SEMINAR IZ MOLEKULSKEGA MODELIRANJA PRI · PDF filekvantna mehanika . empiriČni opis....
Transcript of SEMINAR IZ MOLEKULSKEGA MODELIRANJA PRI · PDF filekvantna mehanika . empiriČni opis....
SEMINAR IZ MOLEKULSKEGA MODELIRANJA PRI FARMACEVTSKI
KEMIJI III
doc. Andrej Perdih
e-mail: [email protected]
1. DEL – TEORETIČNE OSNOVE MOLEKULSKEGA MODELIRANJA
1. DEL: TEORETIČNE OSNOVE MOLEKULSKEGA MODELIRANJA 1.RAČUNALNIŠKA (RAČUNSKA) KEMIJA MOLEKULSKO (MOLEKULARNO) MODELIRANJE
2. MOLEKULSKA GRAFIKA 2.1. MODELI ORGANSKIH MOLEKUL 2.2.VIZUALIZACIJA PROTEINSKIH STRUKTUR 2.3. PRIMERJAVA TRODIMENZIONALNIH STRUKTUR MOLEKUL
3. OPIS ENERGIJE ATOMOV IN MOLEKUL 3.1. MOLEKULSKA MEHANIKA 3.2. KVANTNA MEHANIKA 4. PREISKOVANJE POVRŠINE POTENCIALNE PLOSKVE MOLEKUL 4.1. GEOMETRIJSKA OPTIMIZACIJA 4.2. MOLEKULSKA DINAMIKA 4.3. KONFORMACIJSKA ANALIZA 5 .UVOD V METODE VIRTUALNEGA REŠETANJA 5.1. VIRTUALNO REŠETANJE NA OSNOVI STRUKTURE TARČE 5.2.VIRTUALNO REŠETANJE NA OSNOVI STRUKTURE LIGANDA
1. RAČUNALNIŠKA (RAČUNSKA) KEMIJA MOLEKULSKO (MOLEKULARNO) MODELIRANJE
Molekulsko (molekularno) modeliranje je krovni pojem za uporabo teoretičnih pristopov, ki omogočajo posnemanje obnašanja atomov in molekul s pomočjo računalnika (in silico).
1. Uporaba fizikalnih teorij in/ali empirično ugotovljenih povezav prevedenih v matematični jezik 2. Uporabna tako v naravoslovnih (npr. fizika, matematika) kot v tehničnih znanostih (npr. strojništvo, elektrotehnika, gradbeništvo) 3. Pričetek eksperimentalnega/projektnega dela, ko se sistemi in procesi dobro preučijo (modelirajo/simulirajo) z računalniškimi tehnikami Primeri modeliranja iz drugih področji: gradnja hidroelektrarne, načrtovanje avtomobila, preučevanje gibanja tokov v oceanih, gibanja delcev v polprevodnikih itd. 4. Dostopni eksperimentalni podatki usmerjajo potek postavljanja modela pomembna zanesljivost eksperimenta in kritično ovrednotenje 5. Uporaba modeliranja za razumevanje sveta na atomskem nivoju je manj eksaktno
NEKATERE ZNAČILNOSTI MODELIRANJA
RAČUNALNIŠKA KEMIJA IN NOBELOVE NAGRADE
Ηψ = Εψ
F = mA
exp(- ∆ E/kT) Kvantna kemija
Molekulska dinamika
Monte Carlo simulacije
Simulacije na mezo skali
Velikost obravnavanih sistemov
10-10 m 10-8 m 10-6 m 10-4 m
10-12 S
10-8 S
10-6 S
NIVOJI MOLEKULSKEGA MODELIRANJA
Molekulske (“atomistične”) simulacije
RAZUMEVANJE MAKROMOLEKULSKE
TARČE NA ATOMSKEM NIVOJU
VIRTUALNO REŠETANJE
RAZUMEVANJE MEDMOLEKULSKEGA
PREPOZNAVANJA
VPETOST MOLEKULSKEGA MODELIRANJA V PROCES NAČRTOVANJA ZDRAVILNIH UČINKOVIN
• Virtualno rešetanje knjižnic molekul: iskanje novih biološko aktivnih molekul – pomembna podpora načrtovanju novih ZU (tako pri identifikaciji zadetkov kot optimizaciji spojin vodnic )
• Študij odnosa med biološko aktivnostjo/toksičnostjo in strukturo
(QS(P)AR)
• Računanje in predvidevanje fizikalno-kemijskih, toksikoloških in metabolnih lastnosti molekul
• Preučevanje konformacijskega prostora majhnih molekul/
biomakromolekul
• Modeliranje reakcijskih mehanizmov (razumevanje delovanja encimov in vpogled v mehanizme organske sinteze)
• Računanje energetike vezave inhibitorjev in študij medmolekulskega
prepoznavanja
UPORABA MOLEKULSKEGA MODELIRANJA V FARMACEVTSKI KEMIJI
2. MOLEKULSKA GRAFIKA
Molekulska grafika je področje molekulskega modeliranja, ki se ukvarja z grafično predstavitvijo molekulskih modelov.
