Dokowanie molekularne. Andrzej Bąk Instytut Chemii UŚ chemoinformatyka wykład 1

Transkrypt

1 Dokowanie molekularne Andrzej Bąk Instytut Chemii UŚ chemoinformatyka wykład 1

2 Zarys Oddziaływanie ligand-receptor Modelowanie struktury receptora Reprezentacja makromolekuł Opis energii oddziaływań ligand-receptor Symulacje MD Przygotowanie ligandu i receptora do dokowanie Dokowanie molekularne Ocena jakości dokowania funkcje scoringu

3 Oddziaływanie ligand-receptor Zmiana energii związana z bezpośrednim, odwracalnym oddziaływaniem ligandu z receptorem L + M k 1 ML (2) k 2 charakteryzowana jest przy pomocy energii swobodnej (potencjału Gibbsa). G = H T S W stanie równowagi stała równowagi G = G + RT ln(k eq )

4 Oddziaływanie ligand-receptor Najsilniejszymi wiązaniami są disiarczkowe wiązania kowalencyjne o mocy 60 kcal/mol, które tworzą się na skutek utlenienia pary reszt cysteiny Istotną rolę w procesie rozpoznawania molekularnego odgrywają wiązania wodorowe Siła wiązania wodorowego (1,5 2,5 Å) oraz kątem pod jakim są wzajemnie ułożone w przestrzeni ( ). Przeciętna siła 1,7 9,6 kcal/mol. uczestniczyć może 8 reszt aminokwasowych (Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr, Trp).

5 Oddziaływanie ligand-receptor O NH 2 H N H N NH 2 O N N N - tryptofan H N N N - histydyna H N + H N N H 2 HN arginina H 2 N NH H 2 N N N H N HN N N H 2 + H 2 N NH HN H 2 N NH tyrozyna O - OH O OH O O - Glu, Asp OH O R OH R SH R NH 2 S R O - R S - + R NH 3 Me

6 Oddziaływanie ligand-receptor Oddziaływania van der Waalsa występują pomiędzy cząsteczkami hydrofobowymi, np. między dwoma resztami aromatycznymi fenyloalaniny W wyniku chwilowej fluktuacji rozkładu gęstości elektronowej cząsteczki dochodzi do wytworzenia układu dwubiegunowego (końca dodatniego i ujemnego) tzw. dipola. Tego typu oddziaływaniom ulegają: glicyna, alanina, walina, leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, prolina i metionina. Dipole w cząsteczkach mogą także oddziaływać z obdarzonymi ładunkami resztami aminokwasów (oddziaływanie typu jon-dipol).

7 Oddziaływanie ligand-receptor W środowisku płynu fizjologicznego (ph=7,4) łańcuchy boczne aminokwasów białkowych o charakterze zasadowym ulegają protonowaniu, zaś podstawniki kwasowe deprotonowaniu. Pomiędzy przeciwnie naładowanymi częściami cząsteczki/cząsteczek dochodzić może do oddziaływań o charakterze elektrostatycznym (oddziaływania jonowe). Wiązania jonowe mogą się tworzyć między jonem karboksylanowym reszty kwasowej jednego aminokwasu (np. kwasu asparaginowego, glutaminowego), a jonem amoniowym reszty zasadowej innego aminokwasu, np. lizyny, argininy

8 Oddziaływanie ligand-receptor Istotną rolę w procesie tworzenia kompleksu ligand-receptor odgrywają cząsteczki rozpuszczalnika (najczęściej wody). Polarny rozpuszczalnik może stabilizować strukturę makromolekuły tworząc wiązania wodorowe z polarnymi resztami aminokwasów. Entropowy koszt unieruchomienia cząsteczki wody (-T S=20kcal/mol) związany z utratą translacyjnych i rotacyjnych stopni swobody jedynie częściowo kompensowany jest spadkiem entalpii ( H) wytworzonych wiązań wodorowych N O - O + + H 3 N Phe Lys..... O O + H 3 N W czasie bezpośredniego wiązania liganda w miejscu wiążącym receptora następuje spadek entropii tworzonego układu związany ze zmniejszeniem labilności konformacyjnej obu komponentów (zachowanie translacji i rotacji).

