Oddziaływanie leków z celami molekularnymi i projektowanie leków Prof. dr hab. Sławomir Filipek Grupa BIOmodelowania (biomodellab.eu) Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii oraz Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych (CeNT-III)
Piśmiennictwo m.in.
Klasyfikacje leków według: Efektu farmakologicznego przeciwbólowe, antyalergiczne, antybiotyki Struktury chemicznej penicyliny, opiaty, benzodiazepiny, steroidy Docelowego układu w organizmie np. leki antyhistaminowe blokują wytwarzanie lub uwalnianie histaminy Miejsca akcji leku np. antycholinesterazy - hamują rozkład ACh przez acetylocholinesterazę (AChE) Stosowane w leczeniu choroby Alzheimera AChE YASARA Ach_drugs.sce
Miejsca działania leków komórka bakteryjna komórka zwierzęca Białka (glikoproteiny): enzymy i receptory komórkowe Kwasy nukleinowe (DNA i RNA np. rybosom) Lipidy: tworzenie tunelu w błonie (grzybobójcze) lub jako przenośnik jonów www.interklasa.pl
Wiązanie leków do białek - enzymy Wiązanie do enzymów - substraty - inhibitory Działanie leków - inhibitory współzawodnicze (odwracalne) - Inhibitory niewspółzawodnicze - nieodwracalne - odwracalne (allosteryczne)
Wiązanie leków do białek - receptory Wiązanie do receptorów - agoniści - antagoniści - odwrotni agoniści Działanie leków - pobudzają receptor - agoniści / częściowi agoniści - blokują receptor - antagoniści - inwersyjni agoniści
Adaptacja liganda podczas wiązania konformacja bioaktywna YASARA Ach.sce
Konformacja bioaktywna liganda Molecular Conceptor
Adaptacja enzymu podczas wiązania reszty katalityczne
Duże zmiany konformacyjne Glucose hexokinase
Zmiany konformacyjne enzymów podczas wiązania ligandów Shikimate dehydrogenase from Helicobacter pylori Struktura bez kofaktora (PDB id:3phh) z kofaktorem (PDB id: 3PHI) Indukowane dopasowanie baza Protein Data Bank (PDB)
Bazy strukturalne danych Protein Data Bank (PDB) Format pliku PDB Bazy leków (DrugBank, PubChem)
Protein Data Bank (PDB) www.rcsb.org
Format pliku PDB na przykładzie pliku 1FXV.pdb HEADER HYDROLASE 27-SEP-00 1FXV TITLE PENICILLIN ACYLASE MUTANT IMPAIRED IN CATALYSIS WITH TITLE 2 PENICILLIN G IN THE ACTIVE SITE COMPND MOL_ID: 1; COMPND 2 MOLECULE: PENICILLIN ACYLASE; COMPND 3 CHAIN: A; COMPND 4 FRAGMENT: ALPHA SUBUNIT; COMPND 5 EC: 3.5.1.11; COMPND 6 ENGINEERED: YES; COMPND 7 MOL_ID: 2; COMPND 8 MOLECULE: PENICILLIN ACYLASE; COMPND 9 CHAIN: B; COMPND 10 FRAGMENT: BETA SUBUNIT; COMPND 11 EC: 3.5.1.11; COMPND 12 ENGINEERED: YES; COMPND 13 MUTATION: YES SOURCE MOL_ID: 1; SOURCE 2 ORGANISM_SCIENTIFIC: ESCHERICHIA COLI; SOURCE 3 ORGANISM_TAXID: 562; SOURCE 4 EXPRESSION_SYSTEM: ESCHERICHIA COLI; SOURCE 5 EXPRESSION_SYSTEM_TAXID: 562; SOURCE 6 EXPRESSION_SYSTEM_VECTOR_TYPE: PLASMID; SOURCE 7 EXPRESSION_SYSTEM_PLASMID: PEC; SOURCE 8 MOL_ID: 2;............... 1FXV.pdb
Bazy leków (DrugBank) www.drugbank.ca
