OPVK CZ.1.07/2.2.00/28.0184

Podobné dokumenty
KFC/STBI Strukturní bioinformatika

Nekovalentní interakce

Nekovalentní interakce

Mezimolekulové interakce

Skupenské stavy. Kapalina Částečně neuspořádané Volný pohyb částic nebo skupin částic Částice blíže u sebe

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Molekulární krystal vazebné poměry. Bohumil Kratochvíl

Bioinformatika a výpočetní biologie KFC/BIN. I. Přehled

Význam interakční konstanty, Karplusova rovnice. konfigurace na dvojné vazbě a na šestičlenných kruzích konformace furanosového kruhu TOCSY

Dynamické procesy & Pokročilé aplikace NMR. chemická výměna, translační difuze, gradientní pulsy, potlačení rozpouštědla, NMR proteinů

Počítačová chemie: Laboratoř za monitorem

MASARYKOVA UNIVERZITA

Studium enzymatické reakce metodami výpočetní chemie

Počítačová chemie. výpočetně náročné simulace chemických a biomolekulárních systémů. Zora Střelcová

Využití strojového učení k identifikaci protein-ligand aktivních míst

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Využití metod strojového učení v bioinformatice David Hoksza

Úvod do molekulové dynamiky simulace proteinů. Eva Fadrná

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. V. Teoretická chemie

02 Nevazebné interakce

Typy molekul, látek a jejich vazeb v organismech

Configuration vs. Conformation. Configuration: Covalent bonds must be broken. Two kinds of isomers to consider

Fyzika biopolymerů. Struktura a vlastnosti vody, vodíková vazba

Chemie a fyzika pevných látek p3

Genomické databáze. Shlukování proteinových sekvencí. Ivana Rudolfová. školitel: doc. Ing. Jaroslav Zendulka, CSc.

Opakování

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Výpočet stechiometrického a sumárního vzorce

Spektra 1 H NMR. Velmi zjednodušeně! Bohumil Dolenský

Strukturní data-báze. CSD - Cambridge PDB - Proteinová NDB Nukleové kyseliny Ostatní (kovová, anorganická, prášková) Sekundární (PDBsum, RNAbase)

Metody pro studium pevných látek

Spektrální metody NMR I

Alkany a cykloalkany

Valenční elektrony a chemická vazba

VÝPOČETNÍ CHEMIE V ANALÝZE STRUKTURY

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Národní centrum pro výzkum biomolekul & MetaCentrum

Vazby v pevných látkách

Význam interakční konstanty, Karplusova rovnice

Zpracování informací a vizualizace v chemii (C2150) 1. Úvod, databáze molekul

Stereochemie 7. Přednáška 7

Uhlovodíky modelování pomocí soupravy základní struktury


Struktury a vazebné energie iontových klastrů helia

Využití NMR spektroskopie pro studium biomakromolekul RCSB PDB

P ro te i n o vé d a ta b á ze

RACIONÁLNÍ NÁVRH LÉČIV S VYUŽITÍM FARMAKOFOROVÉHO MODELOVÁNÍ

3. Konformační analýza alkanů a cykloalkanů

PLOCHA POTENCIÁLNÍ ENERGIE

Kombinator(iál)ní chemie jako prostředek vývoje léčiv

Vazebné interakce protein s DNA

Mezimolekulové interakce

Heteronukleární korelační experimenty

jádro a elektronový obal jádro nukleony obal elektrony, pro chemii významné valenční elektrony

Autoři: Pavel Zachař, David Sýkora Ukázky spekter k procvičování na semináři: Tento soubor je pouze prvním ilustrativním seznámením se základními prin

Experimentální data pro určení struktury proteinu

ANODA KATODA elektrolyt:

Toxikologie PřF UK, ZS 2016/ Toxikodynamika I.

Od kvantové mechaniky k chemii

LEKCE 2b. NMR a chiralita, posunová činidla. Interpretace 13 C NMR spekter

LABORATOŘ OBORU I ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE (111) Použití GC-MS spektrometrie

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

(molekulární) biologie buňky

MOLEKULOVÉ MODELOVÁNÍ - STRUKTURA. Monika Pěntáková Katedra Farmaceutické chemie

Teorie hybridizace. Vysvětluje vznik energeticky rovnocenných kovalentních vazeb a umožňuje předpovědět prostorový tvar molekul.

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

Využití hybridní metody vícekriteriálního rozhodování za nejistoty. Michal Koláček, Markéta Matulová

Chemická vazba. Molekula vodíku. Elektronová teorie. Oktetové pravidlo (Kossel, Lewis, 1916) Pevnost vazby vazebná energie.

