Wykład 3-4. Materiały z wykładów (plik PDF):

Transkrypt

1 Wykład 3-4 Materiały z wykładów (plik PDF):

2 Porównanie zakresów modelowania układów biologicznych Symulacje mezoskopowe, jedno ziarno = kilkanaście aminokwasów, ziarna mogą być w różnych kształtach. Symulacje gruboziarniste, np. jedno ziarno = jeden aminokwas Symulacje pełnoatomowe, all-atom, united-atom (CH 2, CH 3 jako united atoms) Symulacje kwantowe

3 Elastic Network Model do badania drgań własnych w białkach heksokinaza Szybkie obrazowanie ruchu dużych domen białka

4 Drgania własne (normal modes) najwolniejsze ruchy obu domen Zamykanie miejsca aktywnego Drgania własne heksokinazy 460 aminokwasów, 3350 atomów, ponad drgań własnych (3N-6)

5 Mapowanie pola siłowego pełnoatomowego (all-atom) na gruboziarniste (coarse-grain) Gruboziarnista cząsteczka rozpuszczalnika mapowanie 4 to 1 (średnio) Krok czasowy obliczeń = fs Polar (P), nonpolar (N), apolar (C), charged (Q) 1-5 : low - high polarity d - donor, a - acceptor, da - both, 0 - none Marrink et al., J. Phys. Chem. B 2007

6 Gruboziarnista reprezentacja aminokwasów Porównanie wyników symulacji: all-atom (50 ns GROMACS ffgmx) i coarse-grain (4 μs CHARMM martini) Monticelli et al., J. Chem. Theory and Comput. 2007

7 Samorzutne tworzenie dwuwarstwy lipidowej Samoorganizacja błony DPPC ze wstawieniem białka OmpA (poryna) Samoorganizacja błony DPPC i utworzenie dimeru glikoforyny Bond & Sansom, JACS 2006

8 Formowanie się domen z różnych rodzajów lipidów skala 5 nm 2 x 2 2 x : 0.28 : : 0.42 : 0.3 dic 16 -PC / dic 18:2 -PC / cholesterol Risselada et al. (Marrink group), PNAS 2008

9 Usuwanie lipidów z krwi przez granule HDL symulacja gruboziarnista Struktura nanodysku AY Shih et al. (Schulten group), J. Struct. Biol. 2007

10 Ewolucyjne zachowanie sekwencji i struktury modelowanie przez homologię

11 Modelowanie białek przez homologię

12 Rodzina receptorów GPCR Struktura receptora GPCR ( 2 AR) z ligandem

13 Związek między strukturą a funkcją białka może dotyczyć tylko miejsca aktywnego Proteazy przecinają łańcuchy peptydowe Identyczne ułożenie kluczowych aminokwasów w miejscu aktywnym: Ser, His, Asp

14 Mechanizm hydrolizy peptydów przez chymotrypsynę

15 Modelowanie rozpoznawania w układzie lek-receptor rok model autor klucza i zamka (lock-and-key) komplementarność indukowanego dopasowania (induced fit) tolerancja zespołu konformacji (ensemble of conformations) różnorodność Emil Fischer Daniel Koshland Buyong Ma et al. Wszystkie modele są złe, ale niektóre są użyteczne (George Box)

16 Zespół konformacji białkowych (ensemble of conformations) Ligand wiąże się z wybraną konformacją białka

17 Zespół konformacji białkowych (rozpoznawanie białko-białko) Uzupełnianie się obydwu metod rozpoznawania Ubikwityna nawet bez partnerów białkowych przyjmuje te wszystkie konformacje związane

18 Profile energii dla zespołu konformacji i indukowanego dopasowania E Białko może akceptować różne ligandy ale w różnym stopniu

19 Zmiana profilu (powierzchni) energii białka w czasie wiązania liganda

20 Strategie projektowania leków Ligand-based drug design nieznana Budowanie modelu miejsc aktywnych liganda (farmakofor) Przeszukiwanie baz danych (screening) Struktura celu molekularnego znana 1D i 3D QSAR (pseudoreceptory i pola molekularne) Dopasowanie ligandów do miejsca aktywnego receptora (dokowanie) Budowa nowych ligandów ab-initio Receptor-based drug design Dynamika kompleksu receptor-ligand

