135 research outputs found
Computational evaluation of binding properties for covalent ligands in prolyl oligopeptidase and fibroblast activation protein
No full textOver the past decade, an increasing interest for covalent inhibition – modulating enzyme activity through covalently binding to it – as a drug design strategy has been observed. To aid in the development of covalent inhibitors, techniques which allow for prediction and characterization of activity must be made available. Knowledge about covalent inhibitor strength, activation energies, residence times and mechanisms must be obtained to allow for successful covalent drug development methodologies. In this thesis, we assessed whether two serine proteases, prolyl oligopeptidase (POP) and fibroblast activation protein (FAP), react similarly with respect to kinetics and thermodynamics in relation to the electrophile on the covalent ligand. To streamline such investigations, we exploited computational techniques as a method for prediction of covalent druggability – the ability of an enzyme to be inhibited through covalent means. We investigated the influence of different electrophilic groups (aldehyde, boronic acid and nitrile) on potency and binding kinetics with a series of truncated analogous inhibitors of POP, using quantum mechanical (QM) methods, such as the quantum chemical cluster approach (QCCA). The direct correlation between inhibitor reactivity and residence time was demonstrated through the QCCA and was further supported by experimental studies in the Moitessier group. The validated computational method was then applied to FAP, which has previously been thought to be less reactive than POP. Computations in this work predicted that the truncated ligands binding to POP result in a larger energy lowering compared to FAP. Similar computational techniques were used to evaluate the atomic basis for this difference in reactivity through a detailed analysis of hydrogen bond lengths and angles in the active site of POP. This analysis was supplemented with calculations on the difference in basicity of the catalytic histidine in POP and FAP, responsible for removing the proton off the catalytic serine. The stronger the base, the easier the catalytic serine residue can be deprotonated and hence more reactive and available for nucleophilic attack. The data suggests that the histidine in POP may be more basic than in FAP, supporting the claim that the serine in POP may be more reactive than in FAP.Au cours de la dernière décennie, l'intérêt pour les inhibiteurs covalents, en d'autres termes, la modulation de l'activité d'une enzyme par la liaison covalente d'un inhibiteur à celui-là, comme stratégie pour la conception de médicaments a été observée à la hausse. Dans le but d'assister le développement d'inhibiteurs covalents, des techniques permettant la prédiction et la caractérisation de l'activité doivent être accessibles. La puissance, l'énergie d'activation, le temps de résidence et le mécanisme d'inhibiteurs covalents doivent être déterminés afin de permettre des méthodologies de développement de médicaments covalents à succès. Dans cette thèse, nous avons évalué si les deux protéases à sérine, la protéine prolyl oligopeptidase (POP) et la protéine d'activation fibroblaste (FAP), réagissent similairement de manière cinétique et thermodynamique par rapport à leur réactivité avec les électrophiles du ligand covalent. Afin de rendre ces investigations davantage efficaces, nous avons utilisé des techniques computationnelles comme méthodes prédictives de thérapies covalentes, en d'autres mots, la capacité d'une enzyme à être inhibée de manière covalente. Nous avons étudié l'influence de différents groupes réactifs (aldéhyde, acide boronique et nitrile) sur la force ainsi que la cinétique de liaison du ligand avec une série d'analogues tronqués inhibiteurs de la prolyl oligopeptidase (POP), en utilisant des méthodes de mécanique quantique (QM), tel que l'approche par groupe chimique quantique (QCCA). La corrélation directe entre la réactivité des inhibiteurs et leur temps de résidence a été démontrée par QCCA et a été soutenue par des études expérimentales du groupe Moitessier. Notre méthode computationnelle validée a ensuite été appliquée à FAP qui avait été prédite comme étant moins réactive. Nos calculs ont prédit que les ligands tronqués se liant à POP entraînent une baisse d'énergie plus importante par rapport à ceux se liant à FAP. D'autres techniques computationnelles similaires ont été utilisées afin d'évaluer les principes au niveau atomique qui expliquent cette différence à travers une analyse détaillée des angles et des distances de ponts hydrogène dans le site actif de POP. Cette analyse a été complétée par des calculs sur la différence de basicité de l'histidine catalytique dans POP et FAP, qui est responsable de la déprotonation de la sérine catalytique. Plus la base est forte, plus le résidu sérine catalytique est facilement déprotonné, ce qui le rend davantage réactif, permettant ainsi une attaque nucléophile. Les données suggèrent que l'histidine chez POP est plus basique que l'histidine chez FAP, soutenant l'affirmation selon laquelle la sérine chez POP est possiblement plus réactive que la sérine chez FAP
Design, synthesis, and biological evaluation of novel antiestrogens
