SEMINAR IZ MOLEKULSKEGA MODELIRANJA PRI FARMACEVTSKI

KEMIJI III

doc. dr. Andrej Perdih

e-mail: andrej.perdih@ki.si

2. DEL – PREDSTAVITEV PROGRAMOV ZA DELO NA SEMINARJU

1. TEMELJNA: POGLAVJE O OSNOVAH MOLEKULSKEGA MODELIRANJA

2. ZA VSE KI BI ŽELELI ZVEDETI VEČ O PODROČJU

Dostopno v knjižnici FFA

LITERATURA

Seminar pri farmacevtski kemiji 3

1. Naloga: 3D modeli molekul in računanje osnovnih lastnosti 2. Naloga: Torzijski potencial in lastnosti konformacij 3. Naloga: Prileganje dveh molekul s primerljivo biološko aktivnostjo 4. Naloga: Molekulsko sidranje liganda v aktivno mesto encima

CILJ SEMINARJA: PRAKTIČNO SPOZNATI BIOLOŠKO AKTIVNE MOLEKULE KOT TRIDIMENZIONALNE ENTITETE.

OBVEZNOSTI ŠTUDENTA: - PRISOTNOST NA SEMINARJU - IZPOLNJEN SEMINARSKI LIST IN MAPA Z DATOTEKAMI - 50 % SMISELNO “PRAVILNIH” REZULTATOV SEMINARSKIH NALOG

SKUPINA 8 Datum: Seminar iz molekulskega modeliranja pri farmacevtski kemiji III Ime in priimek: ____________________________________________________________________________ 1. Naloga [Izgradnja tridimenzionalnega modela molekule in izračun nekaterih lastnosti] 1.1. Narišite tridimenzionalni model molekule 1 in ga geometrijsko optimizirajte z uporabo polja sil MM2. Nato izračunajte oz. na optimizirani konformaciji določite:

N

N

O

N

NH2

NH2Cl

H2N NH2

#

** * *

Molekula 1

- potencialno energijo dobljene konformacije = ___________________ kcal/mol - prispevek deformacij vezi (»stretch term«) k celotni potencialni energiji =_____kcal/mol - torzijski kot definiran z * pri tej energiji: * =_________ - razdaljo med klorom in dušikom (#) gvanidinske skupine v dobljeni konformaciji =__nm - s programom ChemDraw izračunajte porazdelitveni koeficient (ClogP) = ___________ Optimizirano strukturo molekule 1 v obliki modela kroglic in paličic shranite z imenom: Naloga1.c3xml

1.2. Optimizirano konformacijo molekule 1 prikažite z molekulsko površino, ki je dostopna topilu (solvent-accessible surface area).

Strukturo molekule 1 s prikazano površino dostopno topilu shranite z imenom: Naloga11.c3xml 1.3. Izračunajte delne naboje optimizirane konformacije molekule 1 s semiempirično metodo Extended Hückel dostopno v programu ChemBio3D in izpišite vrednost nabojev za vse težke atome (vsi atomi razen vodika) in komentirajte, kje v molekuli se nahajajo kemijsko reaktivni centri. Vrednosti delnih nabojev težkih atomov: Komentar: Vse izračunane delne naboje shranite v obliki Excelove tabele z imenom Naboji.

1.4. Izvedite 10 ps simulacije molekulske dinamike za molekulo 1. Posamezni korak molekulske dinamike naj bo dolg 1 fs. Oglejte si gibanje molekule med MD simulacijo in opišite vaša opažanja upoštevaje strukturne značilnosti le-te. Število korakov MD simulacije = ______ Opažanja: Energijo struktur generiranih tekom simulacije molekulske dinamike shranite tako, da z desnim klikom miške v področju Output prikličete meni in v njem izberete Export. Kot tip datoteke izberite končnico txt. Ime datoteke naj bo: MDenergija.txt 2. Naloga [Torzijski potencial] Narišite tridimenzionalni model molekule 2 in ga geometrijsko optimizirajte z uporabo polja sil MM2.