Omogoča prikaz (vizualizacijo) modelov atomov in molekul, uporabljamo pa
jo tudi za predstavitev rezultatov računanja. Večina grafičnih programov uporablja standardno označevanje atomov.
Atom Barva vodik bela ogljik črna/siva kisik rdeča dušik modra žveplo rumena fosfor oranžna fluor zelena klor zelena
brom rjava jod vijolična
TEKSTOVNI ZAPIS MOLEKULE
Podatke o molekulah zapišemo v različnih standardnih formatih, ki jih programi za vizualizacijo lahko prepoznajo in prikažejo.
Primeri standardnih formatov: 1. pdb format 2. cdx (ChemDraw eXchange file), 3. mol (MDL molfile), 4. mol2 (SYBYL format), 5. sdf (structure data file)
GRAJENJE MODELA MOLEKULE S POMOČJO GRAFIČNEGA VMESNIKA
• gradnike s standardnimi geometrijami (znane medatomske razdalje, valenčni koti in tipi hibridizacije) povezujemo med seboj • moramo definirati vse parametre strukture (povezanost atomov, stereokemijo)
O
VIZUALIZACIJA Z MOLEKULSKIMI POVRŠINAMI
Molekula predstavljena z Van der Waalsovimi kroglami (sferami)
Unija vseh atomskih sfer =
Volumen molekule
Če zakotalimo kroglico, ki ima radij topila čez Van der Waalsove sfere, očrtamo molekulsko površino, ki je na voljo za interakcijo z topilom =
Solvent accessible surface area
(SASA).
Molekulske površine (primer: adrenalin)
Površina dostopna topilu Conollyjeva površina
STRUKTURE IZ EKSPERIMENTALNIH PODATKOV: 1. ZBIRKA STRUKTUR MOLEKUL CAMBRIDGE STRUCTUAL DATABASE
Cambridge Structural Database (CSD) omogoča dostop do strukturnih podatkov o majhnih molekulah. Spletni naslov: http://www.ccdc.cam.ac.uk Molekulski format: CIF
2. KNJIŽNICA: PROTEINSKA BAZA STRUKTUR PDB
Eksperimentalni podatki o strukturah bioloških makromolekul (proteini, DNA, virusi, kompleksi proteinov in proteinov in ligandov) so dostopni v javni bazi proteinskih struktur Protein Data Bank (PDB). Spletni naslov: http://www.pdb.org/ Format zapisa molekul: PDB
VIZUALIZACIJA BIOMAKROMOLEKUL (1)
• Vizualizacija vseh atomov strukture bioloških makromolekul (predvsem proteinov) ni pregledna in informativna. • Bolje je shematsko predstaviti ključne elemente strukture:
a) Prikažemo potek glavne proteinske verige (backbone) b) dodatno poudarimo elemente sekundarne strukture (alfa vijačnice, beta strukture) c) Narišemo površino molekule
alfa vijačnica
beta struktura zavoj
1. Del makromolekule (aktivno mesto) predstavimo s površino dostopno topilu, ki jo pobarvamo po hidrofobnosti spodaj ležečih aminokislin.