No full textBreast cancer is the most common form of cancer in women in the Western world and the second most fatal after lung cancer. Estrogens play a crucial role in normal breast development, but also contribute to mammary tumorigenesis. Estrogen signaling is mediated by intracellular estrogen receptors (ERα and ERβ), with ERα being a common target in breast cancer therapeutics. Two classes of competitive estrogen inhibitors have been investigated and proved to be useful for breast cancer treatment: full antiestrogens (FAE's) and selective estrogen receptor modulators (SERM's). A novel platform, FORECASTER, was developed in the Moitessier laboratory with the aim of integrating computational, medicinal and combinatorial chemistry. The successful validation of FORECASTER as a computer-aided drug design platform is described. In our quest for potent SERMs, this platform was used to build virtual combinatorial libraries and to filter and extract a highly diverse library from the NCI database. The virtual screening of a diverse library seeded with known active compounds followed by a search for analogs yielded a high enrichment factor. Moreover, the virtual screening of a designed virtual combinatorial library that included known actives resulted in a highly discriminative process. The laboratory of Dr. Sylvie Mader at University of Montreal showed that only FAE's induce a strong and fast SUMOylation of ERα in a variety of cell lines, strongly suggesting that SUMOylation is a general property related to full antiestrogenicity. A collaboration between the Gleason and Mader laboratories resulted in an SAR study of ERα ligands with different side chain lengths that revealed a specific side chain length of 15 to 19 atoms was necessary to differentiate SERM's from FAE's through the induction of SUMOylation. Histone deacetylase inhibitors (HDACi's) have emerged as a new and growing class of anticancer agents. Recent findings have shown that co-treatment of SERM's or FAE's with HDACi's can significantly decrease the growth of breast cancer cells. Inspired by the success of the vitamin D/HDACi hybrids developed within our group, and taking advantage of structural features of both kinds of molecules, we developed a new family of antiestrogen/HDACi hybrids. A first generation set of hybrids were designed by replacing the tertiary amide of FAE ICI-164,384 with three different zinc binding groups: hydroxamic acid, o-aminoanilide and N-butylhydroxamate. Both the hydroxamic acid and the o-aminoanilide hybrids displayed both antiestrogenic and HDAC inhibitory activities whereas N-butylhydroxamate hybrid displayed antiestrogenic activity but a poor HDAC inhibition profile. All hybrids inhibited MCF-7 cell proliferation and validated the proof of concept regarding the formation of this class of hybrids. However, none of the hybrids showed an improved profile compared to known antiestrogens or HDACi's. A second generation set of hybrids exploiting the same zinc binding groups with SERM- and FAE-like side chains were developed in an effort to balance the activity of our hybrids. Hydroxamic acids showed a consistent inhibition of HDAC's while displaying poor antiestrogenic activity in most cases. Ortho-amino anilides showed modest HDAC inhibition activity and only aliphatic-based o-amino-anilides behaved as antiestrogens. N-Butyl-hydroxamates showed a reduced potency to inhibit HDAC's compared to their hydroxamic acid counterparts but retained antiestrogenic behaviour. Overall, our second-generation hybrids did not show equal or improved HDAC inhibition and antiestrogenic activities relative to known antiestrogens and HDACi's.Le cancer du sein est la forme la plus courante de cancer chez les femmes en Occident et la deuxième plus mortelle après le cancer du poumon. Les œstrogènes jouent un rôle crucial dans le développement mammaire normal, mais aussi contribuent à la tumorigénèse mammaire. La signalisation des œstrogènes est permise grâce à des récepteurs d'œstrogènes (ERα et ERβ), avec ERα étant une cible courante dans la recherche thérapeutique du cancer du sein. Deux classes d'inhibiteurs compétitifs d'œstrogène ont été étudiées. Certains se sont révélés utiles pour le traitement du cancer du sein dont les anti-œstrogènes complets (FEA) et les modulateurs sélectifs des récepteurs d'œstrogènes (SERM). Une nouvelle plate-forme, FORECASTER, a été développée dans le laboratoire Moitessier dans le but d'intégrer la chimie computationnelle, médicinale et combinatoire. La validation réussie de FORECASTER comme plate-forme pour la conception assistée par ordinateur de médicaments est décrite. Dans notre quête pour la découverte de SERM puissants, cette plate-forme a été utilisée pour construire des bibliothèques combinatoires virtuelles et pour filtrer et extraire de la base de données NCI une bibliothèque de composés très diversifiée. Un facteur d'enrichissement élevé a été obtenu par le criblage virtuel d'une bibliothèque diversifiée et ensemencée avec des molécules actives connues suivi d'une recherche d'analogues.Le laboratoire du Dr Sylvie Mader à l'Université de Montréal a montré que seulement les FAE provoquent une SUMOylation forte et rapide des ERα dans une variété de lignées cellulaires, suggérant fortement que la SUMOylation est une propriété générale liée à antiestrogénicité complète. Une collaboration entre les laboratoires Gleason et Mader est à la base d'une étude de relations structure-activité de ligands ERα de différentes longueurs de chaînes latérales qui a révélé qu'une longueur de chaîne latérale spécifique de 15 à 19 atomes était nécessaire pour différencier les SERM des FAE à travers l'induction de la SUMOylation. Les inhibiteurs de l'histone déacétylase (HDACi) ont émergé comme une nouvelle et croissante classe d'agents anticancéreux. Des découvertes récentes ont montré que le co-traitement utilisant des SERM ou des FAE avec des HDACi