HN

N

O

ON

NH2

**

**

HOOC

- potencialna energija dobljene konformacije = ___ kcal/mol Molekula 2 - vrednost torzijskega kota * = _____

Optimizirano strukturo v obliki modela paličic shranite z imenom: Naloga2.c3xml

Nato optimizirano konformacijo molekule 2 togo zavrtite za 360° okoli označenega torzijskega kota * z uporabo funkcije dihedral driver (single energy plot), dostopne v programu ChemBio3D in si oglejte izračunan torzijski potencial. Izmerite razdaljo med poljubnim karboksilnim kisikom in obročnim aminskim dušikom in s premikanjem po torzijskem potencialu določite tisto vrednost torzijskega kota *, pri katerem je razdalja najdaljša ? Kako ugodna je ta lega z energijskega stališča glede na preostale lege ? Vrednost torzijskega kota * =______ Razdalja med atomoma =_________ nm

Strukturo v konformaciji, kjer je razdalja med atomoma najkrajša, shranite z imenom: Naloga21. c3xml 3. Naloga [Tridimenzionalno prileganje dveh sorodnih biološko aktivnih molekul] 3.1. Ločeno narišite tridimenzionalna modela molekul histamina in ciklizina, ki obe delujeta v histaminskem sistemu in ju geometrijsko optimizirajte z uporabo polja sil MM2. Napišite, kakšno je njuno farmakološko/fiziološko delovanje ter določite potencialno energijo dobljenih optimiziranih konformacij. Farmakološko/fiziološko delovanje histamina in ciklizina:

SEMINARSKE NALOGE DOSTOPNE NA SPLETU http://www.ffa.uni-lj.si/si/o-fakulteti/studentske-strani/studijska-gradiva/enovit-magistrski-program-

farmacija/farmacevtska-kemija-3.html

PRIMER SEMINARSKIH NALOG IZ FARMACEVTSKE KEMIJE III

• Predstavitev programa za risanje kemijskih struktur:

ChemDraw • Predstavitev programa za molekulsko modeliranje:

ChemBio3D

• Predstavitev programa za molekulsko sidranje: Arguslab

Prikaz uporabe programov na seminarskih primerih

PREDSTAVITEV PROGRAMOV ZA DELO NA SEMINARJU

1. Naloga: 3D modeli molekul in računanje osnovnih lastnosti 2. Naloga: Torzijski potencial in lastnosti konformacij 3. Naloga: Prileganje dveh molekul s primerljivo biološko aktivnostjo 4. Naloga: Molekulsko sidranje liganda v aktivno mesto encima

TIPI SEMINARSKIH NALOG

1. PROGRAM ChemDraw

Osnovni podatki o spojinah

Računaje NMR spektrov

Risanje struktur in kemijskih reakcij

NH

HO

HO

O

H

Napovedovanje fizikalno-kemijskih lastnosti

2. PROGRAM ChemBio3D

Konformacijska analiza Superpozicija molekul

Molekulske površine Molekulska grafika

Molekulska mehanika Molekulska dinamika

MODELIRANJE NA SEMINARJU ZA NALOGE 1-3 POTEKA PREKO GRAFIČNEGA UMESNIKA PROGRAMA CHEMBIO3D

1. Naloga: 3D modeli molekul in računanje osnovnih lastnosti

O

1. Gradnja molekul in vizualizacija (molekulski model + molekulske površine)

2. Meritev geometrijskih parametrov (razdalj, valenčnih kotov, torzijskih torzijskih kotov)

3. Analiza energijskih vrednosti in izračunanih parametrov (delnih nabojev)

1. Graditev modela

Razdalja med atomoma

Valenčni kot

Torzijski kot

MERJENJE GEOMETRIJSKIH PARAMETROV

MOLEKULSKA POVRŠINA

------------MM2 Minimization------------ Iteration 94: Minimization terminated normally because the gradient norm is less than the minimum gradient norm Stretch: 0.6157 Bend: 2.7125 Stretch-Bend: 0.0758 Torsion: -5.9793 Non-1,4 VDW: -0.5464 1,4 VDW: 9.5831 Dipole/Dipole: -0.0122 Total Energy: 6.4492 kcal/mol Calculation completed ------------------------------------