Bazy leków (PubChem) pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Siły molekularnego oddziaływania Wiązanie wodorowe Oddziaływania elektronów - (nie tylko benzen-benzen) Oddziaływania elektrostatyczne mieszane Przykład oddziaływań w leku Hydrofobowe = van der Waalsa + entropia H S
Siły tworzące strukturę III-rzędową białka wiązania kowalencyjne: S S (Cys... Cys) (siła wiązania 250 kj/mol) oddziaływania jonowe: CO 2... + H 3 N (Asp... Lys) (siła wiązania 20 kj/mol) wiązania wodorowe: O-H... O(H) (Ser... Ser) siła wiązania 7-30 kj/mol - stackingowe: Ph... Ph (Phe... Phe) siła wiązania 8-12 kj/mol oddziaływania van der Waalsa: C... C (każdy atom) siła wiązania 2 kj/mol wiązania wodorowe i oddziaływania van der Waalsa są bardzo powszechne (także do oddziaływań z otaczającą wodą) i one decydują o III-rzędowej strukturze białka + oddziaływanie ze środowiskiem woda/błona (efekty entropowe)
Efekty polaryzacji ładunku Oddziaływania pomiędzy molekułami niepolarnymi siły van der Waalsa Niestabilne ładunki cząstkowe Stabilne ładunki cząstkowe Oddziaływania stackingowe
Wiązania w łańcuchach bocznych Leu Leu Ser Gln Val Val Asp Lys http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/
Miejsce aktywne enzymu kofaktor NAD+ jest potrzebny do zajścia reakcji YASARA dehydrogenase
Wykład 2
Aminokwasy Notacja jedno- i trójliterowa
Wiązanie peptydowe Dipeptyd Gly-Gly (GG) Wiązanie peptydowe jest płaskie i sztywne Tripeptyd Ala-Gly-Phe (AGF)
Met-enkefalina - jeden z endogennych środków przeciwbólowych Notacja jednoliterowa: YGGFM Morfina działa na ten sam receptor Podobieństwo? YASARA enkephalin_morph
Wiązania wodorowe w białkach budowa -helisy budowa -kartki YASARA 1crn.pdb
Struktura II- i III-rzędowa białek Pętle między helisami -helisa, i+4 -helisa = 3.6 13 helisa (pełny obrót co 3.6 aminokwasu i 13 wiązań w pętli wiązania wodorowego) mioglobina 3 10 helisa, i+3 -helisa, i+5
Wykres Ramachandrana skręcona -kartka kolagen
Wykres Ramachandrana przykłady białek
Struktury nad-ii-rzędowe i foldy
Proces zwijania się białka Tylko z uwzględnieniem entropii Woda w głębi roztworu: Silne wiązania wodorowe, słabe efekty orientacyjne mobilność (duża entropia) Woda przy powierzchni hydrofobowej: Słabe wiązania wodorowe, silne efekty orientacyjne stabilność (mała entropia)
Proces zwijania się białka - energetyka Potencjał termodynamiczny: G = H - T S Minima kinetyczne i termodynamiczne podczas zwijania białka Paradoks Levinthala: Czas potrzebny na sprawdzenie wszystkich konformacji białka jest większy niż wiek wszechświata.
Proces zwijania się białka udział chaperonów Białko chaperonowe Hsp70
Proces zwijania się białka misfolding Schemat misfoldingu i powstawania agregatów Enzymy z węzłami: struktury prawidłowo zwinięte! PDB: 1YVE, 1XD3, 1UAJ. 1uaj.pdb
Proces zwijania się białka amyloidy Powstawanie amyloidów Amyloidy są termodynamicznie trwalsze niż natywne białko! Także są celami leków. Wczesne formy amyloidów - najbardziej szkodliwe?
