SEMINAR IZ MOLEKULSKEGA MODELIRANJA PRI FARMACEVTSKI KEMIJI III

SEMINAR IZ MOLEKULSKEGA MODELIRANJA PRI FARMACEVTSKI KEMIJI III 1. DEL TEORETIČNE OSNOVE MOLEKULSKEGA MODELIRANJA doc. Andrej Perdih e-mail: andrej.perdih@ki.si

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).

NEKATERE ZNAČILNOSTI MODELIRANJA 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

RAČUNALNIŠKA KEMIJA IN NOBELOVE NAGRADE

NIVOJI MOLEKULSKEGA MODELIRANJA Molekulske ( atomistične ) simulacije Monte Carlo simulacije Simulacije na mezo skali 10-6 S Molekulska dinamika 10-8 S Kvantna kemija exp(- E/kT) 10-12 S F = ma Ηψ = Εψ 10-10 m 10-8 m 10-6 m 10-4 m Velikost obravnavanih sistemov

VPETOST MOLEKULSKEGA MODELIRANJA V PROCES NAČRTOVANJA ZDRAVILNIH UČINKOVIN RAZUMEVANJE MAKROMOLEKULSKE TARČE NA ATOMSKEM NIVOJU RAZUMEVANJE MEDMOLEKULSKEGA PREPOZNAVANJA VIRTUALNO REŠETANJE

UPORABA MOLEKULSKEGA MODELIRANJA V FARMACEVTSKI KEMIJI 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

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 vodik ogljik kisik dušik žveplo fosfor fluor klor brom jod Barva bela črna/siva rdeča modra rumena oranžna zelena zelena rjava 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 zavoj beta struktura alfa vijačnica

NATANČNEJŠA VIZUALIZACIJA BIOMAKROMOLEKUL (2) 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

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 (rootmean square distance). d = x x + y y z 2 2 2 i, j ( i j ) ( i j ) ( i j ) d i,j razdalja med atomoma i in j, ki sta: 1. identična (pri primerjavi konformacij iste molekule) 2. primerljivi funkciji v dveh različnih molekulah + z RSMD = N i, j = 1 d N 2 i, j

PRIMER PRILEGANJA MOLEKUL d1 d2 RSMD RMSD vrednost je odvisna od relativnega položaja obeh molekul Iskanje optimalnega RMSD pred Prileganje PRILEGANJE MOLEKULE NA DRUGO KOT TOGO TELO = N RSMD d i i, j= 1 d N 2 i, j = 0 RSMD prileg. = N i, j= 1 d N 2 i, j

UPORABA RSMD PARAMETRA 6 5 4 RMS [Å] 3 2 1 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Simulation time [ps] 1. Primerjava konformacij različnih molekul 6 5 4 RMS [Å] 3 2 1 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Simulation time [ps] 3. Primerjava poteka RMSD vrednosti inhibitorja med MD simulacijo 2. Primerjava vezavnih mest sorodnih encimov

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?

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. V( r N kvezi ) = ( li l 2 vezi 2 i, 0 ) l i predstavljata vezno razdaljo l i,0 pa idealno ravnotežno razdaljo Primeri vrednosti parametrov: karbonilni kisik - karbonilni ogljik k vezi = 570.0 kcal/molå 2 l i,0 = 1.229 Å karbonilni ogljik - alfa ogljik k vezi = 317.0 kcal/molå 2 l i,0 = 1.522 Å alfa ogljik - amidni dušik k vezi = 337.0 kcal/molå 2 l i,0 = 1.449 Å

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. N k V( r ) = kota ( θi θi 2 koti 2, 0 ) θ i predstavljata valenčni kot θ i,o pa ravnotežni vezni kot. Primeri vrednosti (aminokislinsko ogrodje) karbonilni kisik - karbonilni ogljik - alfa ogljik k kota = 80.0 kcal/mol, θ i,o =120.40 karbonilni ogljik - alfa ogljik - amidni dušik k kota = 63.0 kcal/mol, θ i,o = 110.10

ENERGIJSKI ČLEN 3: TORZIJSKI POTENCIAL Torzijski potencial prikazuje odvisnost energije od vrednosti torzijskega kota. k N torzije V ( r ) = (1+ cos( nϕ ϕ0 )) 2 torzije Torzijski kot med zaporednimi atomi ijkl definira kot, ki ga oklepata ravnini, ki potekata skozi atome ijk in jkl. 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

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. q i in q j - delna (parcialna) naboja atomov r ij - razdalja med atomoma. V = q q i j 4πε 0 r ij Poseben opis vodikove vezi med molekulami lahko računsko obravnavamo z energijskim členom podobnim Lennard-Jonesovem potencialu. V ( H C vez) = ( r ij ij ) 12 D ( r pari atomov na razdalji r ij, ki vstopajo v tvorbo vodikove vezi. C ij in D ij sta empirični konstanti. ij ij ) 10 A D

DELNI PARCIALNI NABOJI Delni naboj (q) je naboj, ki je po absolutni vrednosti manjši od osnovne enote naboja elektrona (1 e 0 = 1.602 10 19 As), in opiše asimetrično porazdelitev elektronske gostote v kemijskih vezeh. 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 Primer reaktivnost aromatskih sistemov: O O + δ δ + - δ δ - Benzen δ Metilbenzoat

ENERGIJSKI ČLEN 5: LENNARD- JONESOV POTENCIAL Vsota odbojnega in privlačnega člena odboj: ~r -12 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). V = σ ij 4ε ij ( rij ) 12 σ ij ( r ij ) 6 A ij in B ij sta parametra, ki jih določimo s pomočjo znanih vrednosti za posamezne atome.

