Лекция номер 2, весенний семестр 2016 года

Компьютерные методы в фармакологии
Владимир Борисович Сулимов
Научно-Исследовательский Вычислительный Центр МГУ
Лекция № 2
Компьютерная разработка новых ингибиторов. Методы
Молекулярного моделирования
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
1
Поиск ингибитора
• Как найти молекулу-ингибитор для заданного белка-мишени?
• Обычный путь: in vitro и in vivo экспериментальный очень
затратный перебор различных химических соединений
• Новый путь: виртуальный перебор с помощью компьютеров in silico!
• Молекула-кандидат в ингибиторы – лиганд (ligand) от
латинского слова ligare = to bind: молекула, которая может
связаться и сформировать комплекс с биомолекулой
• Компьютерный перебор баз данных лигандов
?
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
2
Межмолекулярное взаимодействие
• Правильный учет сил между молекулами –
основа успеха молекулярного моделирования
лекарств
• Эти силы могут быть правильно рассчитаны
только методами квантовой механики
• Силы между атомами и структура молекул
правильно рассчитываются только методами
квантовой механики
• Вывод: конструировать лекарства надо
методами квантовой механики
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
3
Quantum calculation of binding enthalpy for protein-ligand complexes:
methodology validation
-30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8
-6
-4
-2
0
Hbinding Calculated, kcal/mol
0
20 test proteinligand complexes
1ABE
TBS5
TBS4
TBS3
1SHA
TBS1
TBS2 1K1J
3BU41K1M
1I3H
1K1L
1A78
1K22
1K1I
1CVN
1K21
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
1DF8
1SWD
1AJ6
RMS deviation of
calculated/experimental
binding enthalpy over 20
complexes:
1.38 kcal/mol
ΔHbinding, Experimental, kcal/mol
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
-18
-20
-22
-24
-26
-28
-30
4
QM расчет ΔH связывания белок-лиганд
ΔG = ΔH -T ΔS
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
5
Молекулярная механика
• Квантовая механика и квантовая химия
• Точные законы – очень трудоемкие вычисления –
одна молекула из нескольких десятков атомов десятки и сотни часов
• Что делать?
• Создать силовое поле (force field)– набор
потенциалов, описывающих взаимодействие
атомов и молекул, как классических частиц:
расчеты – десятки минут для тысяч атомов
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
6
Силовые поля
– Knowledge-based: потенциалы из статистики
взаимного расположения атомов
– Empirical: потенциалы из экспериментальных
значений констант связывания
• Обучающий набор комплексов протеин-лиганд
• Тестовый набор комплексов протеин-лиганд
– Physical: силовые поля - потенциалы,
полученные из физических законов,
учет растворителя
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
7
Силовые поля – Force fields
•
•
•
•
•
•
MMX
MM3
Amber
OPLS2005
OPLS3
MMFF94 – Merck – Большая
Фармацевтическая компания
• ReaxxFF
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
8
Силовые Поля – Force fields
• MMFF94 – ab initio force field
– На основе квантовой механики
– Валентные связи
– Валентные углы
– Торсионы – вращения вокруг связей
– Межмолекулярное взаимодействие
– Электростатические взаимодействия
– Ван дер Ваальсовы взаимодействия
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
9
Молекулы
• Белки – протеины – тысячи атомов
– Полипептидная цепь:
– NH-CH-CO-NH-CH-CO-… Главная цепь
R1
20 штук
R2
Аминокислотные остатки
Кофакторы – ионы металлов
• Органические молекулы – десятки атомов:
миллиарды молекул: C, N, O, H, S, Cl, F, Br ...
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
10
Чтобы предсказать константу связывания
молекулы-лиганда с белком
…мы должны рассчитать всего-навсего свободную
энергию связывания комплекса белок-лиганд
Δ G = Δ H − T ΔS
Изменение энтальпии
при связывании
лиганда
Изменение энтропии
при связывании лиганда
Термодинамика и статистическая
физика
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
11
Аккуратный расчет свободной энергии связывания
лиганда с протеином
• Методы молекулярной динамики: ΔG=ΔH-TΔS
– Вычисление траектории движения атомов системы
белок+лиганд, находящейся в термостате
– Описание движения атомов как классических частиц,
взаимодействующих друг с другом с помощью
классических потенциалов
– Усреднение по траектории – усреднение по ансамблю
– Время вычислений: сутки и более на одном процессоре
– нужно использовать многопроцессорный режим
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
12
Что измеряется в эксперименте?
С чем сравнивать расчет?
