edilen QSAR denklemleri arasında istatistik parametreleri en yüksek olan bir adet iki parametreli, iki adet üç parametreli, iki adet dört parametreli olmak üzere toplam beş adet QSAR denklemi modeli olarak seçildi ve ayrıntılı şekilde tartışıldı. Bu beş modelden istatistik değerleri en yüksek olan dört parametreli bir model olup; R2 = 0.93, R2CV 0.90, F=82,86, s2=0,054, N=27 dir. Elde edilen QSAR modellerinin yorumuyla, biyolojik aktiviteye etki eden faktörler açıklanmaya çalışıldı. The carbonic Anhydrase (CAs, EC 4.2.1.1) are ubiquitous metallo-enzymes, present in prokaryotes and eukaryotes, being encoded by five distinct groups which are ( -CA, -CA, -CA, CA and -CA). In mammals, 16 different -CA isozymes have been defined with very different sub-cellular localizations and tissue distribution. These enzymes catalyze a very simple physiological reaction,CO2 + H2O HCO3- + H+The inter-conversion between carbon dioxide and the bicarbonate ion and are thus involved in crucial physiological processes connected with such as respiration and transport of carbon dioxide between tissues/organs and regulation of pH in the tissues. In the inhibition process of CAs, inhibitors are coordinated to Zn+2 ions with a tetrahedral geometry. In recent years, it has been shown that those enzymes can be inhibited by Coumarin derivatives with a different mode of action. It has been also observed that Coumarin derivatives can inhibit CA isozymes selectively in comparison to traditional sulfonamide based inhibitors. Selectively inhibition of same of these CA isozymes is a way to develops drugs for treatment of many diseases such as cancer tumors.QSAR is widely used method to preventing from side affects of existing drugs as well as seeking new lead molecules as drug candidates. The principles of the method are relying on the quantitatively correlate chemical structure with its biological activity using statistical analysis of data of a group of compounds. Once, the parameters, which play a role for the activity, and are determined then a QSAR model can be constructed to estimate the biological activity of virtual molecules.This study presents Quantitative Structure Activity Relationships (QSAR) study on a pool of 27 Coumarin compounds as Carbonic Anhydrase (CA-XII) isozyme inhibitors. 3D structure and many molecular properties of Coumarin compounds have calculated by Gaussian 03 software. Several molecular descriptors have been calculated and QSAR models have been drown up with the help these calculated descriptors and Carbonic Anhydrase (CA-XII) inhibitory data of the molecules by using the Multiple Linear Regression (MLR) technique which is implemented in CODESSA PRO software.Among the obtained QSAR equations, five of them with the highest statistical parameters have been selected as the models. The statistically the most significant selected model is a four parameters linear equation with the squared correlation coefficient R2 values of ca. 0.93 and the squared cross-validated correlation coefficient R2CV values of ca. 0.90 and F=82.8, s2=0,054 and N=27. The results were discussed in the light of the main factors that influence the inhibitory activity of the Carbonic Anhydrase (CA-II) isozyme. The obtained models allowed us to reveal some structural factors, which are strongly correlated with the biological activity of the compounds.