2. Lahko prikažemo tudi interakcije liganda
le s specifičnimi aminokislinami.
Namen: - podrobno spoznamo ključne lastnosti biološke makromolekule - preučimo interakcije, ki so odgovorne za medmolekulsko prepoznavanje ligandov
NATANČNEJŠA VIZUALIZACIJA BIOMAKROMOLEKUL (2)
PRILEGANJE KONFORMACIJ MOLEKUL
Konformacija molekule je definirana s prostorsko razporeditvijo atomov, ki sestavljajo molekulo. Lahko primerjamo med seboj različne konformacije molekul (tudi makromolekul) ali pa konformacije delov dveh različnih molekul, ki imajo podobno ali enako funkcijo.
Kvantitativno oceno ujemanja največkrat uporabimo parameter RMSD (root-mean square distance).
N
dRSMD
N
jiji∑
== 1,
2,
222, )()()( jijijiji zzyyxxd −+−+−=
di,j razdalja med atomoma i in j, ki sta: 1. identična (pri primerjavi konformacij iste molekule) 2. primerljivi funkciji v dveh različnih molekulah
PRIMER PRILEGANJA MOLEKUL
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
2. Primerjava vezavnih mest sorodnih encimov
1. Primerjava konformacij različnih molekul
0
1
2
3
4
5
6
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Simulation time [ps]
RMS [Å]
0
1
2
3
4
5
6
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Simulation time [ps]
RMS [Å]
3. Primerjava poteka RMSD vrednosti inhibitorja med MD simulacijo
UPORABA RSMD PARAMETRA
3. TEORETIČNI MODELI ZA OPIS OBNAŠANJA ATOMOV IN MOLEKUL
MOLEKULSKA MEHANIKA
KVANTNA MEHANIKA
EMPIRIČNI OPIS ATOMSKEGA SVETA
FIZIKALNO OSNOVAN OPIS ATOMSKEGA SVETA
1. OPIS ATOMSKE STRUKTURE: MOLEKULSKA MEHANIKA (MM)
Molekulska mehanika je aplikacija klasične Newtonove mehanike za modeliranje geometrije in dinamike atomov in molekul
KAJ VSE VPLIVA NA ENERGIJO MOLEKULE?
∑ −=vezi
iiveziN llkrV 2
0, )(2
)(
ENERGIJSKI ČLEN 1: DEFORMACIJA KOVALENTNE VEZI
Deformacijo kovalentne vezi med dvema atomoma opišemo z obnašanjem prožne vzmeti, za katero velja Hookov zakon. Energija je sorazmerna kvadratu odmika od ravnotežne razdalje med atomoma.
Primeri vrednosti parametrov: karbonilni kisik - karbonilni ogljik kvezi= 570.0 kcal/molÅ2 li,0= 1.229 Å karbonilni ogljik - alfa ogljik kvezi= 317.0 kcal/molÅ2 li,0= 1.522 Å alfa ogljik - amidni dušik kvezi= 337.0 kcal/molÅ2 li,0= 1.449 Å
li predstavljata vezno razdaljo li,0 pa idealno ravnotežno razdaljo
ENERGIJSKI ČLEN 2: DEFORMACIJA VALENČNEGA KOTA
Deformacijo valenčnega kota opišemo z obnašanjem prožne vzmeti, za katero velja Hookov zakon. Energija je sorazmerna kvadratu odmika deformacije valenčnega kota.
Primeri vrednosti (aminokislinsko ogrodje)
karbonilni kisik - karbonilni ogljik - alfa ogljik kkota= 80.0 kcal/mol, θi,o =120.40° karbonilni ogljik - alfa ogljik - amidni dušik kkota = 63.0 kcal/mol, θi,o = 110.10 °
∑ −=koti
iikotaN krV 2
0, )(2
)( θθ
θi predstavljata valenčni kot θi,o pa ravnotežni vezni kot.
