Dokowanie molekularne. Karol Kamel Uniwersytet Warszawski

Transkrypt

1 molekularne

2 Wstęp Dokowanie metoda modelowania molekularnego, pozwalająca na znalezienie położenia (i konformacji) liganda w miejscu wiążącym receptora. Informacja ta pozwala na ocenę energii swobodnej wiązania (entalpii swobodnej) ΔG i obliczenie stałej powinowactwa K a. W celu znalezienia ligandów najsilniej oddziałujących z receptorem, dokowaniu poddaje się często kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt tysięcy ligandów. Algorytmy dokujące muszą zatem charakteryzowad się sensownym kompromisem pomiędzy dokładnością, a szybkością działania. 2

3 Miejsce wiązania Przed rozpoczęciem procedury dokowania, trzeba określid położenie miejsca wiążącego. Zastosowanie metod homologicznych: Porównanie sekwencji receptora z sekwencjami pokrewnych białek. Miejsce wiążące często zostaje zachowane w procesie ewolucji, więc znalezienie fragmentów o nieznacznej zmienności może sugerowad istnienie w tym rejonie miejsca wiążącego. Metody solwatacyjne: Służy do znajdowania zagłębieo w powierzchni receptora (możliwe miejsca wiążące). Powierzchnia receptora zostaje pokryta sferami (zależnie od algorytmu, ale generalnie wielkości cząsteczki wody). Następnie sfery, w których sąsiedztwie o określonym promieniu (np. 8 Å) jest mniej niż pewna zadana liczba atomów białka, zostają usunięte. Następnie znów powtarza się proces nakładania i usuwania do momentu, aż liczba sfer pozostałych przy powierzchni białka przestaje się zmieniad. 3

4 Miejsce wiązania Metody dyskretne (na siatce): Powierzchnię receptora otacza się punktami w węzłach sieci sześciennej. Następnie usuwane są punkty w których otoczeniu (sześcianie) nie ma żadnego atomu białka. Następnie usuwane są punkty, w których otoczeniu (o innym rozmiarze) jest mniej niż określona liczba atomów białka. Pozostałe punkty łączone są w grupy. Te zawierające mniej niż określoną liczbę punktów są eliminowane. Często zdarza się, że otrzymamy kilka trafieo na powierzchni receptora, które mogą byd miejscem wiążącym. Dobrze jest wtedy przeprowadzid poszukiwania innymi metodami i przeanalizowad wyniki, i/lub przeprowadzid dokowanie do wszystkich wytypowanych miejsc i na podstawie wartości oceny programu do dokowania i/lub wyników poszukiwao miejsca aktywnego wybrad odpowiednie. 4

5 Wybór kandydatów Przeszukiwanie baz danych wybór spośród milionów cząsteczek kandydatów do dokowania. Przeszukiwanie 2D: Oparte o deskryptory strukturalne, np. grupy funkcyjne, rodzaje wiązao itp. Bez uwzględniania relacji przestrzennych między nimi. Często interesują nas nie tylko cząsteczki spełniające wszystkie kryteria (szczególnie jeśli są one bardzo szczegółowe), ale też cząsteczki o pewnym podobieostwie ( 100%). Podobieostwo najczęściej szacuje się przy użyciu współczynnika Tanimoto. Pozwala on określid, ile deskryptorów danej cząsteczki pokrywa się z zapytaniem. N QT liczba deskryptorów wspólnych; N Q liczba deskryptorów zapytania; N T liczba deskryptorów w cząsteczce. 5

6 Wybór kandydatów Przeszukiwanie 3D: Generowanie struktur trójwymiarowych z wzorów strukturalnych poprzez rozbicie cząsteczki na fragmenty, których struktury są znane i łączenie ich w taki sposób, żeby uniknąd poważnych zawad sterycznych. Giętkie przeszukiwanie 3D: Oprócz generowania struktury trójwymiarowej, generowane są rózne konformacje cząsteczki poprzez określone rotacje kątów torsyjnych. Jest to metoda dobra, ale czasochłonna. 6

7 Miejsce wiążące należy odpowiednio przygotowad: Do struktury krystalograficznej należy dodad atomy wodoru, sprawdzid ich kierunkowośd. Jest to szczególnie ważne dla at. wodoru przyłączonych do silnie elektroujemnych atomów (tworzenie wiązao wodorowych). Określid stany protonacyjne aminokwasów (Lys, Arg, His, Asp, Glu). Przypisad ładunki do atomów receptora oraz liganda. 7