PODATKI O POTEKU ENERGIJSKE MINIMIZACIJE

Iteracija – število korakov

Uporabljeno polje sil

Uspešna konvergenca minimizacijskega algoritma

Vezni členi

Nevezni členi

IZRAČUN DELNIH NABOJEV (Extended Hücklova metoda)

C(1) C Alkene 0.0322642 C(2) C Alkene -0.0528823 C(3) C Alkene -0.0899788 C(4) C Alkene 0.223412 C(5) C Alkene -0.100174 C(6) C Alkene -0.0496788 C(7) C Alkane -0.0633344 C(8) C Alkane -0.113471 O(9) O Enol -0.212463 C(10) C Alkane 0.078082 H(11) H 0.018823 H(12) H 0.0241386 H(13) H 0.0277448 H(14) H 0.0185676 H(15) H 0.0359503 H(16) H 0.0291861 H(17) H 0.0387203 H(18) H 0.0387605 H(19) H 0.0391078 H(20) H 0.0282298 H(21) H 0.0244404 H(22) H 0.0245555

Najbolj polarizirana kovalentna vez v molekuli

PRIPRAVA SISTEMA ZA SIMULACIJO MOLEKULSKE DINAMIKE

-----------MM2 Dynamics------------ Iteration Time Total Energy Potential Energy Temperature ---------------------------------------------------------------------- 5410 5.410 48.527 ± 0.041 29.026 ± 1.700 272.60 ± 23.44 5420 5.420 48.729 ± 0.073 28.668 ± 1.204 280.42 ± 16.99 5430 5.430 48.898 ± 0.023 25.787 ± 1.988 323.05 ± 27.68 5440 5.440 48.913 ± 0.016 28.792 ± 1.586 281.26 ± 22.22 5450 5.450 48.947 ± 0.015 26.942 ± 1.558 307.60 ± 21.82 5460 5.460 48.961 ± 0.025 29.303 ± 1.014 274.78 ± 14.07 5470 5.470 49.097 ± 0.056 28.472 ± 0.912 288.31 ± 12.31 5480 5.480 49.281 ± 0.056 31.679 ± 2.030 246.05 ± 28.91 5490 5.490 49.567 ± 0.081 29.049 ± 1.564 286.81 ± 21.25 5500 5.500 49.734 ± 0.035 26.270 ± 3.380 327.99 ± 47.19

Časovni korak

Interval shranjevanja

podatkov

Število korakov = Simulacijski čas

Rezultati

2. Naloga: Torzijski potencial in lastnosti konformacij

C

C C

O

OS ROTACIJE

d1 OH

d2 d3

1. Preiskovanje razdalj med

atomi pri različnih

torzijskih kotih

Primer: ISKANJE

NAJKRAJŠE IN NADLJŠE

RAZDALJE

ROTACIJO OKROG TORZIJE IZVEDEMO S FUNKCIJO DIHEADRAL DRIVER

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

0 60 120 180 240 300 360

NH

N

NN

Torzijski kot

Energija (kcal/mol) OS ROTACIJE

Območje proste rotacije 1 Območje proste rotacije 2

Območji, kjer rotacija zaradi steričnih ovir

ni možna

OMEJENA ROTACIJA

N

dRSMD

N

jiji

pred

∑== 1,

2,

d2 d1

0=∂

∂

idRSMD

N

dRSMD

N

jiji

prileg

∑== 1,

2,

.