peut réduire de façon significative la croissance des cellules cancéreuses du sein. Inspirés par le succès des hybrides vitamine D - HDACi développés au sein de notre groupe, et profitant des caractéristiques structurelles des deux types de molécules, nous avons développé une nouvelle famille d'hybrides antiestrogènes - HDACi. Un ensemble d'hybrides de première génération ont été conçus par remplacement de l'amide tertiaire des FAE ICI-164,384 avec trois différents groupes capables de se lier au zinc : le groupe acide hydroxamique, le groupe o-aminoanilide et le groupe N-butylhydroxamate. Les hybrides acide hydroxamique et o-aminoanilide ont montré à la fois des activités anti-œstrogénique et inhibitrices des HDAC, alors que l'hybride N-butylhydroxamate a affiché une activité anti-œstrogénique mais une piètre inhibition des HDAC. Tous les hybrides ont inhibé la prolifération des cellules MCF-7 et ont ainsi validé l'hypothèse en ce qui concerne la formation de cette classe d'hybrides. Un ensemble d'hybrides de deuxième génération exploitant les mêmes groupes se liant au zinc, mais avec des chaînes latérales ressemblant à celles des SERM et des FAE, ont été développé. Les acides hydroxamiques ont montré une inhibition importante de la HDAC tout en étant de mauvais anti-oestrogènes dans la plupart des cas. Les hybrides o-aminoanilide montré une modeste activité inhibitoire des HDAC et seulement les o-aminoanilides aliphatiques se sont comportés comme des anti-œstrogènes. Les hydrides N-butylhydroxamates ont montré une activité d'inhibition des HDAC réduite comparée à celle de leurs homologues d'acides hydroxamiques, mais ont conservé un comportement anti-œstrogénique
Damien : une solitude à trois sous les hautes latitudes australes
No full textDans l’imaginaire des amateurs de croisières extrêmes, l’odyssée du voilier Damien occupe une place à part, presque égale à celle de La Longue Route de Bernard Moitessier, parue en 1971. Grand bourlingueur des mers, né en Indochine en 1925, Moitessier s’était rendu célèbre en 1968 en quittant la Golden Globe Race organisée par le Sunday Times : promis à la victoire dans cette course à la voile qui était la toute première à proposer aux concurrents une circumnavigation en solitaire par les tr..
Computational evaluation of binding property of riboswitches and optimization of self-docking of RNA-ligand complexes for drug discovery
No full textNucleic acids play an important role in a variety of cellular processes. Recent advances in the determination of DNA and RNA structures and functions highlighted the potential of targeting nucleic acids with small molecules for the treatment of diseases including cancer and bacterial/viral infections. Over the past two decades, nucleic acids have become popular targets for medicinal chemistry and docking. A review of the state-of-the-art methods for docking small molecules to nucleic acids is first presented in this thesis. Docking methods have been applied to discover new ligands for nucleic acids, for example riboswitches. Riboswitches are regulatory segments of mRNA molecules that bind specific metabolites and regulate the biosynthesis of the proteins encoded by the mRNA. We have built an RNA binding motif database that is fully automated and includes a detailed description of interactions with small ligands. Optimized structures of those RNA molecules for docking using FITTED, our own docking program, are available in the database, itself available on our group website. As the FITTED suite was initially designed for docking small molecules to proteins, we fully investigated the structural differences between proteins and nucleic acids and made several modifications to the ProCESS module in order to improve the accuracy of the prediction of potential interaction sites for ligands. 229 structures were tested with both previous and modified versions of FITTED. This study reveals that the modified FITTED suite is able to produce more reliable self-docking results.Les acides nucléiques jouent un rôle important dans de nombreux et variés processus cellulaires. Les avancées récentes dans la détermination des structures et fonctions d'ADN/ARN soulignent le potentiel de les cibler avec des petites molécules thérapeutiques afin de soigner certaines maladies comme le cancer ou des infections virales/bactériennes. Lors des deux dernières décennies, l'utilisation d'acides nucléiques en tant que cibles en chimie médicinale et en docking a reçu un intérêt croissant. Dans cette thèse, nous commencerons par examiner l'état de l'art des technologies employées pour le docking de petites molécules aux acides nucléiques. Les techniques de docking ont été utilisés pour découvrir de nouveaux ligands pour les acides nucléiques, par exemple: les riboswitches. Les riboswitches sont des segments d'ARNm qui régulent la biosynthèse des protéines encodées par l'ARNm lors d'interactions avec certains métabolites spécifiques. Nous avons établi une base de données de motifs de liaisons d'ARN; entièrement automatisée et incluant une description détaillée des interactions avec des petits ligands. Les structures optimisées de ces motifs d'ARN présentes dans la base de données peuvent ensuite être utilisées dans FITTED, le programme de docking de notre groupe, disponible sur notre site internet. Puisque la série de programme FITTED a initialement été développée pour le docking à des protéines, nous avons exploré les différences structurelles entre acides nucléiques et protéines et ajouté de nombreuses modifications au module ProCESS afin d'améliorer la prédiction de sites d'interactions potentiels. 229 structures ont ensuite été testés avec la version originale de et la version modifiée de FITTED. Cette thèse décrit en quoi la version modifiée de FITTED est capable de produire des résultats en self-docking plus fiables
