Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

Abstract

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

There is probably no other concept that contributed to the development of chemistry so remarkably as the ill-defined, qualitative concept of similarity. From the intuitively understood meaning of similarity arises also one of the most powerful chemical principles - the principle of analogy - which in early days of chemistry served as the basis for the classification and systematization of molecules and reactions. The same principle underlies also the widely used idea that similar structures have similar properties which, in turn, is the basis for the existence of various empirical relations between the structure and activity known as QSAR relationships. Because of the fundamental role which similarity plays in so many different situations it is not surprising that its systematic investigation has become the focus of intense scientific interest. Main attention in this respect was devoted to the design of new quantitative measures of molecular similarity. The philosophy underlying the development of quantitative, similarity measures based on quantum theory, arises from the idea that properties of molecules, whether chemical, physical or biological are predetermined by the molecular structure. The rationalization of empirical structure-activity relationships is to considerable extent connected with the recent efforts in the design of new molecular descriptors based on quantum theory. The simplest of such quantities is the electron density function and most of the theoretical molecular descriptors are derived just from this quantity. Among them, a privileged place belongs to the so-called Molecular Quantum Similarity Measures (MQSM). These measures are generally based on the pairwise comparison of electron density functions of the corresponding molecules. This contribution pretends to present an up-to-date revision of Quantum Similarity concepts and their application to QSAR. The general form of MQSM is introduced, and the concrete definitions for practical implementations are specified. Two important topics related to the application of MQSM are discussed: first the Promolecular Atomic Shell Approximation (PASA), a method for fitting first-order molecular density functions for a fast and efficient calculation of the MQSM. Afterwards, a possible solution to the problem of molecular alignment, a determinant procedure in all 3D QSAR methodologies. Finally, the application of Quantum Similarity to QSAR is discussed in detail. Two kind of descriptors derived from molecular quantum similarity theory were used to construct QSAR models: molecular quantum similarity matrices and fragment quantum self-similarity measures. The practical implementation of those ideas has led to the publication of several papers, and finally, to the present work.