∑ −+=torzije
torzijeN nk
rV ))cos(1(2
)( 0ϕϕ
ENERGIJSKI ČLEN 3: TORZIJSKI POTENCIAL
Torzijski potencial prikazuje odvisnost energije od vrednosti torzijskega kota.
ktorzije predstavlja torzijsko bariero, n pa periodičnost, ki pove, kolikokrat se posamezen minimum oz. maksimum ponovi med rotacijo za 360° φo je referenčni torzijski kot
Torzijski potencial = vsota več enostavnih trigonometričnih funkcij
Torzijski kot med zaporednimi atomi ijkl definira kot, ki ga oklepata ravnini, ki potekata skozi atome ijk in jkl.
PREDZNAK VREDNOSTI TORZIJSKEGA KOTA
V smeri urinega kazalca
V nasprotni smeri urinega kazalca
ENERGIJSKI ČLEN 4: COULOMBOV POTENCIAL Coulombov potencial za opis elektrostatskih interakcij med atomi. qi in qj - delna (parcialna) naboja atomov rij - razdalja med atomoma.
ij
ji
rqq
V04πε
=
1012 )()()(ij
ij
ij
ij
rD
rC
vezHV −=−
Poseben opis vodikove vezi med molekulami lahko računsko obravnavamo z energijskim členom podobnim Lennard-Jonesovem potencialu.
pari atomov na razdalji rij, ki vstopajo v tvorbo vodikove vezi. Cij in Dij sta empirični konstanti.
A D
DELNI PARCIALNI NABOJI
Pozitiven delni naboj (npr. +0,3 elektrona) pomeni primanjkljaj elektronske gostote, ki ustreza 0.3 naboja elektrona Negativni delni naboj (npr. -0.6 elektrona) pa ustezen presežek elektronske gostote. Zelo uporabni tudi za KVANTITATIVNO OBRAVNAVO REAKTIVNOSTI in polarizacije
Delni naboj (q) je naboj, ki je po absolutni vrednosti manjši od osnovne enote naboja elektrona (1 e0 = 1.602×10−19 As), in opiše asimetrično porazdelitev elektronske gostote v kemijskih vezeh.
Primer reaktivnost aromatskih sistemov:
O O
δδ
δ
δδ
+
- -
+
Benzen Metilbenzoat
−= 612 )()(4
ij
ij
ij
ijij rr
Vσσ
ε
ENERGIJSKI ČLEN 5: LENNARD-JONESOV POTENCIAL
Vsota odbojnega in privlačnega člena 1. Člen r−12 opisuje kratkosežne (Paulijeve) odbojne sile, ki nastanejo zaradi odboja pri kontaktu elektronskih orbital, 2. r−6 člen pa opisuje privlačne daljnosežne interakcije (van der Waalsove sile in disperzijske sile).
Aij in Bij sta parametra, ki jih določimo s pomočjo znanih vrednosti za posamezne atome.
odboj: ~r-12
DODATNI ENERGIJSKI ČLENI
V nekaterih funkcijah MM so vgrajeni še dodatni členi, ki omogočajo natančnejše opisovanje atomske strukture. 1.Energijski člen, ki skrbi za preprečevanje nepravilnih torzij (improper torsions)
∑ −=vezi
ijkijkimproperN k
rV 20, )(
2)( φφ
2. Sklopljeni členi (cross terms) sočasno obravnavajo več gibanj v molekuli (npr. spremembo valenčnega kota in ene od kovalentnih vezi tega kota skupaj).