9 .. Oddziaływanie ligand-receptor Niekorzystny termodynamicznie wzrost energii swobodnej układu ( G) kompensowany jest wzrostem entropii ( S>0) wynikającym ze zjawiska asocjacji cząsteczek wody miejsca wiążącego w ogólnej masie rozpuszczalnika. zmniejszenie G, która stabilizuje kompleks ligand-receptor określa się mianem efektu hydrofobowego hydrofobowe przeniesienie ładunku N H N wiązanie wodorowe H CH 2 CH 2 N + jonowe lub jon-dipol CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 O O CH 2 CH 3 hydrofobowe dipol-dipol hydrofobowe

10 Modelowanie receptora określenie struktury pokrewnej referencyjnej R określenie strukturalnie podobnych (SCR structurally conserved regions) i niepodobnych (SVR structurally variable regions) części nałożenie sekwencyjne SCR na R (BLAST) konstrukcja SCR przy użyciu współrzędnych z R (C α) konstrukcja SVR (loop search geometryczne kryteria PDB, de novo) modelowanie reszt aminokwasowych (67 rotamerów dla 17 aminokwasów) optymalizacja struktury oraz poprawa geometrii przy użyciu technik MD

11 Białko - składowa błony komórkowej Budowę błony komórkowej poprawnie opisuje model płynnej mozaiki, który został zaproponowany w latach 70 ubiegłego wieku przez S. J. Singera i G. L. Nicolsona

12 Białko - składowa błony komórkowej Amerykanin George Gamow powiązał budowę DNA i RNA ze strukturą białek. Założył on, iż liniowy układ nukleotydów musi mieć odzwierciedlenie w liniowym uporządkowaniu aminokwasów matrycą do właściwej biosyntezy białek jest mrna (matrycowy RNA) transkrypcja Istotną rolę w procesie translacji odgrywają cząsteczki trna (transportowy RNA) Jedna cząsteczka trna składa się z ok nukleotydów tworzących kilka ramion, z których najważniejsza jest pętla antykodonowa. Zawiera ona 7 nukleotydów, z których środkowe 3 tworzą antykodon.

13 Ligand bioefektor, receptor transduktor sygnału biologicznego Na skutek związania liganda z receptorem, obserwujemy pobudzenie (gdy dochodzi do zmiany konformacji receptora) blokowanie (brak zmiany konformacji receptora) receptora. Agonista Antagonista odwrotny agonista

14 PDB chemoinformatyczne repozytorium makrocząsteczek

15 Reprezentacja Biomolekuł AMCSGLIPTFALISVPSANRLYYAIRGSSILGHVRAQERRLIVSTYVNQSIGNDA Ala-Met-Cys-Ser-Gly-Leu-Ile-Pro-Thr-Phe-Ala-Leu-Ile-Ser Struktura pierwszorzędowa Spacefill Wireframe

16 Reprezentacja biomolekuł Wiele szczegółów Prosta interpretacja Podkreślenie detali Ribbon Cartoon

17 Reprezentacja biomolekuł Membrane protein Protein DNA Function / Motion P-glycoprotein Protein - ligand

18 Energetyka oddziaływania receptor ligand G = H T S Entropia Entalpia Solvatacja + = 18

19 Opis entalpii H = K + V Wewnętrzna energia potencjalna Długość wiązań Kąty Kąty torsyjne Oddziaływania międzycząsteczkowe Elektrostatyka Oddziaływania Van der Waals Efekty QM V = E Pot = E bon + E angle + E dihedral + E elec + E VdW

20 Oddziaływania przez wiązania Odległość atom-atom E = k i (l i l i,0 ) bonds 2 Kąty między atomami E = k i (θ i θ i,0 ) 2 angle