VIRTUÁLNÍ SCREENING. DANIEL SVOZIL a,b. Obsah. 1. Úvod

Organická chemie 3.ročník studijního oboru - kosmetické služby.

Třídění látek. Chemie 1.KŠPA

Přílohy. NÁZEV: Molekulární modely ve výuce organické chemie na gymnáziu. AUTOR: Milan Marek. KATEDRA: Katedra chemie a didaktiky chemie

Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH. I. Základní pojmy FCH a kinetická teorie plynů

Datové struktury 2: Rozptylovací tabulky

stechiometrický vzorec, platné číslice 1 / 10

Chemická vazba. John Dalton Amadeo Avogadro

Organická chemie 3.ročník studijního oboru - kosmetické služby.

Fragment based drug design

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Bioinformatika pro PrfUK 2003

Využití synchrotronového záření pro diagnostiku a vývoj nových léčiv

Evoluční algoritmy. Podmínka zastavení počet iterací kvalita nejlepšího jedince v populaci změna kvality nejlepšího jedince mezi iteracemi

Monte Carlo, genetické algoritmy, neuronové sítě

Computing structural chemistry and biology

molekul organických sloučenin

E K O G Y M N Á Z I U M B R N O o.p.s. přidružená škola UNESCO

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

NMR biomakromolekul RCSB PDB. Progr. NMR

Jak se matematika poučila v biologii

12. Predikce polymorfů. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

spinový rotační moment (moment hybnosti) kvantové číslo jaderného spinu I pro NMR - jádra s I 0

Energie, její formy a měření

Monitorování léků. RNDr. Bohuslava Trnková, ÚKBLD 1. LF UK. ls 1

Chemická vazba. Důvody pro vazbu = menší energie atomů ve vázaném stavu než energie jednotlivých oddělených atomů

Stereochemie. Jan Hlaváč

Typy vzorců v organické chemii

Supramolecular chemistry... Intermolecular interactions. Supramolecular chemistry is about design. Therefore people are important!

Transkript:

OPVK CZ.1.07/2.2.00/28.0184

Drug-design - racionální návrh léčiv KFC/DD 05 dokování RNDr. Karel Berka, Ph.D. ZS 2012/2013

Motto a my dnes ten klíč budeme hledat

Osnova Structure-based drug design (SBDD) Dokování a de novo design proč? hledání molekul, které se váží do aktivních míst čeho? jak? knihovny léčiv generování konformací ligandů skórovací funkce a hlavně rychle!

Racionální návrh léčiv možnosti Ligand based DD Hledání podobných ligandů QSAR Farmakofor Structure based DD Dokování Virtual screening De novo design

Co je dokování? V dokování se snažíme najít co nejlepší fit mezi dvěma molekulami Bill Watterson: Calvin a Hobbes

Protein-ligand docking Výpočetní metoda, která mimikuje vazbu ligandu na protein Predikuje pózu molekuly ve vazebném místě =geometrie Vazebnou afinitu (skóre) reprezentující sílu vazby =energie Image credit: Charaka Goonatilake, Glen Group, University of Cambridge. http://www- ucc.ch.cam.ac.uk/research/cg369- research.html

Protein-ligand docking II Dokování má 2 hlavní kroky: 1. Algoritmus hledání Vytvoří se velké množství póz ve vazebném místě 2. Skórovací funkce Vypočítá skóre, nebo vazebnou afinitu pro partikulární pózu Problémy - komplexita problému Translace a rotace ligandu k pokrytí pokud možno celého prostoru, konformace ligandu a flexibilita proteinu, role solventu, čas

Problém dokování I: Flexibilita První krok prohledání možných rotačních a translačních možností ligandu Flexibilita ligandu tvorba ensemble všech možných konformací ligandu vkládání do proteinu protein jako rigidní 9

Konformace ligandu Konformace rotace kolem torzních úhlů rotovatelných molekul Pro molekulu s N rotovatelnými vazbami, kdy je každý torzní úhel s rotacemi o θ stupňů (typicky 5 ) Počet konformací je pak (360º/ θ) N Question If the torsion angles are incremented in steps of 30º, how many conformations does a molecule with 5 rotatable bonds have, compared to one with 4 rotatable bonds? Having too many rotatable bonds results in combinatorial explosion Also ring conformations Taxol Image: IUPAC Gold Book Lakdawala et al. BMC Chemical Biology 2001 1:2

Algoritmy hledání Monte Carlo Náhodný výběr hledání globálního minima Genetické algoritmy Učení se z předchozích generací Simulované žíhání Ohřev - překonání bariér Chlazení hledání minim Postupný růst Výstavba ze základního skeletu 11