New virtual screening tools for molecular discovery
No full textIn the field of molecular discovery, virtually screening large libraries of compounds proved to be often more cost-efficient than the traditional experimental approaches. In fact, it has now become common practice thanks to the virtual screening tools available to chemists in the pharmaceutical industry, specifically docking. Most docking programs do not account for the dynamics associated with protein-ligand binding whether it is protein flexibility or the inclusion of displaceable water molecules. FITTED1.0 was developed to include these specific two features and has been validated on a testing set of 33 protein-ligand complexes. Further developments were needed to increase the speed of FITTED to enable its application as virtual screening tool. This enhanced version, FITTED1.5, has been applied to the screening of the Maybridge library onto the HCV polymerase and revealed FITTED’S ability to identify active substances. With this and other successful applications of FITTED, a comparative study was performed against other docking programs, with a specific interest in the effect of the ligand and protein input conformation and the inclusion of bridging water molecules on the accuracy of docking programs. All three had major effects on accuracy and led to suggestions on how to better conduct comparative studies. In parallel, we applied our expertise in the virtual screening area to the field of asymmetric catalyst development and led to the creation of ACE1.0. When creating a tool for predicting steroselectivities, one has to describe the transition state with great accuracy although within a reasonable amount of time. To tackle this problem, ACE creates the transition states from linear combinations of reactant and product interactions. A genetic algorithm is then exploited as a conformational search engine to optimize the TS structure. ACE has been applied to the Diels-Alder cycloaddition and the proline-catalysed aldol reactions and has showed good correlatioDans le domaine pharmaceutique, le criblage virtuel de large bibliothèques de molécules est une alternative moins couteuse et souvent au moins aussi efficace que le criblage à haut débit. D’ailleurs, le développement de tels outils –et plus particulierement de méthodes de "docking"– a permis au criblage virtuelle de devenir pratique courante dans l’industrie pharmaceutique. Cependant, la plupart des méthodes de docking ne prennent pas en compte la dynamique des complexes protéine/ligand et plus spécifiquement la flexibilité des protéines et la présence de molécules d’eau nécessaires à une liaison optimale. Dans cette optique, FITTED1.0 a été développé et validé sur un jeu de 33 complexes protéine/ligand. Ainsi, FITTED1.0 permet de modéliser des complexes ternaires protéine/ligand/eau entièrement flexibles. D’autres développements ont ensuite été nécessaires pour en accroître la rapidité et permettre son utilisation pour le criblage de larges bibliothèques. Cette version améliorée, FITTED1.5, a été appliquée au criblage de la bibliothèque Maybridge sur la polymérase du virus de l’hépatite C et a permis la découverte de deux nouveaux inhibiteurs. Après ces résultats très encourageants, une étude comparative a été entreprise visant spécifiquement à évaluer l’impact des données d’entrées sur le pouvoir prédictif des programmes de docking les plus couramment utilisés incluant FITTED2.6. Nous avons alors démontré que la présence d’eau, la conformation du ligand et de la protéine au départ du calcul ont un impact majeur. En parallèle, nous avons bénéficié de notre expertise pour développer un second outil de criblage virtuel ACE1.0 mais cette fois appliqué au criblage de catalyseurs asymétriques. Dans le domaine de la catalyse asymétrique, il nous fallait prédire la structure et l’énergie potentielle des états de transition et ce, dans un temps raisonnable. Pour ce faire, ACE c
Development and application of chemical tools for the design and synthesis of bioactive molecules
No full textIn the field of drug design and development, medicinal chemists use a variety of tools to quickly generate a series of hit compounds controlling a specific biological target and culminating in a lead compound. Process chemists seek efficient methods to synthesize the lead compounds provided by the medicinal chemists and using readily available and inexpensive starting materials, shortcuts and simpler routes. With this in mind, we aimed to design, develop and apply chemical tools to generate hit compounds, but also developing new simpler methods to make pharmaceutically relevant compounds. In this context, this thesis has two goals. In the first part, we focused on the enzyme prolyl oligopeptidase, reviewing its involvement in neurological disorders, such as Alzheimer's disease, and the efforts of several researchers to synthesize potent, selective inhibitors resembling the natural substrates of this enzyme. We proposed another method, using small pseudopeptidic and peptidomimetic inhibitors as chemical tools to better understand the shape, size and electronics of inhibitors and generate a more potent, selective prolyl oligopeptidase inhibitor. From our series of compounds, we discovered a few potent and highly selective, covalent inhibitors, one of them pseudo-peptidic (IC50 = 3-7 nM) and the other peptidomimetic (IC50 = 