21 Oddziaływania przez wiązania Kąty torsyjne E = dihedral k i (1 + cos(nω δ))

22 Oddziaływania niewiążące Ważne oddziaływania dla makromolekuł Wielkość atomów Objętość atomów Oddziaływania atom-atom Główny składnik rozpoznawania międzymolekularnego Van der Waals N N σ E = 4ε ij ij r i=1 j= i+1 ij 12 σ ij r ij 6

23 Oddziaływania niewiążące Dominujące dla układów: ładunek-ładunek ładunek-dipol dipol-dipol 1 r 3 1 r 2 Oddziaływania długozasięgowe Stosowane cuttoff Stosowanie modeli przybliżonych 1 r Elektrostatyka E = N i=1 N j= i+1 q i q j 4πε 0 r ij

24 Ocena energii w dokowaniu Składniki oddziaływań ligandreceptor Van der Waals Elektrostatyka Wiązania wodorowe Energia potencjalna (entalpia) może być bezpośrednio liczona przez metody ab intitio lub pola siłowe Typowo stosowana w VS skriningu Entropy oceniana na podstawie przybliżeń 24

25 Pole siłowe Oddziaływania wewnątrząsteczkowe wiązania kąty Kąty torsyjne Oddziaływania międzycząsteczkowe Elektrostatyka Oddziaływania Van der Waalsa

26 Simulacje MD Wymagania Startowe współrzędne Makromolecularne parametery Pola siłowe Rozwiązanie równania ruchu Newtona Wyniki Dynamika: ocena zmian czasowych układu Liczone właściwości zależne od położeń atomów 2 E = k i (l i l i,0 ) + ki (θ i θ i,0 ) 2 + bonds angle k i (1 + cos(nω δ)) + dihedral N i=1 N j= i+1 4ε ij σ ij r ij 12 σ ij r ij + q q i j 4πε 0 r ij 6

27 Dynamika molekularna symulacje dynamiki molekularnej MDs, której podstawowe założenia opierają się na traktowaniu układu molekularnego jako zbioru punktów materialnych poruszających się zgodnie z równaniami ruchu Newtona Traktowanie czasu, jako następujących po sobie kroków czasowych (wartości dyskretne) oraz założenie stałości działającej siły w czasie pojedynczego kroku

28 Dynamika molekularna

29 Czasowa propagacja układu RMSD jest miarą odchylenia od geometrii struktury początkowej Duże wartości RMSD wskazują na problemy obliczeniowe RMSD = N i ( x i x start ) 2 N

30 Przygotowanie makromolekuły Wybór celu dokowanie Przygotowanie miejsca wiążacego Symulacja efektu indukowanego dopasowania Odpowiednie uprotonowanie w wybranym ph Efekty solwatacji i desolwatacji 30

31 Wybór celu dokowania Target Enzym, receptor, białko DNA, RNA Geometria celu Czy dostępna jest struktura krystalograficzna? Jak opisane jest miejsce wiążące lub aktywne? Czy przewidywany jest duży efekt indukcyjny 31

32 Wybór celu Geometria Żródło geometrii układu X-Ray NMR Homology Model 32

33 Struktura krystalograficzna Istotne cechy Konformacja receptora Geometria miejsca wiążącego Szczegóły oddziaływań ligand-receptor Jakość struktury krystalograficznej Złożoność układu apo (bez ligandu) holo (z ligand) Czy struktura krystalograficzna odpowiada zawsze rzeczywistym układom??? Tworzenie kryształu: zależne od procedury Pozycje atomów to wartości przybliżone 33

34 Uprotonowanie układu Wiązania wodorowe ważny czynnik oddziaływania Specyficzność Orientacja Stabilność? Protonowanie histydyny Struktura krystalograficzna nie zawiera atomów H, które muszą być dodane Tautomery ( His Orientacja (Asn, Gln and Ligand Protonowanie zależne od ph Side chain orientation 34

