Oddziaływanie leków z celami molekularnymi cz. VII Metody projektowania leków i modelowanie molekularne Prof. dr hab. Sławomir Filipek Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii 1 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 1
Definicja farmakoforu Farmakofor trójwymiarowe ułożenie grup chemicznych wspólnych dla związków aktywnych i niezbędnych dla ich aktywności biologicznej. 3 Poszukiwanie farmakoforu Pierwsza hipoteza Wiele hipotez 4 2
Poszukiwanie farmakoforu Więcej związków pozwala zidentyfikować właściwą hipotezę Identyfikacja sterycznych bumps w miejscu aktywnym 5 Badanie roli grup funkcyjnych G.L. Patrick An Introduction to Medicinal Chemistry 3
Farmakofor przykładowy farmakofor Jak znaleźć farmakofor? Inhibitory bakteryjnego cytochromu Ograniczenia metody farmakoforów Nałożenie konformacji ze struktur krystalicznych 4
Przykład użycia farmakofora (giętkie ligandy) wczesny lek antydepresyjny (antagonista r. dopaminowego) neurotransmiter Użycie farmakofora do przeszukiwania baz struktur 3D związków chemicznych Poszukiwanie farmakoforów Active analog approach: kąty torsyjne wspólne dla wszystkich związków są systematycznie zmieniane. Farmakofor identifikuje się porównując tabele odległości Wspólna przestrzeń konformacyjna ligandów Reprezentacja 4-punktowego farmakofora. Związek w odbiciu zwierciadlanym może nie wiązać się celem mol. Farmakofor oparty na agoniście receptora dopaminowego D2 (pierścień nieistotny) Rozbudowany farmakofor dla antagonistów receptora serotoninowego (GPCR) 5
Farmakofory dodatkowe cechy Podział i kodowanie trzech cech farmakofora na ciągi bitów z zakresami odległości 1 Å - do szybkiego przeszukiwania baz danych 4-punktowy model farmakofora z dodatkowymi ograniczeniami: -Kąt między płaszczyznami -Odległość do płaszczyzny -Stożek wiązania wodorowego QSAR - Quantitative Structure-Activity Relationship Równanie Hanscha Log (1/c) = k 1 logp + k 2 +k 3 E s + k 4 P hydrofobowość (współczynnik podziału w układzie oktanol/woda) - efekty elektronowe E s - efekty steryczne 6
QSAR - inne zmienne (deskryptory) STRUKTURALNE: - Masa cząsteczki - Powierzchnia cząsteczki - Liczba wiązań rotowalnych - HBA, HBD -Objętość wspólna - Liczba centrów chiralnych TERMODYNAMICZNE: ELEKTRONOWE: GEOMETRYCZNE TOPOLOGICZNE - c log P - Ciepło tworzenia - Refrakcja molowa - Ładunki cząstkowe na atomach - Polaryzowalności atomowe - Moment dipolowy - Energia cząsteczki - Energia orbitalu HOMO - Energia orbitalu LUMO Zbyt duża liczba zmiennych QSAR Optymalnie: 3-5 związków na jeden parametr w równaniu QSAR 7
Wyznaczanie oddziaływań związków z sondami molekularnymi Sonda elektrostatyczna (ładunek punktowy H + ) tylko siły elektrostatyczne Sonda hydrofobowa (grupa metylowa atom C_sp 3 ) tylko siły van der Waalsa Sondy wieloatomowe -OH, -NH 2, -NH 3+, -COO, -COOH, H 2 O, siły van der Waalsa + siły elektrostatyczne (trzeba uwzględnić obroty sondy w celu znalezienia najlepszego oddziaływania z ligandem) 15 3D-QSAR Tabela QSAR 8
3D-QSAR 17 CoMFA Comparative Molecular Field Analysis Mapa oddziaływań dla sondy H + i CH 3 Korzystne: zielone - steryczne niebieskie - elstat. Niekorzystne: żółte - steryczne czerwone - elstat. 9
Założenia metody CoMFA Taki sam mechanizm działania (ten sam cel molekularny) Wiązanie się do tego samego miejsca aktywnego Wiązanie się w ten sam sposób Podobne efekty entropowe dla wszystkich związków (podobna giętkość związków) Podobne efekty desolwacyjne dla wszystkich związków (podobna wielkość związków i podobny stosunek powierzchni lipofilowej do hydrofilowej) 19 3D QSAR - Pseudoreceptory Używane potencjały: - Hydrofobowy - Jonowy dodatni - Jonowy ujemny - Donor wiązania H - Akceptor wiązania H - Hydrofobowy dodatni - Hydrofobowy ujemny 10
3D QSAR - Minireceptory Czynniki wpływające na skuteczność metod QSAR solwatacja liganda i receptora farmakokinetyka leku: ADMET absorption, distribution, metabolism, excretion, toxicity Reguła 5 Lipinskiego (pasywna absorpcja jelitowa ) związek nie będzie dobrym lekiem gdy: MW > 500 [g/mol lub Da] clog P > 5 (calculated logp) HBA (N, O) > 10 HBD (N-H, O-H) > 5 22 11
QSPR - predykcja własności ADMET SYBYL / Tripos Inc. 23 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 12