20-700 nM). In the second part of this thesis, with the goal of being able to exploit sugars in medicinal chemistry, we first reviewed the methods that exist to regioselectively functionalize the various hydroxyls of hexopyranosides. We compiled these methods into a table which chemists could consult when they are seeking to perform a specific reaction on a specific sugar. We then proposed to use a hydrogen bond accepting protecting group which can direct subsequent reactions to specific sites on sugars in an effort to reduce the number of protection and deprotection steps. We applied this protecting-directing group and developed methods to regioLors de la conception d'un nouveau principe actif, les chimistes médicinaux disposent d'un grand nombre d'outils leur permettant de générer rapidement une série de composés ayant une action spécifique. L'optimisation du procédé chimique requiert l'utilisation et le développement de méthodes toujours plus simples, rapides et peu couteuses. Ainsi, nous avons souhaité concevoir et utiliser quelques outils chimiques permettant de résoudre certains de ces problèmes. Cette thèse présente des outils spécifiques à la chimie médicinale et la chimie des procédés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une enzyme : la prolyl oligopeptidase. Nous avons tout d'abord répertorié un grand nombre de données, quant à son implication dans certains troubles neurologiques (ex. : maladie d'Alzheimer), ainsi que de nombreux programmes de recherche visant le développement de nouveaux inhibiteurs conçus à partir de la structure du substrat naturel. Dans l'optique de mieux comprendre l'environnement chimique du site de liaison de l'enzyme et concevoir notre propre inhibiteur sélectif, nous avons synthétisé et testé une série de composés pseudo-peptidiques et peptidomimétiques. Lors de cette étude, nous avons identifié deux inhibiteurs covalents, actifs et sélectifs : l'un pseudo-peptidique (IC50 = 3-7 nM), l'autre peptidomimétique (IC50 = 20-700 nM). Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons rapporté les méthodes déjà existantes permettant une fonctionnalisation régioselective des différents groupements alcools des hexopyranosidases afin de rendre plus accessible l'utilisation des sucres en chimie médicinale. La compilation de cette recherche bibliographique dans une table permettra aux chimistes de facilement sélectionner la méthode la plus adéquate. Afin de réduire le nombre d'étapes (protections et déprotections) associées à la chimie des sucres, nous avons appliqué le groupement protecteur-directeur dé
Towards virtual biocatalysis: computational methods development for organometallic catalysts and enzyme engineering
No full textPresently, most industrial chemical production relies on catalytic processes, that represent an economical and more environmentally friendly alternative to classic stoichiometric methodologies. The use of organometallic catalysts enables many difficult chemical transformations due to the ability of transition metals to activate organic molecules. However, even catalytic amounts of metals remain a major environmental issue. The beginning of the 21st century was marked by the establishment of biocatalysis in industry as green alternative to metallo- and organometallic catalysis. Biocatalysts are fascinating bio-machines characterized by high selectivity, biodegradability and operation under mild, environmentally friendly conditions. The vast majority of biocatalysts are enzymes, proteins that have a catalytic function. One reason for the rapid progress in this field is the increasing use of computational tools in protein engineering and the ever-growing structural information available. This thesis describes a series of studies of organometallic (bio)-catalysts using several computational techniques. The goals have been to gain a deeper understanding of the range of capabilities of the (bio)-catalysts studied, and to develop new tools that can be helpful in medicinal chemistry and in biocatalysis projects.First, a review of biocatalysts and organometallic (bio)-catalysts is presented from the point of view of computational chemistry. Next, a mechanistic study of a ruthenium catalyzed coupling reaction is described: using DFT, a number of potential pathways are evaluated and a complex catalytic cycle is elucidated. In practice, such detailed investigations can only be done for a selected number of molecules and with metal complexes of limited size. While the ruthenium catalyst was modeled without truncation, using DFT on the entire active site of an enzyme is not an option. Molecular properties and descriptors that are fast to compute can replace lengthy calculations, albeit with reduced accuracy. In the study of the catalytic complex of Cytochrome P450s metabolizing enzymes described next, a truncated version of the oxo-iron heme complex is used. A detailed DFT study of an aromatic oxidation reaction catalyzed by this complex is presented and a method to predict the product drug oxidation using Frontier Molecular Orbital theory is outlined. The use of local reactivity descriptors was then probed as a way to further increase the accuracy of sites of oxidation prediction. However, reactivity of substrates is not the only property that influences the selectivity of oxidation. The structure of the active site plays an important role as well. With smaller systems such as the ruthenium complex, several conformations can be generated and examined. This approach is inappropriate for larger systems such as enzymes. To study how the structure of the catalytic site impacts the selectivity