Příprava na docking identifikace relevantní struktury proteinu příprava struktury proteinu příprava ligandu rozhodnout co s dalšími jevy voda flexibilita receptoru H. Jhoti & A.R. Leach (eds) Springer 2007, chapter 8 Structure based drug discovery 12

Kam? identifikace vazebného místa Dobrá struktura nízké rozlišení (přesnost) nízké B-faktory (flexibilita) nízké R-free (pravdivost) Flexibilita dokování do více struktur vybrat nejlepší dokování do struktury s největším vazebným místem použít flexible docking Příprava receptoru 13

Konformace proteinu Většina dokovacích programů bere protein jako rigidní Rigid Receptor Approximation Ale Protein se může lehce deformovat, aby přijal různé ligandy (ligand-induced fit) Aminokyseliny v aktivním místě mohou přijmout různé konformace Flexible Receptor docking: Vedlejší řetězce aminokyselin mohou rotovat kolem necyklických vazeb Zvětšuje to prohledávaný prostor! Větší pohyby proteinu mohou být brány v potaz jen samostatným dokováním do několika konformací proteinů Image: Cláudio M. Soares, Protein Modelling Laboratory, http://www.itqb.unl.pt/labs/proteinmodelling/activities/psccip-pf

Příprava receptoru protonace residuí His (pka ~ 6.04) záleží na okolí (HIV proteáza) tautomerizace rotamery výběr změní výsledky! 15

Příprava ligandu Náboj a tautomerizace Vytvořit všechny a pak je dokovat? jak pak vybrat nejvyšší skore každý stav bude mít jinou relativní energii. Ask an expert! (organičtí chemici) flexibilita rotace kolem C-C vazeb, ale ne kolem C=C úhly jsou fixovány (což může být problém) 16

Skórovací funkce 1. Ohodnocení jednotlivých póz v průběhu dockingu objective function 2. Identifikace nejnižší volné energie 3. Seřadí vazebné volné energie mezi různými ligandy Pro všechny kroky nemusí být vždy použita stejná funkce 17

Energetika vaznosti Vazebná konstanta K d = [P...L] / [P][L] odpovídá volné energii: ΔG bind = -RT ln K d = -RT ln 1/IC 50 Volná energie je kombinace enthalpie a entropie ΔG bind = ΔH bind - TΔS bind 18

Molekulární interakce - chemie Enthalpie: Elektrostatika (dielektrická konstanta) Vodíkové vazby van der Waals (disperze a repulze) Desolvatace Entropie Konformace Solvatace (hydrofobní efekt) 19

Scoring function Funkce, která ohodnotí vazebnou afinitu Funkce by měla lépe oskórovat správnou pózu, a lépe se vázající ligand Parametrizovány proti známým vazebným volným energiím a známým správným pózám. Většinou jsou nepříliš spolehlivé, ale rychlé 20

Typy scoring function Force-field parametrizovány dle molekulárně mechanických silových polí Goldscore, DOCK, Autodock empirical parametrizovány proti experimentálním vazebným afinitám(k d,ic 50 ) různé členy (H-vazby, hydrofobní kontakty) nutné trénování, rychlé ChemScore, PLP, Glide SP/XP knowledge based vycházejí ze znalostí komplexů protein-ligand Boltzmannova hypotéza co se často vyskytuje, to má silnou vazebnou volnou energii PMF, DrugScore, ASP 21

Force-field scoring functions Silové pole pro docking E = E bond + E angle + E dih + E coulomb + E vdw + E solv časté použití gridu šetří čas vyhledání v tabulce je jednodušší, než znovu počítat interakční energie receptor je často jeden a dokovaných látek je mnoho 22

Empirical scoring function Rozložení vazebné energie do chemicky odpovídajících členů Zachycuje specifické interakce H vazby, π-π stacking Linearizace členů je oblíbená DG bind = DG solvent + DG conf + DG rot + DG t + DG r + DG vib 23

Böhm s empirical scoring function lineární suma jednotlivých příspěvků k vazbě Bohm s scoring function vodíková vazba, interakce iontů, lipofilické interakce a konformační člen Vodíková vazba a interakce iontů závislé na geometrii interakce velké odchylky jsou penalizovány (ideal distance R, ideal angle α) being penalised. Lipofilní člen proporční k ploše dotyku povrchů mezi proteinem a ligandem (A lipo ) Konformační entropický člen penalizace za zmražení interních rotací ligandu - entropie proporční k množství rotovatelných vazeb ligandu (NROT) G hodnoty přiřazené jednotlivým členům jsou konstanty získané lineární regresí na experimentálních vazebných datech pro 45 protein ligand complexů Bohm, J. Comput.-Aided Mol. Des., 1994, 8, 243