• Измерение IC50 – ингибирующая
концентрация
• IC50 – мера ингибирующей активности
данного вещества
• IC50 – измеряется в экспериментах in vitro
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
13
Измерение ингибирующей концентрации IC50
Лиганды со средней способностью связывания с белком
% Inhibition
100
75
50
25
0
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02
Ligand concentration (mol)
Концентрация, при которой достигается
50% ингибирование (IC50) = 10-6 моля
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
14
Измерение ингибирующей концентрации IC50
Лиганды с высокой способностью связывания с
белком
% Inhibition
100
75
50
25
0
1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02
Ligand concentration (mol)
Концентрация, при которой достигается
50% ингибирование (IC50) = 10-9 моля
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
15
IC50 при ингибировании тромбина
Схема гидролиза субстрата тромбином
Измерение
АМС
Флюорогенный субстрат
АМС
Флюоресцирующий
продукт (АМС)
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
16
Ингибитор тромбина уменьшает скорость
гидролиза тромбином хромогенного субстрата:
Inhibitor HC-019s-IOC
concentration:
0,16
0
2.5 nM
25 nM
100
inhibition, %
0,20
0,12
Hydrolysis
D450 nM, optic units
IC50 – это концентрация ингибитора,
при которой скорость гидролиза
снижается до 50% от первоначальной
величины
0,08
0,04
80
60
IC50=130 nM
40
20
0
0
4
8
Time, min
12
16
0
500
1000
1500
2000
[HC-018s-IOC], nM
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
17
Комплексы Белок-Лиганд
• Protein Data Bank - PDB:
www.rcsb.org/pdb
– X-ray эксперименты
– 3D структуры закристаллизованных
комплексов белок-лиганд
– Положения только тяжелых атомов
– Точность 1.5 Å - лучшие
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
18
Докинг – начало компьютерной
разработки новых ингибиторов
• Докинг - позиционирование молекулылиганда в активном центре белкамишени
• Лиганд – от латинского слова ligare –
связываться – это молекулярный
объект, который может связываться с
биомишенью
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
19
Ключевые программы для дизайна лекарств
Docking – правильное позиционирование лиганда в
активном центре белка-мишени
Гибкий лиганд в воде
Белок-мишень
docking
WATER SOLVENT
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
20
Ключевые программы для дизайна лекарств
Scoring – правильная оценка энергии связывания белок-лиганд
Слабые
межмолекулярные
взаимодействия
белок:
тысячи
атомов
Высокая точность:~ 1 kcal/mol ~ 0.05 eV
Связывание происходит в воде
лиганды:
Десятки атомов
Взаимодействие белка с водой
Взаимодействие лиганда с водой
docking
Взаимодействие лиганда WATER SOLVENT
с белком
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
21
Энергия связывания белок-лиганд
• Взаимодействия между атомами белка и лиганда:
электростатика и силы Ван-дер-Ваальса
• Энергия десольватации:
– Подсчет баланса взаимодействий: лиганда с
растворителем, белка с растворителем, комплекса
белок-лиганд с растворителем
• Энергия внутренних напряжений лиганда
• Изменение числа вращательных степеней
свободы лиганда при связывании –
неправильно! Надо честно считать изменение
энтропии
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
22
Энергия десольватации ΔGdesolv :
ΔGdesolv = Gsolv(белок-лиганд)
- Gsolv(белок) - Gsolv(лиганд),
где Gsolv(X) – энергия сольватации молекулы X,
В величину Gsolv(X) вносят вклад следующие
взаимодействия:
™ Электростатическое взаимодействие
молекулы с растворителем
™ Ван-дер-Ваальсово взаимодействие
молекулы с растворителем
™Кавитация: статистическое образование
полости в растворителе, имеющей форму
растворяемой молекулы
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
23
Процесс растворения молекулы (solute) в растворителе (solvent)
ΔGрастворения = ΔGкавитации + ΔGвзаимодействий
ΔGвзаимодействий = ΔGvdW + ΔGэлектростатические
ΔGSOLV = ΔGNES + ΔGES
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
24
Энергетические единицы
1 эВ ≈ 23 kcal/mol
1 эВ = 1.602176…10-19 Дж
1 cal = 4.1868 Дж
NA = 6.022141…1023
1 эВ = 1.602…10-19 X NA X 10-3 /4.1868
1 эВ = 23.045121
kcal/mol
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
25
Автоматическое построение гладкой триангулированной
поверхности вокруг молекулы любой формы и любого размера:
программа построения такой поверхности TAGSS разработана в
Лаборатории Вычислительных Систем и Прикладных Технологий
Программирования НИВЦ МГУ
Желтая поверхность –
для подсчета
электростатических
взаимодействий
молекулы с
растворителем
Прозрачная поверхность –
для подсчета VdW
взаимодействий молекулы
с растворителем
Прозрачная поверхность
получается путем
соответствующего
преобразования из желтой
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
26
Поверхность доступная растворителю вокруг белка
тромбина
Здесь различные цвета
различных областей
поверхности соответствуют
разным типам атомов,
находящихся вблизи этих
областей:
• Красный
– кислород
• Синий – азот
• Серый – углерод
• Белый – водород
• Желтый – сера
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
27
Программы докинга
• AutoDock – The Scripps Research Institute - USA
• GOLD - The Cambridge Crystallographic Data
Centre - UK
• FlexX – BioSolveIT - Germany
• Sybyl – Tripos - USA
• Discovery Studio – Accelrys - USA
• Glide – Schrödinger - USA
• Lead-Finder – Moltech, Ltd – Москва, Россия
• SOL – НИВЦ МГУ - Москва, Россия
• FLM – НИВЦ МГУ - Москва, Россия
• SOL-T, SOL-P - Москва, Россия
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
28
Спасибо за внимание
• …Surely every medicine is an innovation; and he that will not
apply new remedies, must expect new evils…
• …Каждый медицинский метод есть инновация; а кто не
хочет применять новые средства, должен ждать новых
бед…
Sir Francis Bacon (1561-1626)
OF INNOVATIONS
В.Б.Сулимов, Drug Design Lecture 2, 2016
29