RMSD vrednost je odvisna od

relativnega položaja obeh molekul

Iskanje optimalnega RMSD

Prileganje

PRILEGANJE MOLEKULE NA DRUGO KOT TOGO TELO

3. Naloga: PRIMERJAVA KONFORMACIJI DVEH MOLEKUL

Histamin Nevrotransmiter

Difenhidramin Antagonist na

Histaminskih H1 receptorjih

PRIMER NALOGE

PRILEGANJE IZVEDEMO S FUNKCIJO

OVERLAY

d1 d2

RMSD= 5.5 Å

RMSD= 0.1 Å

DODATNI LIPOFILNI PODROČJI

MODELIRANJE NA SEMINARJU ZA NALOGO 4 POTEKA PREKO GRAFIČNEGA UMESNIKA PROGRAMA ARGUSLAB

Prosto dostopen na spletu: www.arguslab.com Brezplačni program za kvantnokemijsko računanje in molekulsko sidranje

VALIDACIJA PROGRAMA ZA MOLEKULSKO SIDRANJE

Eksperimentalna konformacija

Izračunana konformacija

VALIDACIJA SIDRANJA: Sposobnost reprodukcije vezavne konformacije liganda v makromolekuli določene eksperimentalno npr. z rentgensko difrakcijo (RMSD < 2.5Å med eskperimentalno in izračunano konformacijo).

Molecular docking tutorial

Sulfonamide-type D-Glu inhibitor docked into the MurD active site using ArgusLab

In this tutorial [1] you will learn how to prepare and run a molecular docking calculations. You will first extract an experimentally determined binding conformation of a D-Glu sulfonamide inhibitor of the bacterial enzyme MurD and subsequently dock it into its binding site. Finally, we will compare the docked structure with the x-ray structure to see how well they match. This type of calculations is often used when validating docking programs before performing large-scale virtual screening. Before you can dock a molecule, you first need to define the atoms that make up the Ligand (drug, inhibitor, etc.) and the Binding Site on the protein where the drug binds. The protein 2JFF.pdb crystal structure used in this exercise can be freely accessed and downloaded from the Brookhaven Protein Databank. This structure represents an important result of a collaborative antibacterial research project where several Slovenian researchers were involved.[2]

1. Download and open the PDB structure 2JFF.

Open the web browser and type in the Brookhaven Protein Databank (www.pdb.org) web address and in the search field type 2JFF. Download the structure as a .pdb file preferably to Desktop. Open the 2JFF.pdb located in the folder you designated during download in ArgusLab. This is a PDB file so make sure you select the correct file type in the file open dialog (pdb type).

Make sure the Molecule Tree View tool is visible. Either select Tools/Molecule Tree View

menu option or click the button on the toolbar to toggle the Tree View.

Expand the tree view of 2JFF and open up the Residues/Misc folder to show the sulfonamide inhibitor (LK2). You should see something like this:

2. Create "Ligand and Binding Site groups".

Left-click on "1440 LK2" in the Tree View to select the sulfonamide inhibitor. It should appear yellow.

Select the Edit/Hide Unselected menu option to hide all atoms that are not selected. The only atoms showing on the screen should be the D-Glu sulfonamide inhibitor.

Center the sulfonamide inhibitor in the window by selecting the View/Center Molecule In

Window menu or pressing the button on the toolbar.

While the inhibitor is selected, add hydrogens by and pressing the button on the toolbar. You should see something like this:

Right-click on "1440 LK2" in the Tree View and select the "Make a Ligand Group from this Residue" option. ArgusLab will construct a group underneath the Groups folder with the same name "1 LK2" that is of type = Ligand.

Left-click on either the "1440 LK2" residue in the Residues/Misc folder. This action will again select the atoms of the Ligand on the screen.

Copy and Paste the selected residue. Look in the Residues/Misc folder in the Tree View tool and you will see a new highlighted residue with a name like "2480 LK2". (different number is also possible).

NALOGA IZ MOLEKULSKEGA SIDRANJA – UPORABA NAVODIL

4. NALOGA: VALIDACIJA PROGRAMA ZA MOLEKULSKO SIDRANJE

N

dRSMD

N

jiji∑

== 1,

2,

Le med pari atomov, ki jih primerjamo!

Kvantitativno ovrednotenje