Chemscore 25

Chemscore 26

Chemscore úspěšnost Korelační koefficient r r 2 <-1, 0, 1> 27

Problémy empirických skórovacích funkcí Záleží na testovacím setu chybějící interakční členy metal-ion Parametrizovány na úspěch Většinou se při parametrizaci používají jen molekuly, které se váží => takže pak se váže skoro všechno 28

Knowledge-based funkce Korelace strukturních dat z komplexů s volnou energií vazby A = -kt ln g(r) Platí pro soubor částic v plynu NE! nutně pak pro proteiny 29

Drugscore 30

Programy DOCK (I. D. Kuntz, UCSF) AUTODOCK (Arthur Olson, The Scripps Research Institute) Vina (Arthur Olson, The Scripps Research Institute) RosettaDOCK (Baker, Washington Univ., Gray, Johns Hopkins Univ.) ArgusLabs GOLD FlexX Hex Glide (Schrodinger) 31

de novo dokování 1) Určení povrchu (SASA - Connelly) valením kuličky o velikosti molekuly vody po povrchu 2) Tvorba "negativního" obrazu receptoru z kuliček na povrchu z kroku 1 3) Určení vzdáleností mezi jednotlivými kuličkami 4) Konverze vzdáleností mezi kuličkami možné vazebné vzdálenosti mezi atomy 5) Srovnání nalezených vzdáleností mezi atomy se vzdálenostmi z databáze molekul 6) Výběr ligandů, které mají největší překryv 7) Spočítání ligand-receptor interakčních energií pomocí skórovací funkce

Dostavování (Groupbuild) Stavění nových sloučenin komplementárních k cílovému vazebnému místu náhodnými kombinacemi jednotlivých fragmentů Příklady fragmentů: kyselina mravenčí, formaldehyd, formamid, amin, benzen, cyklohexan, cyklopentan, ethan, ethylen, voda, methanol, methan, sulfan, thiofen Procedura: 1) Tvorba gridu pro vazební místo 2) Generování struktury 1) Dokování základního "core" fragmentu 2) Dostavování (rozšiřování jádra o jednotlivé fragmenty) 3) Náhodně vybrat několik nejlepších struktur 4) Iterovat přes kroky 2 a 3 (i.e. pokračovat ve stavbě) dokud nejsou splněna finální kritéria (počet kroků, minimální energie, energie na atom, apod.) 3) Výběr struktur pro syntézu a analýzu FlexX, AutoGrow

Groupbuild procedura N CH 3 init ial core fragment fragment t o be added C O C O C O N N CH 2 C O N C O N C O N CH 2 CH 2

Analýza nalezených struktur A) Visuální zkoumání vzniklých struktur, zda se dají uvařit B) Identifikace specifických pozic některých skupni, které by mohly odpovídat známému farmakoforu C) Prohledání databáze pro podobné molekuly

Ukázka dostavby pro hypotetický receptor O H H N G receptor G solution -8-10 O H O O H N -30-80 O H H 3 C O O H N -30-20 G = G eq,2 G eq,1 = G receptor - G solution

Kontrola kvality Redocking zpátky do krystalu RMSD < 2A flexible ligand docking ~70% nutno otestovat, který docking program dává pózu dobře test sety validace programů GOLD test set, Astex set decoys ZINC, DUD (podobné fyz.chemické vlastnosti, odlišné struktury) VS: obohacení Enrichment factor (BED)ROC křivky ΔG eff a/n EF = ----- A/N - top (např. top10) a aktivní n - celkem - total ΔG eff = ΔG eff /N nonhatoms 37

Kvalita virtuálního screeningu 38

Metody na řazení ROC receiver operating characteristic curve AUAC area under the accumulation curve average rank of actives EF enrichment factor RIE robust initial enhancement BEDROC Boltzmann-enhanced discrimination of receiver operating characteristic Figure 9 Different accumulation curves from sampling (n = 50, N = 25000) shown together with the corresponding ROC and BEDROC values where α = 20.0. An exact CDF with λ = 20 is also shown to highlight the fact that the BEDROC metric returns a value of 1/2 for a curve close to this CDF. Published in: Jean-François Truchon; Christopher I. Bayly; J. Chem. Inf. Model. 2007, 47, 488-508. DOI: 10.1021/ci600426e Copyright 2007 American Chemical Society

Příklady použití 40

Příklady použití 41

Příště: Cvičení QSAR, dokování