Kroki w structure-based drug design Struktura 3D białka Identyfikacja miejsca aktywnego Analiza dopasowania ligand-receptor Dokowanie lub budowa nowych związków Rozdzielczość w krystalografii Rozdzielczość a gęstość elektronowa Przykład złego i dobrego kryształu Białka w krysztale mogą tworzyć kanały wodne 13
Identyfikacja miejsc wiążących i dokowanie ligandów Komplementarność powierzchni awidyny (fiolet) i biotyny (białe) DOCK sztywne/giętkie cząsteczki metoda Monte Carlo - ustawianie metoda MD - wygładzanie Metody optymalizacyjne znajdowania najlepszego dopasowania Genetic Algorithms Tabu Search Monte Carlo Simulated Annealing 14
Przykład rozbudowy ligandów Sposoby łączenia ligandów Optymalizacja struktury leku przy dwu miejscach wiązania Wykorzystanie alternatywnych sposobów wiązania leków z białkiem Przewidywanie siły wiązania ligandów Cykl termodynamiczny dla obliczania wymiany liganda w białku (FEP Free Energy Perturbation) G X + G C = G F + G Y ( G wymiany liganda ) = G X - G Y = G F - G C 15
Programy do dokowania ligandów AUTODOCK znakomity darmowy program Adaptacja enzymu do związanego inhibitora Phenylethanolamine N-methyltransferase (PNMT) katalizuje N-metylację norepinefryny 16
Indukowane dopasowanie wyjaśnia duże różnice w wiązaniu podobnych ligandów Przykłady dopasowań dla leków przeciwnowotworowych Imatinib (Gleevec) Kinaza ABL struktury krystaliczne Widoczna duża zmiana w położeniu pętli niedostępne dla większości programów dokujących (dopasowanie indukcyjne) 17
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. Yasara Awidyna (antywitamina) - składnik jaj ptaków unieczynniana przez gotowanie. Budowanie ligandu de novo z fragmentów Outside in Inside out 18
Metoda budowania na siatce 37 Automatyczna metoda generowania struktur ligandów z fragmentów 38 19
G. Schneider Goethe-University, Frankfurt 39 8 głównych reguł strukturalnego projektowania leków 1. Związać ligand z głównymi punktami zaczepienia (oddziaływania HB i el-stat) 2. Wykorzystać oddziaływania hydrofobowe 3. Wykorzystać wiązania wodorowe do łańcucha głównego w białku i łańcuchów bocznych aa 20
8 głównych reguł projektowania leków 4. Wykorzystać oddziaływania jonowe (z naładowanymi aa) 6. Optymalizować kontakty van der Waalsa i unikać nachodzenia na siebie liganda i białka (bumps) 5. Unikać naprężeń w ligandzie i w białku 8 głównych reguł projektowania leków 7. Wykorzystać strukturalną wodę 8. Uwzględnić efekty entropowe (ligand bardziej sztywny) 21
Projektowanie inhibitora proteazy wirusa HIV-1 Struktura krystaliczna proteazy z ligandem DuPont Merck Projektowanie inhibitora proteazy wirusa HIV-1 Symetryczny diol Farmakofor Wynik poszukiwania w bazach danych Wymiana benzenu na cykloheksanon 22
Projektowanie inhibitora proteazy wirusa HIV-1 Zwiększenie pierścienia Dodatkowe podstawniki Produkt końcowy XK263 Zastosowanie dynamiki molekularnej Proteaza wirusa HIV z ligandem. Indukowane inhibitorem zamykanie klap proteazy 23
Modelowanie molekularne Modelowanie - elementy pola siłowego U bond bond k ( r r i i i 0i ) 2, U angle 2 ( ), angle k i i i 0i tors U k [ 1 cos( n )] U vdw tors i q q U, Coulomb i j i i i i j j i 4 0rij ij 4 ij rij 12 6, ij rij i Oddziaływania wiążące Oddziaływania niewiążące 24
Elementy pola siłowego Dynamika molekularna obliczenia dla jednego kroku dynamiki II zasada ruchu Newtona F(t) i = m i * a(t) i t = 1 fs = 10-15 s a(t) i = F(t) i / m i Czas pojedynczego kroku a(t) i v(t) i r(t+ t) i r(t+ t) i F(t+ t) i 25
Długości symulacji w zależności od rodzajów ruchów Akwaporyna selektywny przepływ wody topologia białka z glicerolem Pełnoatomowa symulacja przepływu cząsteczek wody 26
Symulacje w środowiskach implicite Lazaridis, Proteins 2003 Im & Brooks, PNAS 2005 Mapowanie pola siłowego pełnoatomowego (all-atom) na gruboziarniste (coarse-grain) Gruboziarnista cząsteczka rozpuszczalnika mapowanie 4 to 1 (średnio) Krok czasowy obliczeń = 20-40 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 27
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 Samorzutne tworzenie dwuwarstwy lipidowej Samoorganizacja błony DPPC ze wstawieniem białka OmpA (poryna) Samoorganizacja błony DPPC i utworzenie dimeru glikoforyny Bond & Sansom, JACS 2006 28
Formowanie się domen z różnych rodzajów lipidów skala 5 nm 2 x 2 2 x 2 0.42 : 0.28 : 0.3 0.28 : 0.42 : 0.3 dic 16 -PC / dic 18:2 -PC / cholesterol Risselada et al. (Marrink group), PNAS 2008 Usuwanie lipidów z krwi przez granule HDL symulacja gruboziarnista AY Shih et al. (Schulten group), J. Struct. Biol. 2007 29