35 Solwatacja układu ligand-receptor Wpływ cząsteczek rozpuszczalnika Strukturalna integralność układu ligand-receptor Wiązanie wodorowe Efekt hydrofobowy Problemy Woda strukturalna nie jest zawsze widoczna w strukturze krystalograficznej Problemy obliczeniowe 35

36 Efekt indukowanego dopasowania Strukturalna zmiany geometrii receptora w czasie wiazania ligandu Zmiany w dużej skali Ruchy domenowe Ruchy pętli Lokalne Zmiany w położeniu reszt aminokwasowych 36

37 Dokowanie Dokowanie Ocena funkcji dopasowania Enrichment 37

38 Dokowanie Dokowanie- przewidywanie struktury kompleksu ligand-receptor. Orientacja+konformacja=poza Etapy: Poszukiwanie konformacji Ocena energetyczna dopasowania Ważne właściwości Drugability Labilność konformacyjna Wielkość molekuł Energia scoring Traktowanie rozpuszczalnika 38

39 Dokowanie Przewidywanie geometrii Dostępne dane o miejscu wiążącym lub aktywnym Przewidywanie wartości powinowadztwa nie jest nadal rozwiązane w dokowaniu, lecz rozróżnienie pomiędzy formami aktywnymi i nieaktywnymi jest możliwe Przybliżenia w dokowaniu Ignorowanie entropii Przybliżony opis entalpii Receptor traktowany jako struktura sztywna Ignorowanie efektu solwatacji/desolwatacji 39

40 Scoring ocena dopasowania Scoring jest oceną dopasowania układu ligand-receptor Typy funkcji oceny funkcji dopasowania Energy-based Knowledge-based Fizycznochemiczne właściwości użyte w skoringu Wiązania wodorowe Oddziaływania hydrofobowe Oddziaływania elektrostatyczne Desolwatacja 40

41 Scoring (energy based) Stosuje się funkcję z parametrami fizykochemicznymi Równanie: Bazuje na właściwościach fizykochemicznych Uproszczony opis entalpii Założenie: niezależność wyrażeń Założenie: addytywność wyrażeń G = G 0 +Nr hbonds G hbonds +Nr Lipo G Lipo +Nr bad G bad +Nr rot G rot +E intern Używane do przewidywanie wartości powinowadztwa 41

42 ( based Scoring (knowledge Oparte na wiedzy Informacji strukturalnej funkcja prawdopodobieństwa Prowdopodobieństwo użyte do oceny poszczególnych póz Używana do przewidywania geometrii układu ligand-receptor Probability Distance High probability Low probability 42

43 Consensus scoring Strategia do poprawy jakości dokowania Połączenie wielu funkcji dokowania Użycie wielu funkcji dopasowania Rescoring Użycie wielu różnych funkcji oceny dopasowania Consensus scoring Użycie wyników wielu różnych dokowań Consensus scoring poprawia możliwości przewidywania w dokowaniu redukcja liczby false positives Racjonalizacja Różne funkcje scoringu generują różne błędy Najlepsze pozy będą miały wysokie wartości scoringu dla różnych funkcji 43

44 Enrichment Co to jest enrichment? Możliwość identyfikacji związków aktywnych z dużej liczby związków w bazie danych Cele Ocena różnych metod virtualnego skriningu. Ocena ustawień parametrów dokowania Wybór związków z dużej bazy danych % Enrichment % Enrichment % Compounds % Compound 44

45 Wybór metody Surflex-Dock dokowania Narzędzia % Enrichment Theoretical Max Enrichment Total_Score D_SCORE_0 DR_SCORE_0 PMF_SCORE_0 PMFR_SCORE_0 G_SCORE_0 GR_SCORE_0 CHEMSCORE_0 CHEMSCORER_0 Random Gold, Glide, Surflex-Dock, MOE, Ligand-fit, Autodock Wybór Szybkość Enrichment % Enrichment % Compound Glide % Compounds Lowest Efinal: GlideScore Theoretical Max Enrichment Lowest E-Final Best E-model E Best Emodel: GlideScore Random