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) V ( r ) = ( φijk φ 2 N k improper vezi 2 ijk, 0) 2. Sklopljeni členi (cross terms) sočasno obravnavajo več gibanj v molekuli (npr. spremembo valenčnega kota in ene od kovalentnih vezi tega kota skupaj). N k V ( r ) = ( li li 0)( θi θi 2 koti 2,,0)

EMPIRIČNA ENERGIJSKA POTENCIALNA FUNKCIJA Potencialna energija molekule = energija kovalentnih (veznih) interakcij + energija nekovalentnih interakcij V ( r N N N ) = i= 1 j= i+ 1 kvezi 2 kkota 2 ( li li,0) + ( θi θi,0) + 2 2 vezi koti torzije σ ij (4ε ij ( rij ) 12 σ ij ( r ij ) 6 qiq j + 4πε 0r ij ) k torzije 2 (1 + cos( nϕ ϕ )) + 0 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 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. Erwin Schödinger Max Born J. Robert Oppenheimer

Schrödingerjeva enačba je enačba s pomočjo katere lahko izračunamo porazdelitev elektronske gostote molekule temeljna enačba kvantne mehanike (QM). 2 2 2 2 ψ(r, R, t) ( + + ) + V ψ(r, R, t) = i 2 2 2 2m x y z t 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 H ψ ( r) = Eψ (r) 2 2m ( x 2 2 + y 2 2 + z 2 2 ) + V ψ (r) = Eψ (r)

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 STATISTIČNA MEHANIKA Makroskopska obravnava sistema STRUKTURNI PODATKI MERITVE

METODA: MOLEKULSKA DINAMIKA (MD) 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). Osnovni algoritem MD: Atomom določimo začetne koordinate r, in izberemo časovni interval Δt (ta korak je zelo kratek = 1 fs = 10-16 s) N krat ponovimo Izračunamo rezultanto sil na vsak atom in posledični pospešek: E F ( X ) = E( X ) = X M X = F(X ) Premaknemo atom v smeri pospeška z uporabo poljubnega integracijskega algoritma r i+ 1 = r + v t premaknemo čas naprej za Δt i i + 1/ 2a t 2 +... {r(t+ t), v(t+ t)} {r(t), v(t)} SIMULACIJSKI ČAS = N x Δt Npr. če opravimo 1000 korakov po 1fs je izvedena MD simulacija dolga 1ps

PRIMER MD SIMULACIJE

MOLEKULSKA DINAMIKA VS. ENERGIJSKA MINIMIZACIJA Energija 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 sp 3 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 d1 O OH OS ROTACIJE C C 1. Preiskovanje razdalj med atomi pri različnih torzijskih kotih d2 d3 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).

PRIMER KONFORMACIJSKE ANALIZE 2 1.600 1.400 N N N H N 1.200 Energija (kcal/mol) 1.000 OS ROTACIJE 800 600 2. Iskanje območji proste rotacije 400 200 0 Območji, kjer rotacija zaradi steričnih ovir ni možna 0 60 120 180 240 300 360 Torzijski kot Območje proste rotacije 1 Območje proste rotacije 2

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) Del kemijskega prostora kjer so spojine za specifično indikacijo CADD=Computer assisted drug design Primeri uspešne uporabe CADD: -zaviralci HIV proteaze (nelfinavir, amprenavir in lopinavir), -zaviralci virusne nevraminidaze (zanamivir in oseltamivir), -učinkovino za zdravljenje kronične mieloidne levkemije (imatinib) Računalniške metode ga pomagajo zožiti in najti področja, kjer se lahko nahajajo nove biološko aktivne spojine.

VIRTUALNO REŠETANJE 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. Priprava knjižnice virtualnih spojin Validacija programa za VS Virtualno rešetanje (LBDD ali SBDD) Izbor spojin in biološko testiranje 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).

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)

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 Vezava + =

ISKALNI ALGORITEM SEARCH ALGORITEM 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

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 1. Cenilne funkcije osnovane na empirični potencialni funkciji E lig = interakcije i prot j A r ij 12 ij B r ij 6 ij + c q q i r j ij 2. Empirične cenilne funkcije 3. Cenilne funkcije, dobljene s pomočjo statistične mehanike

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

VIRTUALNO REŠETANJE Z UPORABO SBDD Definirano aktivno mesto VALIDACIJA METODE MOLEKULSKEGA SIDRANJA REŠETANJE BAZE SPOJIN

NAČRTOVANJE NA OSNOVI STRUKTURE LIGANDA FARMAKOFORNI MODELI 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. Anionski (kationski) center Hidrofobna interakcija Aromatični obroč 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. Donor vodikove vezi Akceptor vodikove vezi

OD LIGANDA DO FARMAKOFORNEGA MODELA Ligand Farmakoforni model

VIRTUALNO REŠETANJE Z UPORABO LBDD Farmakoforna hipoteza VALIDACIJA FARMAKOFORNE HIPOTEZE REŠETANJE BAZE SPOJIN