∑ −−=koti
iiiiN llkrV 2
0,0, ))((2
)( θθ
)4
)()(4(
))cos(1(2
)(2
)(2
)(
01 1
612
02
0,2
0,
ij
jiN
i
N
ij ij
ij
ij
ijij
vezi koti torzije
torzijeii
kotaii
veziN
rqq
rr
nkkllkrV
πεσσ
ε
ϕϕθθ
+
−
+−++−+−=
∑ ∑
∑ ∑ ∑
= +=
EMPIRIČNA ENERGIJSKA POTENCIALNA FUNKCIJA
Potencialna energija molekule = energija kovalentnih (veznih) interakcij + energija nekovalentnih interakcij
INTERAKCIJSKA ENERGIJA (energija neveznih interakcij)
Za natančen opis molekule z molekulsko mehaniko potrebujemo kvalitetne parametre empirične potencialne funkcije (konstante, referenčne vrednosti delni naboji itd) = PARAMETRIZACIJA POLJA SIL.
Ker se isti atom v sistemu obnaša zelo različno (npr. amidni dušik, aminski dušik, kvarteraminski dušik ipd.) in ima različne parametre, uvedemo pojem atomskega tipa.
Uporaba enot, ki niso del SI sistema, vendar so za uporabo v molekulskem modeliranju zelo uporabne:
Količina enota SI ekvivalent
Energija 1 kcal/mol 4184 kJ/mol
Dolžina 1 Ångström 10-10 m
Naboj 1 elektron 1.6021892 10-19 C
IZRAČUNANE ENERGIJSKE VREDNOSTI
Izračunana potencialna energija molekule ima lahko pozitiven ali negativen predznak.
1. Direktna primerjava možna le med različnimi konformacijami iste molekule: Nižja vrednost potencialne energije pomeni energijsko ugodnejšo konformacijo 2. Primerjava energij med različnimi molekulami: Izračunane vrednosti niso direktno primerljive in iz razlike med njimi ne moremo vedno sklepati o stabilnosti struktur. Primer: analiziramo tudi vrednosti posameznih členov potencialne funkcije.
2. OPIS ATOMSKE STRUKTURE: KVANTNA MEHANIKA
Erwin Schödinger J. Robert Oppenheimer Max Born
Kadar želimo preučevati lastnosti, ki jih z molekulsko mehaniko ne moremo zadovoljivo opisati (tvorbe in razcepi kovalentnih vezi, ki se zgodijo pri kemijski reakciji), preidemo na FIZIKALNI OPIS ATOMOV IN MOLEKUL.
Ab initio (lat. iz prvih principov) računi (brez eksperimentalnih podatkov) = uporaba KVANTNE MEHANIKE.
Schrödingerjeva enačba je enačba s pomočjo katere lahko izračunamo porazdelitev elektronske gostote molekule – temeljna enačba kvantne mehanike
(QM).
Poenostavitve: 1. Večinoma rešujemo časovno neodvisno elektronsko Schrödingerjevo enačbo (izločimo čas kot spremenljivko).
2. Upoštevamo Bohr-Oppenheimerjev približek (elektroni se gibljejo bistveno hitreje kot jedra).
Pri točno določenih koordinatah R jeder rešimo SE in izračunamo porazdelitev
elektronske gostote in propadajočo energijo
ttRψitRψV
zyxm ∂∂
=
+
∂∂
+∂∂
+∂∂
−),,r(
),,r()(
2
2
2
2
2
22
2
)r()r()(2 2
2
2
2
2
22
ψψ EVzyxm
=
+
∂∂
+∂∂
+∂∂
−
)r()r( ψψ EH =
DVA KLJUČNA PARAMETRA QM RAČUNOV: 1. Uporabljena metode aproksimativnega reševanja Schrödingerjeve enačbe: a) Hartee-Fock-ova (HF) metoda: elektron v polju vseh ostalih b) Teorija gostotnih funkcionalov (DFT): elektronska gostota …. in mnoge druge 2. Niz matematičnih funkcij, ki bodo dovolj natančno opisale valovno funkcijo molekule - bazni seti (različna imena npr. 3-21G, 6-31G, 6-31G(d) itd.). • Čas računov eksponentno raste z večanjem števila obravnavanih atomov.
• Semiempirične metode (AM1, PM3 itd) vpeljejo mnoge aprokimacije in so manj natančne, toda hitrejše.