21 Modyfikacje liganda w celu zwiększenia oddziaływania z celem molekularnym Struktura kompleksu nie jest znana Poszukiwanie miejsca aktywnego (informacja biochemiczna, analiza mutacji lub wnęki/rowki na powierzchni receptora) Dokowanie znanych ligandów tego białka lub przeszukiwanie całych bibliotek różnych ligandów (dokowanie w różnych miejscach) Struktura kompleksu jest znana Analiza istniejących oddziaływań lek-białko Maksymalizacja liczby i siły oddziaływań Ocena efektów entropowych (zmniejszenie liczby konformacji, schowanie części hydrofobowych) Yasara: TransPept, AChE

22 Analiza oddziaływań w kompleksie biotyna-streptoawidyna Silne wiązanie biotyny (witamina B7) K D mol/dm 3 (0.01 pm) Streptoawidyna jest uzyskiwana z bakterii Streptomyces avidinii. Znalazła zastosowanie w biotechnologii do oczyszczania białek (pi 7 więc nie wiąże się niespecyficznie z innymi białkami). Biotyna-awidyna nawet pm ale dla awidyny pi 10.

23 Analiza oddziaływań w kompleksie biotyna-streptoawidyna Yasara - analiza

24 Kataliza enzymatyczna Model miejsca aktywnego w enzymie: rowek, zagłębienie lub kanał

25 Inhibitory współzawodnicze (odwracalne): Glikol etylenowy (przypadkowe zatrucie) blokuje dehydrogenazę alkoholową: Inhibitor wiąże się silniej z enzymem i zatyka go. Możliwość regulacji siły wiązania. Usuwane przez nadmiar naturalnego substratu Sulfonamidy blokują enzymy bakteryjne, antycholinesterazy - enzym u ssaków acetylochlinesterazę

26 Inhibitory niewspółzawodnicze, odwracalne (allosteryczne): Drugie miejsce aktywne istnieje w większości enzymów do kontroli ich działania przez komórkę: 6-merkaptopuryna stosowana w leczeniu białaczki - inhibituje allosterycznie pierwszy enzym w łańcuchu syntezy puryn i synteza puryn zostaje zahamowana. To z kolei blokuje syntezę DNA

27 Inhibitory niewspółzawodnicze (nieodwracalne) -OH (Ser) -SH (Cys) Gazy bojowe toksyczne dla enzymów ssaków, penicylina dla enzymów bakterii

28 Inhibitory będące analogami stanu przejściowego Idealne w przypadku reakcji enzymatycznych wymagających dwu substratów Biosynteza dtmp 5-fluorouracyl - stosowany w leczeniu raka piersi i skóry - wykazuje dużą selektywność do komórek rakowych. Jest przekształcany w organizmie do fluorowego analogu dump

29 5-fluorouracyl - działanie Przeciwdziałanie związaniu kofaktora dump Tomudex Reakcja jest niemożliwa gdyż wymaga oderwania F+. Enzym jest kowalencyjnie związany w stanie przejściowym - blokada syntezy DNA - replikacja i podział komórek zahamowany Inhibitor jest wytwarzany dopiero w miejscu reakcji enzymu i dlatego jest wysoce selektywny Dimer TS

30 Receptory komórkowe neurotransmitery Funkcje kontrolne i komunikacyjne. Terapia bólu, depresji, psychoz, choroby Parkisona, chorób serca, astmy itp

31 Działanie receptorów kanały jonowe Receptor związany z enzymem

32 Zmiana kształtu przez receptor przykłady agonistów działanie antagonisty działanie silniejsze lub słabsze + mniejsze lub większe efekty uboczne + inwersyjni agoniści

33 Czynniki wpływające na aktywność właściwe położenie grup wiążących wielkość i kształt liganda

34 Inne typy ligandów receptorów agonista allosteryczny częściowy agonista efekt "umbrella"

35 Antybiotyki Blokujące enzymy bakteryjne Blokujące DNA Blokujące RNA (rybosom bakteryjny)

36 Elementy aktywne penicylin Penicylina G sce WebmedCentral.com

37 Amoksycylina Z grupy penicylin, lek pochodny: Augmentin (amoksycylina i kwas klawulanowy inhibitor -laktamazy) Glaxo Pfizer Amoksycylina blokuje enzym transpeptydazę (kroslinkowanie ściany komórkowej bakterii z peptydoglikanów polimer peptydowo-sacharydowy) Inhibitory -laktamazy Schemat półsyntetycznej produkcji penicylin por. miejsc wiążących transpept. i -laktam. sce Amoksycylina zablokowana przez enzym -laktamazę Monocykliczne antybiotyki -laktamowe (odporne na większość -laktamaz)

