Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Transkrypt

1 Komputerowe wspomaganie projektowanie leków wykład II Prof. dr hab. Sławomir Filipek Grupa BIOmodelowania Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii oraz Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Cent-III Miejsca działania leków Typowa komórka Błona komórkowa 1

2 Modele struktury błony komórkowej płynny model mozaikowy Singer Nicholson, Science (1972) model współczesny Cele molekularne dla leków lipidy; tworzenie tunelu w błonie (grzybobójcze) lub jako przenośnik jonów. białka (glikoproteiny); enzymy i receptory komórkowe kwasy nukleinowe Met-enkefalina - jeden z endogennych środków przeciwbólowych 2

3 Aminokwasy Struktura II- i III-rzędowa białek -helisa, i helisa, i+3 -helisa, i+5 mioglobina -kartka równoległa lub antyrównoległa 3

4 Parametry 3 rodzajów helis (Å per residue) Wykres Ramachandrana 4

5 Wykres Ramachandrana Struktury nad-ii-rzędowe i foldy 5

6 Proces zwijania się białka Skala czasowa ruchów białek 6

7 Normal Mode Analysis NMA do badania dużych zmian strukturalnych Związek między strukturą a funkcją białka Te same aminokwasy w miejscu aktywnym mimo różnic w budowie obu proteaz 7

8 Ewolucyjne zachowanie sekwencji i struktury modelowanie przez homologię Siły tworzące strukturę III-rzędową białka wiązania kowalencyjne: S S (Cys... Cys) (siła wiązania = 250 kj/mol) wiązania jonowe: CO H 3 N (Asp... Lys) (siła wiązania = 20 kj/mol) wiązania wodorowe: O-H... O(H) (Ser... Ser) siła wiązania = 7-40 kj/mol wiązania van der Waalsa; Ph... Ph (Phe... Phe) siła wiązania = 2 kj/mol wiązania wodorowe i van der Waalsa są bardzo powszechne (także do oddziaływań z otaczającą wodą) i one decydują o III-rzędowej strukturze białka 8

9 Struktura IV-rzędowa białek dimer białka tworzony przez resztkowe oddziaływania hydrofobowe (van der Waalsa) Przygotowanie białka do dokowania formy tautomeryczne i minimalizacja energii 9

10 Przygotowanie ligandu do dokowania naładowane lub obojętne chiralne N-N(H) (H)N-N cis-trans Powierzchnia dostępna dla rozpuszczalnika Connoly surface Accessible surface area Promień dla wody = 1.4 Å 10

11 Komplementarność powierzchni białko-białko lub ligand-białko Działanie leków na enzymy działanie katalizatora Katalizator przyspiesza osiągnięcie stanu równowagi przez utworzenie nowego stanu przejściowego - obniża energię aktywacji reakcji k = A e -Ea/RT 11

12 katalizator - dostarcza powierzchnię -zbliża substraty do siebie - ustawia substraty aby mogły łatwiej osiągnąć stan przejściowy -osłabia wiązania chemiczne w substratach - uczestniczy w mechanizmie reakcji - pozostaje niezmieniony po reakcji Kataliza enzymatyczna Model miejsca aktywnego w enzymie: rowek, zagłębienie lub kanał 12

13 Miejsce aktywne enzymu dehydrogenaza kwasu mlekowego (mleczanowa) (lactate dehydrogenase - LDH) reakcja odwracalna pirogronian mleczan Siły wiążące substrat w miejscu aktywnym: - jonowe, - wodorowe, - hydrofobowe (van der Waalsa). Aminokwasy kluczowe dla enzymu są takie same mimo różnic gatunkowych i zmian ewolucyjnych 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 13

14 Inhibitory niewspółzawodnicze (nieodwracalne) -OH (Ser) -SH (Cys) Gazy bojowe toksyczne dla enzymów ssaków, penicylina dla enzymów bakterii 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 14

15 Mechanizmy katalizy enzymatycznej Teoria indukowanego dopasowania wyjaśnia dlaczego enzym może katalizować całą gamę substratów. Substrat też może zmieniać kształt Miejsce aktywne znajdujące się w hydrofobowym wnętrzu enzymu tworzą grupy polarne umożliwiające związanie substratu Hydroliza wiązania peptydowego przez chymotrypsynę: 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 15

16 5-fluorouracyl - działanie 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 Receptory komórkowe neurotransmitery Funkcje kontrolne i komunikacyjne. Terapia bólu, depresji, psychoz, choroby Parkisona, chorób serca, astmy itp 16

17 Działanie receptorów kanały jonowe Receptor związany z enzymem Mechanizm działania receptorów GPCR 17

18 Zmiana kształtu przez receptor przykłady agonistów działanie antagonisty Czynniki wpływające na aktywność właściwe położenie grup wiążących wielkość i kształt 18

19 Rodzaje ligandów receptorów agonista allosteryczny częściowy agonista efekt "umbrella" Adaptacja enzymu do związania inhibitora Phenylethanolamine N-methyltransferase (PNMT) katalizuje N-metylację norepinefryny 19