Hibridne kvantnomehansko-molekulskomehanske (QM/MM) tehnike Pri večjih sistemih delitev na dva dela: Manjši del: obravnavamo s QM opisom, Preostali del: empirična potencialna funkcija (MM)
4. PREISKOVANJA POVRŠINE POTENCIALNE ENEGIJE MOLEKULE
Večdimenzionalno površino, ki ponazarja energijo molekule kot funkcijo vseh možnih razporeditev (koordinat njenih atomov), imenujemo POVRŠINA POTENCIALNE ENERGIJE (POTENTIAL ENERGY SURFACE - PES). Na PES želimo poznati predvsem stacionarne točke: 1. Minimume - energijsko ugodne lege 2. Sedla - za lokacijo geometrij prehodnih stanj METODI PREISKOVANJA: 1. GEOMETRIJSKA OPTIMIZACIJA 2. MOLEKULSKA DINAMIKA
4.1. METODA PREISKOVANJA PES: ENERGIJSKA MINIMIZACIJA – GEOMETRIJSKA OPTIMIZACIJA
Geometrijska optimizacija je računski postopek iskanja konformacij molekul v
energijskih minimumih (ali sedlih) na PES. Potrebna informacija: Začetna konformacija sistema (initial guess) Optimizacijski algoritem v več korakih (iteracijah) poišče konformacijo molekule,
ki ima v lokalni okolici najnižjo vrednost potencialne energije (lokalni minimum) = ENERGIJSKA MINIMIZACIJA.
Kriterij iskanja:
prvi odvod (gradient) energije po koordinatah, ki se mu lahko pridruži tudi drugi odvod.
GEOMETRIJSKA OPTIMIZACIJA - VREDNOTENJE
Kompleksnost večdimenzionalne površine potencialne energije je vzrok, da začetno stanje sistema močno vpliva na končni rezultat geometrijske optimizacije. Optimizacijski algoritmi uspejo najti le stacionarno točko, ki je blizu začetni strukturi.
Pomembni eksperimentalni podatki!
MOLEKULSKE SIMULACIJE
Molekulske simulacije omogočajo preiskovanje površine potencialne energije in generiranje mnogih konformacij molekul (molekulski ansambel), ki so pri danih pogojih simulacije, dostopne posameznemu sistemu. Tako lahko izračunamo makroskopske merljive količine in primerjamo rezultate simulacij z eksperimentalnimi podatki. Teoretično osnovo za to povezavo med strukturo molekul in njihovimi makroskopskimi lastnostmi omogoča statistična mehanika.
Atomistična obravnava
sistema
Makroskopska obravnava
sistema
STRUKTURNI PODATKI MERITVE
STATISTIČNA MEHANIKA
Osnovni algoritem MD:
Atomom določimo začetne koordinate r, in izberemo časovni
interval Δt (ta korak je zelo kratek = 1 fs = 10-16 s)
Izračunamo rezultanto sil na vsak atom in posledični pospešek:
Premaknemo atom v smeri pospeška z uporabo poljubnega
integracijskega algoritma
premaknemo čas naprej za Δt
XEXEXF
∂∂
−=−∇= )()( )(XFXM =••
Molekuska dinamika (MD) je računalniška simulacija, kjer opazujemo dinamične lastnosti in obnašanje atomov ali molekul, ki interagirajo med seboj v skladu Newtonovimi enačbami gibanja (II. Newtonov zakon).