of Cytochrome P450s, a method for virtual mutagenesis was developed. Structural changes induced by mutations were modeled using Normal Mode Analysis and a rotamer library toolkit (previously reported). The potential of the programs developed for virtual biocatalysis design was demonstrated using a case study on Cytochrome P450s metabolic project.Aujourd’hui, la majorité de la production chimique industrielle repose sur des processus catalytiques, plus écologiques et économiques que les méthodes stœchiométriques classiques. L’utilisation de catalyseurs organométalliques donne accès à de nombreuses réactions chimiques complexes grâce à la capacité des métaux de transitions à activer les molécules organiques. Cependant, même des quantités catalytiques de métaux posent de sérieux problèmes environnementaux. Le début du 21ième siècle a été marqué par l’utilisation de plus en plus répandue de biocatalyseurs dans l’industrie afin de remplacer les catalyseurs métalliques et organométalliques. Ces biocatalyseurs sont des machines biologiques fascinantes, capables d’effectuer des réactions chimiques difficiles, très efficaces et sélectives et ce, dans des conditions peu polluantes. La majorité des biocatalyseurs sont des enzymes, des protéines possédant des fonctions catalytiques. Une des raisons du progrès rapide dans ce domaine est l’incorporation grandissante d’outils computationnels dans les projets d’ingénierie des protéines. Cette thèse présente une série d’études de (bio)-catalyseurs utilisant différentes approches computationnelles. Le but de cette recherche a été d’obtenir une meilleure compréhension des propriétés/capacités des (bio)-catalyseurs étudiés et de développer des logiciels utiles pour les projets de chimie médicinale et biocatalytique. Pour commencer, une vue d’ensemble sur le sujet de biocatalyseurs et de catalyseurs organométalliques est présentée du point de vue de la chimie computationnelle. Ensuite, une étude du mécanisme d’une réaction de couplage catalysée par un complexe de ruthénium est décrite : en utilisant la théorie de la fonctionnelle de densité, plusieurs possibilités de parcours chimiques sont évaluées et un cycle catalytique complexe est expliqué. En pratique, une étude si détaillée peut être conduite seulement pour un petit nombre de molécules et un complexe organométallique de taille réduite. Tandis que le complexe de ruthénium est modélisé entièrement, l’utilisation de la TDF sur le site actif d’une enzyme n’est malheureusement pas envisageable. Des propriétés moléculaires et des descripteurs aisément calculables sont ainsi utilisés pour remplacer des calculs plus élaborés. Dans l’étude du complexe catalytique de Cytochrome P450s, des enzymes métaboliques, un modèle tronqué du complexe hème Fer(IV)-oxo doit être utilisé. Le mécanisme d’oxydation aromatique catalysée par ce complexe est examiné en utilisant la TDF, et une méthode se basant sur la densité des orbites moléculaire occupées est développée afin de prédire le ou les produits d’oxydation. L’utilisation de descripteurs locaux de réactivité est explorée afin d’améliorer l’identification de sites d’oxydation. Toutefois, la réactivité des substrats n’est pas la seule propriété déterminant la sélectivité de l’oxydation, la structure du site catalytique joue un rôle important aussi. Alors que plusieurs conformations peuvent être produites et examinées dans le cas de systèmes plus petits, comme le complexe de ruthénium, les changements de conformations sont plus difficiles à déterminer dans le cas des enzymes. Pour étudier comment les changements structuraux du site catalytique influencent la sélectivité des enzymes P450, une méthode de mutation virtuelle est développée. En utilisant les modes normaux de basses fréquences, une nouvelle méthode pour les changements structurels dus aux mutations du site catalytique a été proposée
Design and synthesis of peptidomimetic scaffolds
No full textDespite their promising biological activity, peptides have a number of unfavorable properties that hinder their ability to be drugs. Namely, peptides have poor bioavailability due to the proteases in the body that break them down. Also, peptides can often be substrates for numerous enzymes, therefore their selectivity can be quite poor. With this in mind, we aimed to design a series of constrained peptidomimetics designed to mimic dipeptide, while at the same time introducing conformational restraint in an attempt to improve selectivity, and they were designed without peptide bonds that could be cleaved by the body's proteases. In addition, these peptidomimetics were designed to be synthesized inexpensively and efficiently. The dipeptide-like linkages were designed to be introduced modularly and chemical handles were built into the design of molecule so that further functionalization would be simple. In this way, the molecule not only can act as a dipeptide mimetic but as a potential drug discovery platform for combinatorial chemistry. With this platform or scaffold, functional groups can easily be deployed in order to probe the geometric and electronic space of enzymes or receptors. During the process of the synthesis of these drug scaffolds we discovered we could increase the diastereoselectivty of the venerable Diels-Alder reaction by running the reaction in less solvophobic solvents.Malgré leurs activités biologiques intéressantes, les peptides ont certaines propriétés peu favorables à leur conversion en médicaments. Pour exemple, les peptides sont rarement biodisponibles en raison des protéases présentes dans les milieux biologiques. Ces proteases les découpent en