Komputerowe wspomaganie projektowanie leków wykład V Prof. dr hab. Sławomir Filipek Grupa BIOmodelowania Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii oraz Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Cent-III www.biomodellab.eu Strategie projektowania leków Dopasowanie ligandów do miejsca aktywnego receptora (dokowanie) znana Budowa nowych ligandów ab-initio (de-novo) Struktura receptora Dynamika kompleksu receptor-ligand Budowanie modelu miejsc aktywnych liganda (farmakofor) nieznana Przeszukiwanie baz danych (screening) 1D i 3D QSAR (pseudoreceptory i pola molekularne) 2 1
Modyfikacje liganda w celu zwiększenia oddziaływania z celem molekularnym Struktura kompleksu nie jest znana Poszukiwanie miejsca aktywnego (informacja biochemiczna lub wnęka/rowek na powierzchni receptora Dokowanie znanych ligandów tego białka lub przeszukiwanie całych bibliotek różnych ligandów Struktura kompleksu jest znana Analiza istniejących oddziaływań lek-białko Maksymalizacja liczby i siły oddziaływań Ocena efektów entropowych (zmniejszenie liczby konformacji, schowanie części hydrofobowych) 3 Analiza oddziaływań w kompleksie biotyna-streptoawidyna Silne wiązanie biotyny (witamina B7) K D 10-14 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 0.001 pm ale dla awidyny pi 10. Awidyna (antywitamina) - składnik jaj ptaków unieczynniana przez gotowanie. 4 2
Analiza oddziaływań w kompleksie biotyna-streptoawidyna 5 8 reguł projektowania leków dla receptor-based drug design 1. Znaleźć kluczowe miejsca oddziaływania z receptorem 2. Wykorzystać oddziaływania hydrofobowe (głównie efekt entropowy, dużo wypartej wody z receptora); oddziaływania bezkierunkowe 3. Wykorzystać wiązania wodorowe (kąt C=O H jest 120, ale mogą się także zbliżać do 180 w -kartkach; dla N-H O jest pomiędzy 140 a 180. 4. Wykorzystać oddziaływania jonowe 6 3
8 reguł projektowania leków dla receptor-based drug design 5. Konformacja bioaktywna zbliżona do konformacji o najniższej energii (mała energia naprężeń) 6. Zoptymalizować kontakty van der Waalsa: dopasować kształty liganda i receptora, unikać nakładania powierzchni molekularnych (bumps). 7. Usuwać strukturalną wodę 8. Zmniejszać niekorzystane efekty entropowe poprzez usztywnianie liganda. 7 Analiza oddziaływań w kompleksie oseltamivir (tamiflu) - neuramidaza wirusa grypy H5N1 8 4
Analiza oddziaływań w kompleksie oseltamivir (tamiflu) - neuramidaza wirusa grypy H5N1 Tamiflu Kwas sialowy - substrat 9 Działanie proteazy wirusa HIV 10 5
Struktura proteazy wirusa HIV-1 Pierwsza struktura krystaliczna w 1989 r. 11 Schemat inhibitora stanu przejściowego dla proteazy 12 6
Topografia miejsca aktywnego proteazy 13 Inhibitor MVT-101 Heksapeptyd, K D = 780 nm 14 7
Oddziaływania MVT-101 z proteazą HIV-1 Oddziaływania poprzez cząsteczkę wody Wiązania wodorowe do inhibitora 15 Projektowanie dodatkowych miejsc hydrofobowych inhibitor A-77003 K D = 0.15 nm, 5000 x silniejsze wiązanie niż MVT-101 16 8
Analiza wiązania inhibitora A-77003 Oddziaływania także poprzez cząsteczkę wody Wiązania wodorowe do obu Asp25 17 Zbudowanie farmakofora na podstawie zadokowanego liganda Prosty farmakofor: dwie symetryczne grupy hydrofobowe i jedno miejsce HB donor/akceptor 18 9
Jeden ze znalezionych w bazie danych związków 19 Analiza zadokowania Grupa metoksylowa -O-CH 3 zastępuje strukturalną wodę 20 10
Analiza dopasowania Usunięcie strukturalnej cząsteczki wody jest korzystne entropowo 21 Analiza dopasowania Usztywnienie liganda jest także korzystne entropowo 22 11
Modyfikacje środkowego pierścienia cykloheksanon Pierścień 7-członowy (korzystniejsze wiązania do obu Asp25 23 Dodanie pierścieni naftylowych Nowa seria związków: cykliczne pochodne mocznika 24 12
Analiza wiązania XK-263 25 Dynamika molekularna kompleksu ligand-cel molekularny Pobranie struktury z bazy PDB (Protein Data Bank) Usunięcie dodatkowych molekuł i jonów użytych do krystalizacji Uzupełnienie brakujących elementów struktury Niewidoczne w krysztale aminokwasy (np. w labilnych pętlach) Atomy wodoru (zbyt niska rozdzielczość) + optymalizacja ich położeń Ustalenie warunków prowadzenia symulacji Wybór pola siłowego Ustalenie temperatury i ciśnienia (zwykle standardowe) Parametryzacja liganda: ładunki cząstkowe (dla wszystkich atomów liganda) i parametry pola siłowego (dla nowych typów atomów liganda) 13
Dynamika molekularna kompleksu ligand-cel mol. - stopniowe usuwanie więzów (czasy symulacji dla enzymów ok. 200-400 aminokwasów) Dodanie cząsteczek wody w pudle periodycznym Dynamika samej wody kompleks zamrożony (1 ns) Odmrożenie liganda (100 ps) Odmrożenie łańcuchów bocznych aminokwasów (1 ns) Odmrożenie łańcucha głównego (20 ns) Właściwa symulacja (100 ns lub więcej dla większych białek) MD biotyna-streptoawidyna 14