METODA: MOLEKULSKA DINAMIKA (MD)
...2/1 21 +∆+∆+=+ tatvrr iii
{r(t), v(t)}
{r(t+∆t), v(t+∆t)}
N krat ponovimo
SIMULACIJSKI ČAS = N x Δt Npr. če opravimo 1000 korakov po 1fs je izvedena MD simulacija dolga 1ps
PRIMER MD SIMULACIJE
Energija
MOLEKULSKA DINAMIKA VS. ENERGIJSKA MINIMIZACIJA
LOKALNI MINIMUM
4.3. METODA: KONFORMACIJSKA ANALIZA Molekule, ki se med seboj razlikujejo le po tridimenzionalni razporeditvi atomov, so konformacijski izomeri ali konformeri. Okrog vsake enojne sp3 vezi (σ-vez) je možna rotacija in take konformere imenujemo rotameri. Analizo energijskih sprememb, ki so povezane z rotacijami, lahko imenujemo tudi konformacijska analiza, čeprav je sam izraz splošnejši in obravnava tudi analizo obnašanja različnih konformerov in iskanja lokalnih minimumov molekul. Najenostavnejši primer konformacijske analize - torzijski potencial potencialna torzijska energija kot funkcija izbranega torzijskega kota Namen: Poznavanje konformacije in konformacijskega prostora, ki mu je dostopen, je zelo pomembno za razumevanje lastnosti posamezne molekule (npr. zdravilne učinkovine).
PRIMER KONFORMACIJSKE ANALIZE 1: TORZIJSKI POTENCIAL ZA MOLEKULO PROPANOLA OKROG TORZIJSKEGA KOTA C-C-C-O
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
To je rotacija neomejena pri sobni temperaturi konformacije molekul prehajajo spontano ena v drugo če so energijske razlike med njimi nekaj kcal/mol (cca 2-8).
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
0 60 120 180 240 300 360
PRIMER KONFORMACIJSKE ANALIZE 2
NH
N
NN
Torzijski kot
Energija (kcal/mol) OS ROTACIJE
Območje proste rotacije 1 Območje proste rotacije 2
2. Iskanje območji proste rotacije
Območji, kjer rotacija zaradi steričnih ovir
ni možna
5. UVOD V METODE VIRTUALNEGA REŠETANJA V sodobnem pristopu racionalnega načrtovanja učinkovin se sočasno uporabljajo eksperimentalne in metode računalniške kemije (in silico metode). Kemijski prostor organskih spojin je izredno velik (ocena: 10 60 spojin)
CADD=Computer assisted drug design Računalniške metode ga pomagajo zožiti in najti področja, kjer se lahko nahajajo nove biološko aktivne spojine.
Del kemijskega prostora
kjer so spojine za specifično indikacijo
Primeri uspešne uporabe CADD: -zaviralci HIV proteaze (nelfinavir, amprenavir in lopinavir), -zaviralci virusne nevraminidaze (zanamivir in oseltamivir), -učinkovino za zdravljenje kronične mieloidne levkemije (imatinib)
Priprava knjižnice virtualnih spojin
Virtualno rešetanje
(LBDD ali SBDD)
Izbor spojin in biološko testiranje
Validacija programa
za VS
Virtualno rešetanje je preiskovanje velikih knjižnic virtualnih molekul z uporabo računalniške tehnologije, z namenom preiskati in reducirati obstoječi kemijski prostor na nekaj razredov spojin, ki so z veliko verjetnostjo aktivne na preiskovani tarči.
Metoda virtualnega rešetanja je konceptualno sorodna svoji eksperimentalni različici rešetanju visokih zmogljivosti (high-troughput screening - HTS), le da pri VS različici »rešetamo« z računalnikom (in silico).