Krystalografia dopasowywanie do map gęstości elektronowej
Dopasowywanie struktury do więzów z NMR Przypisywanie NOE Usuwanie szumów/ znajdowanie dodatkowych więzów Przypisywanie NOE Usuwanie szumów/ znajdowanie dodatkowych więzów
Analiza konformacyjna małych cząsteczek Zidentyfikowanie "uprzywilejowanych" konformacji cząsteczki (okolice minimum energetycznego). Niezbędne posiadanie oddzielnego algorytmu do generowania początkowych konformacji cząsteczki (do późniejszej minimalizacji). W przypadku bardzo wielu minimów znajduje się wszystkie "dostępne" minima (bariery kinetyczne lub termodynamiczne). Względne populacje cząsteczek dla każdego z minimów wyznacza się z rozkładu Boltzmanna (wagi statystyczne powinny uwzględniać nie tylko energie ale i wszystkie oscylacje i rotacje); efekt rozpuszczalnika (w postaci poprawki G solv )
1) Systematyczne przeszukiwanie należy znaleźć wszystkie wiązania obrotowe w cząsteczce długości wiązań i kąty pozostają niezmienione każde z wiązań jest kolejno obracane o stały kąt (np. 30 ) każda wygenerowana konformacja podlega minimalizacji do swojego lokalnego minimum liczba konformacji N 360 i 1 0 Struktury z bardzo wysokimi energiami można odrzucić bez minimalizacji; Można sprawdzać częściowo skonstruowane cząsteczki czy są poprawne (np. nakładanie się dwu łańcuchów bocznych) przed konstrukcją pozostałych części cząsteczki (usuwanie niektórych gałęzi z grafu).
Molekuły cykliczne Dla tych pseudo-acyklicznych cząsteczek sprawdza się dodatkowo czy pierścienie są prawidłowo zamknięte (długość wiązania, kąty płaskie i/lub torsyjne). Testy te (odrzucenie lub przyjęcie struktury) można wykonywać dopiero po zbudowaniu całego pierścienia. Dla maksymalnej wydajności kolejność obracanych wiązań ustala się od jednego końca cząsteczki do drugiego (najmniej poruszeń atomów). Równowaga pomiędzy wielkością kąta 0 a dostępnymi zasobami obliczeniowymi. Kryterium bump check 2 Å.
2) Budowanie z modułów Bardziej wydajne niż systematyczne przeszukiwanie bo istnieje dużo mniej możliwych kombinacji, szczególnie do molekuł cyklicznych. Program do automatycznej procedury budowania z modułów decyduje o podziale cząsteczki (substructure search algorithm). Fragmenty (templates) są już wcześniej sprawdzone i istnieje baza z ich możliwymi konformacjami (np. konformacje krzesełkowa, łódkowa i skręcona łódka dla cykloheksanu). Search tree jak w poprzedniej metodzie. Eliminacja całych gałęzi również możliwa. Bazę fragmentów generuje się na podstawie dostępnych struktur w bazie X-ray, bądź przez systematyczne przeszukiwanie
3) Algorytmy genetyczne [Goldberg, 1989] [Judson et al., 1993] Chromosomy otrzymane z kątów torsyjnych wiązań obrotowych:
Algorytmy genetyczne c.d. W pierwszym kroku tworzy się "populację" możliwych rozwiązań (odpowiada przypadkowo wygenerowanym konformacjom cząsteczki) oblicza się "przystosowanie" (fitness) (energia cząsteczki) każdego członka populacji nowa populacja jest generowana z osobników najlepiej przystosowanych (prawdopodobieństwo wyboru proporcjonalne do fitness) używając metod reprodukcji, krzyżowania (crossover) i mutacji. Miejsce krzyżowania jest wybierane przypadkowo: prawdopodobieństwa krzyżowania i mutacji są niewielkie najlepsza struktura jest kopiowana bez zmian do kolejnej populacji stosowane do szukania minimum globalnego (teoretycznie) lub dużej liczby prawie optymalnych rozwiązań
Modelowanie - elementy pola siłowego Drgania wiązań Drgania kątów płaskich Niewłaściwe kąty torsyjne, np. odchylenie od Energia potencjalna poszczególnych elementów pola siłowego: U bond bond k ( r r i angle U angle k i ( i 0 i) i i i 2 0 i) tors U płaszczyzny tors k [ 1 cos( n i i )] Zmiany kątów torsyjnych U Coulomb i i j i q q i j 4 0 r ij 2 Oddziaływania elektrostatyczne Oddziaływania van der Waalsa U vdw i j i ij 4 ij rij ij rij Potencjał Lennarda-Jonesa (lub potencjał 6-12) YASARA 12 6
Skala czasowa ruchów białek modelowanie pełnoatomowe Krok czasowy dynamiki molekularnej: 1 fs = 10-15 s