38 Elementy aktywne cefalosporyn WebmedCentral.com

39 Cefaklor z grupy cefalosporyn (grzyb Cephalosporium acremonium) Porównanie struktur Amoksycylina Cefaklor Biosynteza penicylin przez enzym zawierający żelazo (niewykonalna chemicznie) Etap syntezy cefalosporyn (podobny do 6-APA w syntezie penicylin) Kompleks Ceph R61 z transpeptydazą. Ceph zastępuje peptydoglikan a Ser62 wiąże się nieodwracalnie do -laktamu por. sce

40 Przykłady cefalosporyn

41 4 generacje cefalosporyn

42 Ceftarolina następna generacja cefalosporyn Ceftarolina sce + ESP

43 Izoniazyd Lek pierwszego rzutu w leczeniu gruźlicy (Mycobacterium tuberculosis) Izoniazyd, INH, pochodna kwasu izonikotynowego, prolek Woskopodobny składnik ściany komórkowej bakterii tuberculosis Inne leki tego typu Budowa ściany komórkowej mykobakterii: - Peptydoglikany - Arabinogalaktany - Kwas mykolowy Działanie INH (wewnątrz bakterii) KatG katalaza NADH dinukleotyd nikotynoadeninowy Powstaje inhibitor reduktazy zależnej od NADH (uczestniczy w procesie produkcji kwasu α-mykolowego) Inhibicja InhA, mutacja S94A prowadzi do oporności na INH 1ZID_2.mut.S94A.sce

44 Budowa DNA Struktura chemiczna DNA B-DNA Budowa od 5 do 3 końca Widełki replikacyjne DNA źródło: pl.wikipedia.org

45 Distamycyna przeciwdziała podziałowi komórek, silny antybiotyk i lek przeciwnowotworowy Sekwencje kwadrupleksowe występują w telomerach i miejscach regulatorowych. Są formowane z jednej, 2 lub 4 nici polinukleotydów. DNA_quadruplex_distamycin sce

46 Amikacyna W poważnych infekcjach przeciwko bakteriom beztlenowym Struktura molekularna Struktura krystaliczna ze związanym rrna YASARA SCE: 2G5Q_amikacin Związek naturalny Przy oporności na streptomycynę Cel leku: bakteryjna mała jednostka 30S rybosomu inhibicja transkrypcji

47 Działanie rybosomu 50S 30S

48 Doksycyklina (Vibramycyna) Antybiotyk tetracyklinowy, inhibitor syntezy białek w rybosomie Doksycyklina Tetracykliny > ton rocznie. Dodawane do karmy dla kurcząt i bydła aby zwiększyć ich masę. Obecnie znanych ponad 2000 analogów 30S Wiązanie z miejscem syntezy białka w podjednostce 30S rybosomu. Przeciwdziała związaniu trna, który dostarcza aminokwasy. Tetracykliny aktywne przeciwko leko-opornym bakteriom 1I97_doksyklina sce

49 Azitromycyna Antybiotyk makrolidowy (makropierścień zawierający grupę estrową) Pierwszy odkryty lek z tej grupy (naturalny z bakterii ziemnych) Bardziej odporna na środowisko kwaśne Azitromycyna, Długożyciowa, jedna dawka dożylna wystarcza do wyleczenia infekcji Miejsce wiążące leku w podjednostce 50S rybosomu. Blokuje kanał wyjściowy dla tworzonego białka 1NWY.sce

50 Przyczyny oporności bakterii na antybiotyki Enzymy niszczące leki (np. -laktamazy) Mutacje w bakteryjnych celach molekularnych (np. w rybosomie) Zwiększenie ilości białek błonowych eksportujących leki (pompy wydzielnicze) np. dla leków tetracyklinowych Zmiany genetyczne modyfikujące metabolizm (np. bakterie uzyskujące kwas foliowy od gospodarza) Zmniejszenie przepuszczalności ścian komórkowych przez mutacje (bakterie gruźlicy) Tworzenie błon ochronnych (biofilmy) utrudniające wnikanie antybiotyków i leków przeciwwirusowych. Oporność powstaje bardzo szybko gdy lek stosowany jest oddzielnie.