VIRTUALNO REŠETANJE
OSNOVNA PRISTOPA VIRTUALNEG REŠETANJA 1. Uporabimo strukture in lastnosti poznanih aktivnih ligandov Načrtovanje na osnovi strukture liganda - ligand-based drug design (LBDD) 2. Uporabimo dosegljive podatke o tridimenzionalni strukturi tarče ali kompleksa tarče z ligandom Načrtovanje na osnovi strukture tarče - structure-based drug design (SBDD)
+ =
Vezava
5.1 VIRTUALNO REŠETANJE NA OSNOVI STRUKTURE TARČE MOLEKULSKO SIDRANJE
Molekulsko sidranje (molecular docking) je metoda, ki izračuna preferenčno konformacijo izbrane molekule (navadno majhne molekule liganda, lahko pa tudi makromolekule) v izbranem aktivnem mestu biološke makromolekule (tarče), ob predpostavki, da le-ti tvorita stabilen kompleks. Sestavni komponenti vsakega programskega paketa za sidranje sta:
ISKALNI ALGORITEM – služi generiranju novih konformacij CENILNA FUNKCIJA - ocenjevanje moči vezavnih interakcij
Iskalni algoritem omogoča generiranje novih vezavnih konformacij (binding mode). Konformacijski prostor kompleks tvorijo vse možne orientacije proteina z vezanim ligandom = veliko konformacij (neobvladljive številke). KONFORMACIJSKA EKSPLOZIJA
Imamo dve molekuli, katerih konformaciji se spremenita, ko pride do medsebojne interakcije (medsebojna odvisnost).
Večina računalniških programov ligand obravnava fleksibilno, medtem ko je receptor statičen.
Vrste iskalnih algoritmov: - inkrementna konstrukcija - genetski algoritem
ISKALNI ALGORITEM – SEARCH ALGORITEM
PRIMER ISKALNEGA ALGORITMA INKREMENTNA IZGRADNJA KOMPLEKSA
Postopek: 1. V aktivno mesto najprej sidramo večji fragment molekule.
2. Uporaba različnih omejitvenih kriterijev (energijskih ali geometrijskih)
da do konca zgradimo konformacijo molekule v aktivnem mestu.
PRIMER ISKALNEGA ALGORITMA GENETSKI ALGORITEM
Princip: Pri ustvarjanju novih konformacij oponašati principe evolucije in selekcije (mutacije, cross-over).
SCORING FUNCTION – CENILNA FUNKCIJA
Cenilna funkcija generirani konformaciji liganda v aktivnem mestu izračuna energijo interakcije, ki predstavlja oceno afinitete te molekule do preiskovane tarče.
• Prvi zelo grobi približek proste energije vezave.
• Omogočajo hitro oceno vezavne energije
• Napovedi s standardno deviacijo 1-1.5 logKi
∑ ∑
+ − =
lig
i
prot
j ij
i
ij
ij
ij
ij interakcije
j
r q q
r B
r A
E c 6 12
1. Cenilne funkcije osnovane na “empirični potencialni funkciji”
2. Empirične cenilne funkcije 3. Cenilne funkcije, dobljene s pomočjo statistične mehanike
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).
VIRTUALNO REŠETANJE Z UPORABO SBDD
REŠETANJE BAZE SPOJIN
Definirano aktivno mesto
VALIDACIJA METODE
MOLEKULSKEGA SIDRANJA
Farmakofor je zbirka steričnih in elektronskih lastnosti, ki so potrebne za zagotovitev optimalnih supramolekularnih interakcij s specifično biološko tarčo, ki vodi do indukcije ali inhibicije biološkega odziva. Farmakofor ni realna molekula ali zbirka funkcionalnih skupin! DVA TIPA FARMAKOFORNIH ELEMENTOV: 1. Točke v prostoru, obdane z določenim tolerančnim radijem, v katerem mora ležati fragment preiskovane molekule, ki izkazuje enake lastnosti kot posamezni farmakoforni element. 2. Pri donorjih in akceptorjih vodikove še usmerjenost H-vezi v prostoru, geometrijska omejitev, ki omogoča tvorbo H-vezi le pri določenih vrednostih interakcijskega kota.
Anionski (kationski)
center
Donor vodikove vezi
Akceptor vodikove vezi
Hidrofobna interakcija
Aromatični obroč
NAČRTOVANJE NA OSNOVI STRUKTURE LIGANDA – FARMAKOFORNI MODELI
Farmakoforni model
Ligand
OD LIGANDA DO FARMAKOFORNEGA MODELA
VIRTUALNO REŠETANJE Z UPORABO LBDD
REŠETANJE BAZE SPOJIN
Farmakoforna hipoteza
VALIDACIJA FARMAKOFORNE HIPOTEZE