8 Dokowanie można przeprowadzid na 3 sposoby, w zależności od sposoby rozpatrywania zmienności konformacyjnej. Dokowanie sztywne konformacje receptora i liganda nie podlegają zmianie w czasie dokowania, cząsteczka receptora poddawana jest jedynie rotacjom i translacjom. Dokowanie semi-giętkie konformacja receptora jest niezmienna, natomiast cząsteczka liganda podlega translacjom, rotacjom oraz zmianom konformacyjnym. Dokowanie giętkie zarówno konformacja receptora jak i liganda są zmienne, a cząsteczka liganda jest dodatkowo poddawana rotacjom i translacjom. W rzeczywistości dokowanie giętkie ogranicza się jedynie do giętkich łaocuchów bocznych aminokwasów, a nie do szkieletu (a zatem nie jest w pełni giętkie). 8

9 Metody dokowania sztywnego: Metoda grafów polega na połączeniu odpowiadających sobie cech receptora i liganda (węzły grafu). Ma to miejsce, gdy kompatybilne ze sobą cechy są w tej samej odległości (geometrycznej) w ligandzie, jak i receptorze. Najlepsze dopasowanie charakteryzuje się największym połączonym podgrafem wyjściowego grafu (czyli układu ligand-receptor). Metoda pola molekularnego polega na wypełnieniu miejsca wiązania sferami, stykającymi się z powierzchnią miejsca wiążącego a następnie dopasowaniu przy pomocy metody najmniejszych kwadratów atomów liganda do środków tych sfer. Po każdym dopasowaniu obliczana jest energia oddziaływania i jako najlepsze uznane zostaje dopasowanie charakteryzujące się najniższą energią. 9

10 Metody dokowania semi-giętkiego : Przeszukanie przestrzeni konformacyjnej, wygenerowanie grupy najbardziej stabilnych konformerów, w kolejnym etapie sztywne dokowanie każdego z konformerów. Metody stochastyczne Monte Carlo generowanie losowych konformacji i położeo liganda i akceptacja wg. kryterium Metropolisa (względem energii oddziaływania). Metody podziały liganda ligand jest dzielony na fragmenty sztywne (miejscami podziału są wiązania rotujące), następnie dokowany jest główny fragment (root) i następnie dobudowywane są do niego pozostałe fragmenty (branch) w taki sposób, żeby odtworzyd wyjściowy układ wiązao w cząsteczce, lub dokowane są wszystkie od razu i sprawdzana jest możliwośd odbudowy układu wiązao. 10

11 Metody wykorzystujące algorytmy genetyczne informacje o konformacji oraz położeniu liganda są zapisywane jako chromosom (ciąg liczb). Po wygenerowaniu losowej populacji startowej, kolejne pokolenie jest generowane przez wymianę części informacji pomiędzy chromosomami (crossing-over) i/lub mutacje (punktowe). Dla każdego osobnika w danym pokoleniu obliczana jest energia oddziaływania z receptorem i to ona decyduje o wielkości udziału danego osobnika w generowaniu kolejnego pokolenia. Metody dokowania giętkiego: Uwzględnianie możliwości zmian konformacyjnych łaocuchów bocznych aminokwasów w miejscu wiążącym receptora. Najczęściej liczbę możliwości zmian konformacyjnych ogranicza się do konformacji występujących w bazach rotamerów (np. Dunbrack a). 11

12 Zbiór konformacji receptora dla różnych struktur eksperymentalnych, bądź wygenerowanych metodami symulacyjnymi, np. dynamiką molekularną. Do każdej z konformacji następuje dokowanie liganda. Funkcje oceniające: Pozwalają ocenid powinowactwo liganda do receptora. Ponieważ dokładne obliczenia termodynamiczne są bardzo czasochłonne, funkcje oceniające oparte są częściowo na polach siłowych, a częściowo na potencjałach empirycznych (wyprowadzanych w oparciu o znane struktury określone eksperymentalnie). Np. w programie Auto Dock, entalpia swobodna wiązania jest wyrażona ogólnie jako: ΔG entalpia swobodna wiązania; V L związ potencjał opisujący ligand związany z receptorem; V L nzwiąz - potencjał opisujący ligand niezwiązany (wolny), analogicznie potencjały V P dla receptora; V PL związ potencjał opisujący kompleks ligand-receptor; ΔS conf zmiana entropii związanej ze zmianą konformacji receptora i liganda. 12

13 Ponieważ funkcje oceniające są niedoskonałe, często stosuje się wiele różnych funkcji, waży je i na tej podstawie określa się entalpię swobodną wiązania. 13

14 14

15 15

16 Dziękuję za uwagę 16

17 Zagadnienia Czym zajmuje się dokowanie molekularne? Wymienid sposoby określania miejsca wiążącego ligand w receptorze? Czym różni się przeszukiwanie 2D od 3D i jak definiujemy współczynnik Tanimoto? Wymienid i scharakteryzowad 3 sposoby dokowania. Jak wyrażona jest entalpia swobodna w programie AutoDock? Co to jest i jak działa algorytm genetyczny? 17