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Seminario Docking Molecular

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Seminario Docking Molecular Presentation Transcript

  • 1. Métodos computacionales para la predicción de la actividad biológica de moléculas pequeñas: Molecular Docking Farm. Juan J. Casal [email_address]
  • 2. Introducción
    • Una droga es una sustancia diseñada para regular la actividad de receptores biológicos llamados blancos o dianas .
    • El proceso del descubrimiento de drogas requiere un extenso estudio para determinar los problemas biológicos y bioquímicos que pueden generar la enfermedad .
  • 3.
    • El docking molecular (MD por sus siglas en inglés) apunta a predecir si una molécula se une a otra.
    • Si la geometría del par de moléculas es complementaria e involucra interacciones bioquímicas favorables, esas moléculas podrán unirse potencialmente in vitro o in vivo .
  • 4. Interacciones Droga-Receptor RECEPTOR (E) DROGA (D) COMPLEJO DROGA-RECEPTOR
  • 5. Si consideramos la unión no covalente entre el receptor (típicamente una enzima, E) y una droga (D). La ecuación que caracteriza esa unión es: Definimos una constante de unión (k b ) como: E + D ED
  • 6. La energía libre de unión (ΔG b ) se puede calcular con la relación: Donde R es la constante de los gases ideales (8.31 J K -1 mol -1 ) y T es la temperatura absoluta en K
  • 7. Cuando el valor de la energía libre de unión se hace menor, aumenta la fuerza de la unión D-E. ΔG b > 0 proceso no espontáneo, k b pequeña ΔG b < 0 proceso espontáneo, k b grande
  • 8. DISEÑO TRADICIONAL Generación de líderes: Ligando natural / Screening Pruebas Biológicas Síntesis de nuevos compuestos Ciclo del Diseño de Drogas Si es prometedor Estudios pre-clínicos
  • 9. Diseño basado en la estructura (SBDD) Biología Molecular & Química proteica Determinación de la estructura 3D del blanco y del Complejo blanco-ligando Modelado Análisis estructural y diseño del compuesto Ensayos biológicos Síntesis de nuevos compuestos Si es prometedor Estudios pre-clínicos Ciclo del diseño de drogas Ligando natural/ Screening
  • 10. Diseño de drogas basado en la estructura
    • SBDD:
        • Blanco de las drogas (usualmente proteínas)
        • Unión de los ligandos a su blanco (docking)
        • Diseño “ racional ”
        • (beneficios = se ahorra tiempo y $$)
  • 11. Molecular Docking
    • El MD se ha vuelto una técnica vital en el diseño de drogas modernas. Más y más estructuras de receptores son subidas al Protein Data Bank (PDB), lo cual las hace disponible como blanco para el docking.
    El empleo de modernos sistemas computacionales potenció el screening con bases de datos de millones de compuestos.
  • 12. Desde el desarrollo en los 80s del primer algoritmo por Kuntz et al., se han creado una variedad de aproximaciones y herramientas para resolver el problema del docking. Debido al uso de diferentes herramientas para diferentes blancos y la diversidad de criterios en los estudios, es difícil comparar las herramientas para docking. “ ¿Cómo podemos elegir el programa que será de utilidad para los blancos de interés? ” (Leach et al.)
  • 13. Todas las aproximaciones al docking comparten el problema del orden correcto de soluciones ( scoring step ). La mayoría de los estudios muestra que las herramientas fallan en colocar la conformación nativa al principio de la lista de resultados y que no hay correlación entre las energías de unión medidas y predichas. Por lo tanto el scoring step es considerado el paso más importante en la generación de resultados del docking. A pesar de estos problemas el docking puede servir como una herramienta rápida de screening virtual ( virtual screening , VS).
  • 14. Introducción a AutoDock
  • 15. AutoDock es una suite de herramientas para docking automático. Está diseñado para predecir cómo las moléculas pequeñas, tales como sustratos o drogas, se unen a un receptor de estructura conocida. Las distribuciones actuales de AutoDock consisten en dos generaciones de software: AutoDock 4 y AutoDock Vina.
  • 16. Autodock 4 actualmente consiste en dos programas principales: autodock realiza el docking del ligando a una serie de mallas ( grids ) que describen la proteína blanco; autogrid precalcula esta malla. AutoDock Vina no requiere elegir los tipos de átomos y precalcular el mapa de la malla (grid maps). En su lugar, calcula las mallas internamente, para los tipos de átomos que lo necesitan, y lo hace rápidamente. Además se ha desarrollado una interfaz gráfica llamada AutoDockTools (ADT), que, entre otras cosas, sirve para elegir los enlaces rotables en el ligando y para analizar resultados.
