Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

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)
Dynamika kompleksu receptor-ligand
Struktura
receptora
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)
KD  10-14 mol/dm3 (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.
6.
7.
8.
Konformacja bioaktywna zbliżona do konformacji o najniższej energii
(mała energia naprężeń)
Zoptymalizować kontakty van der Waalsa: dopasować
kształty liganda i receptora, unikać nakładania
powierzchni molekularnych (bumps).
Usuwać strukturalną wodę
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, KD = 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
KD = 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-CH3 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