Лекция номер 2, весенний семестр 2016 года
реклама
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