fragments plus petits qui peuvent a leur tour présenter diverses activités biologiques. De plus, les peptides peuvent se lier à diverses enzymes et récepteurs, réduisant ainsi leur sélectivité pour une protéine cible donnée. Dans ce contexte, nous avons conçu une série de peptidomimétiques susceptibles de mimer des dipeptides naturels. L'incorporation de contraintes géométriques nous permet d'envisager une meilleure sélectivité pour une cible donnée alors que la réduction du nombre de liaisons amides devrait réduire leur protéolyse. La conception de ces molécules s'est également faite dans le contexte d'une accessibilité synthétique. La synthèse et la structure de ces molécules nous permettra une grande modularité alors que les groupements fonctionnels autour du cur bicyclique pourront être utilisés comme autant de points d'ancrage pour l'introduction de diversité chimique et structurale. Ainsi, ces molécules peuvent agir à titre de mimes de dipeptides mais aussi comme plateforme en synthèse combinatoire. Dans ce dernier cas, divers groupes fonctionnels peuvent être attachés sur les deux points d'ancrage. Au cours du développement de la voie synthetique, nous avons mis a jour le lien entre la diastéréosélectivité de la réaction de cycloaddition intramoléculaire de Diels-Alder et la solvophobicité des solvants de réaction
Synthesis, reactivity and application to asymmetric catalysis of small and medium sized chiral poly-substituted heterocycles
No full textThe majority of marketed drugs and fine chemicals contain some sort of cyclic structure, emphasizing the need for these types of structures in industry. Seven-membered rings however are uncommon, possibly due to the limited methods to synthesize them in an expedient fashion with good stereoselectivity. Despite the existence of several oxazepane containing bioactive molecules and natural products, little effort has been put into synthesizing these structures. In this thesis, we explore the synthesis of 1,4-oxazepanes via a key halocycloetherification reaction. We investigate the substrate scope of the reaction as well as details of the mechanism. The regioselectivity and relative stereochemistry can be easily controlled by manipulating the substitution of the starting material; the absolute stereochemistry was investigated using computational techniques and was determined to arise from reaction of the lowest energy ground state conformation as formation of the bromiranium ion had no transition state. From this point, the reactivity of the oxazepanes was investigated. Under fluoride-mediated conditions, N-Ns protected oxazepanes featuring a C3 ester underwent a unique ring closure accompanied by loss of SO2 and migration of para-nitrophenyl to yield a series of 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes. The mechanism of this reaction is currently under investigation using computational techniques and will be reported in due course. Derivatives of both 1,4-oxazepanes and 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes were then probed as organocatalysts in a variety of reactions: secondary amine derivatives of 1,4-oxeapanes and 1,4-morpholines were investigated as organocatalysts in Diels-Alder cycloaddition and aldol reactions, giving products in low yields for the morpholine derivative and unfortunately not catalyzing the reaction at all in the case of the oxazepanes; 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes featuring tertiary amines were investigated as ligands for OsO4 for asymmetric dihydroxylation of olefins yet unfortunately did not induce any asymmetry and only racemic mixtures were obtained; and finally, amino alcohol derivatives of 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes and also some carbohydrate-based amino alcohol scaffolds were discussed as organocatalysts for the addition of diethylzinc to benzaldehyde, leading to 1-phenyl-1-propanol in up to 78 % yield and up to 33 %ee.La grande majorité des médicaments et des produits de chimie fine contiennent un ou plusieurs cycles dans leur structure, les rendant dès lors indispensables dans l'industrie chimique. Cependant, les cycles à sept éléments sont relativement rares, possiblement en raison du manque de méthode de synthèse efficiente et stéréosélective. Malgré l'existence de plusieurs molécules bioactives et produits naturels contenant un oxazépane, peu d'efforts ont été faits pour la synthèse de ces composés. Dans cette thèse, nous explorons la synthèse de 1,4-oxazépanes via la réaction d'halocycloétherification. Nous étudions également l'étendue ainsi que les détails mécanistiques de la réaction. La régiosélectivité et stéréochimie relative peuvent facilement être contrôlées en modifiant la substitution du produit de départ. La stéréochimie absolue, étudiée par le biais de techniques computationnelles, se trouva être déterminée par la réaction de la conformation possédant l'état fondamental de plus basse énergie étant donné que la formation de l'ion bromiranium ne possède pas d'état de transition. La réactivité des oxazépanes ainsi obtenus a été étudiée. Sous des conditions de réactions contenant du fluor, les oxazépanes protégés (N-Ns) et possédant un ester à la position C3 subissent une fermeture de cycle accompagnée par la perte de SO2 et la migration du groupement para-nitrophenyle afin de produire une série de 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes. Le mécanisme de cette réaction est en cours d'étude par méthodes computationnelle et sera rapporté en temps voulu. Des dérivés de 1,4-oxazépanes et de 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes ont ensuite été utilisés comme organocatalyseurs dans différentes réactions : les dérivés de 1,4-oxazépanes contenant une amine secondaire ont été utilisés comme organocatalyseurs dans les réactions de Diels-Alder ainsi qu'aldol, menant à des produits avac de faibles rendements pout le dérivé morpholine et malheureusement aucune reaction n'a été observée dans le cas des dérivés oxazepanes; la possibilité d'utiliser les 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes contenant une amine tertiaire comme ligand de OsO4 dans la dihydroxylation asymétrique d'oléfines a également été considérée, malheureusement sans succès avec la production de mélanges racémiques uniquement; et finalement, les dérivés amino alcool de 4-oxa-1-azabicyclo[4.1.0]heptanes et de carbohydrates ont été considérés pour l'addition de diéthylzinc sur du benzaldéhyde, formant du 1-phényl-1-propanol avec des rendements allant jusqu'à 78 % et jusqu'à 33 %ee
Design, synthesis and biological evaluation of bicyclic dual covalent inhibitors as cancer therapeutics
No full textAzabicycloalkane amino acids are bicyclic mimics of dipeptides, belonging to the class of peptidomimetics. The substitution of natural amino acids with azabicycloalkane amino acids often maintain the high efficacy and tolerability exhibited by peptide drugs while simultaneously enhancing their pharmacokinetic properties. Hence, in the last few years, numerous investigations regarding the design, conformation, and preparation of these constrained amino acids have been conducted. In this thesis, we took advantage of such bicyclic scaffolds to design new dual covalent inhibitors as cancer therapeutics. Prolyl oligopeptidase (POP) and fibroblast activation protein-α (FAP) are two proline-specific serine peptidases, involved in various cancers. While FAP is only expressed in activated fibroblasts located in an extracellular matrix around tumors, POP was found to promote angiogenesis allowing tumor nutrient and oxygen supply. However, it is only recently that studies revealed the benefit of inhibiting both targets simultaneously. In 2009, our group reported a method to synthesize thiaza- and oxaza-azabicycloalkane peptidomimetics as POP inhibitors, however, none of these molecules turned out to be active on FAP. To probe the geometrical requirements associated with the simultaneous inhibition of POP and FAP, a structure-activity relationship study including the synthesis and binding kinetic evaluation of small monocyclic dipeptide probes have been performed. From this study, it was deduced that such inhibitor should be neutral, exhibit a specific conformation and feature a reactive covalent moiety such as a boronic acid. Considering these specific requirements, chiral 5-5 and 6-5 azabicycloalkane α-amino boronic acid pharmacophores were designed. To synthesize those compounds, three different methods featuring decarboxylative borylation, copper-catalysed asymmetric borylation or Matteson homologation have been proposed. Notwithstanding the knowledge acquired through those attempts, the reactivity of the boron, as well as the conformational constraints imposed by those 5,5 and 6,5 fused rings, remained the most important challenges to overcome.Les acides aminés azabicycloalcanes sont des mimétiques bicycliques de dipeptides appartenant à la classe des peptidomimétiques. La substitution d'acides aminés naturels par des acides aminés azabicycloalcanes maintient souvent l'efficacité et la tolérabilité élevées des médicaments peptidiques tout en améliorant leurs propriétés pharmacocinétiques. Par conséquent, au cours des dernières années, de nombreuses études concernant la conception, la conformation et la préparation de ces acides aminés bicycliques ont été menées.Dans cette thèse, nous avons tiré profit de ces structures bicycliques pour concevoir de nouveaux inhibiteurs doubles et covalents comme agents thérapeutiques contre le cancer. La prolyl oligopeptidase (POP) et protéine-α d'activation du fibroblaste (FAP) sont deux peptidases à sérines spécifiques de la proline, impliquées dans divers cancers. Alors que FAP est seulement exprimée dans les fibroblastes activés constituant une matrice extracellulaire autour des tumeurs, POP, quant à elle, favorise l'angiogenèse permettant l'apport de nutriments et d'oxygène jusqu'à la tumeur. Cependant, ce n'est que récemment que des études ont révélé l'avantage d'inhiber simultanément les deux cibles. En 2009, notre groupe a rapporté une méthode pour synthétiser des azabicycloalcanes soufrés et oxygénés, en tant qu'inhibiteurs de POP, mais aucune de ces molécules ne s'est avérée être active sur FAP. Pour sonder les exigences géométriques associées à l'inhibition simultanée de POP et de FAP, une étude de la relation structure-activité comprenant l'évaluation cinétique et la synthèse de petites sondes dipeptidiques monocycliques a été réalisée. A partir de cette étude, nous avons déduit qu'un tel inhibiteur devrait être neutre, présenter une conformation spécifique et comporter un groupe covalent réactif tel qu'un acide boronique. Compte tenu de ces exigences spécifiques, des pharmacophores chiraux d'acides aminés 5-5 et 6-5-bicyclique ont été conçus. Dès lors, nous avons envisagé trois différentes méthodes incluant une borylation décarboxylative, une borylation asymétrique catalysée au cuivre ou une homologation de Matteson afin de synthétiser ces molécules. Malgré les connaissances acquises grâce à ces tentatives, la réactivité du bore, ainsi que les contraintes conformationnelles imposées par ces bicycles fusionnés, restent encore des défis importants à surmonter
- …