  • 17.
    • AutoDock tiene aplicaciones en:
    • Cristalografía de rayos-X
    • Diseño basada en la estructura molecular
    • Optimización líder
    • Screening virtual
    • Diseño de librerías combinatorias
    • Docking proteína-proteína
    • Estudios de mecanismos bioquímicos
  • 18. AutoDock 4 está disponible gratuitamente bajo la licencia GNU General Public Licence ( http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html ) AutoDock Vina está disponible bajo la licencia Apache 2.0 ( http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0.html ) disponible para uso y redistribución comercial y no-comercial.
  • 19. ¿Por qué AutoDock?
  • 20. Teoría
    • En el espectro de las aproximaciones al modelado ligando-receptor:
    • Dinámica molecular con solvente explícito
    • Dinámica molecular y mecánica molecular con solvente explícito
    • Docking molecular
    • Puede verse un incremento en el interés por el tiempo que lleva hacer esas simulaciones empleando computadoras .
  • 21. Dentro de lo que se asume mediante estas aproximaciones es el compromiso de una determinada distribución de la carga y protonación de las moléculas que no cambia, por ejemplo, entre su forma libre y unida. Adicionalmente, se asume que el receptor es rígido, y los ángulos y enlaces covalentes son constantes. Mientras que se considera que un pequeño grupo de enlaces es rotable ( rotatable bonds ). Aunque la dinámica molecular involucra energías (force fields), el docking está interesado en reproducir potenciales químicos, que determinan la conformación de unión preferida y la energía libre de unión (ΔG b ).
  • 22.
    • Función de scoring ( scoring function )
    • La forma funcional dependiente de la conformación de la función de scoring del AutoDock Vina (Vina a partir de ahora) trabaja con:
    Donde la sumatoria es sobre todo el par de átomos que se pueden mover relativamente a otro, excluyendo interacciones 1-4. Cada átomo i está asignado a un tipo t i y se define una un set de funciones de interacción f titj de una distancia interatómica r ij
  • 23. El valor c puede verse como la suma de la contribución intramolecular e intermolecular: El algoritmo de Vina trata de encontrar el menor valor de c.
  • 24. La energía libre de unión se calcula a partir de la conformación con el menor valor de scoring, se representa como 1: Donde g puede ser una función arbitraria (posiblemente no lineal). En la salida del programa ( output ) las otras conformaciones se calculan teniendo en cuenta el c intra del mejor modo de unión:
  • 25. Las funciones de interacción f titj , son definidas relativas a la distacia de superficie teniendo en cuenta los radios de Van der Waals R t : Función de scoring de Vina
  • 26.
    • La función de scoring h toma en cuenta los factores:
    • Estéricos
    • Hidrofóbicos
    • Puentes de hidrógeno
  • 27. Para comparar la exactitud de las predicciones de la estructura experimental, se emplea una medida de la distancia entre las estructuras experimentales y las predichas y toma en cuenta la simetría y simetría parcial Se denomina RMSD. Para dos estructuras a y b , de una molécula idéntica, RMSD se define como: Donde Y la sumatoria es sobre todos los N átomos pesados en la estructura a , el mínimo es sobre todos los átomos de la estructura b con el mismo tipo de átomo i en la estructura a
  • 28. Introducción al trabajo con Vina
  • 29. Para descargar los programas necesarios se debe ir a http://autodock.scripps.edu/downloads
    • Allí se encuentran:
    • AutoDock Vina ( http://vina.scripps.edu/download.html)
    • AutoDock Tools ( http://mgltools.scripps.edu/downloads)
    • PyRx ( http://pyrx.scripps.edu/downloads )
  • 30.
    • Pasos
    • Obtener la estructura de la proteína
    • Crear archivos que contengan sólo la proteína
    • Usar un ligando conocido (no el suyo) para definir el sitio de unión
    • Generar un archivo de la estructura modificada
    • Usar los archivos con el software
    • Extraer la conformación predicha y crear un nuevo archivo conteniendo el ligando unido a la proteína.
  • 31. ¿Cómo obtener la estructura del blanco? Gran cantidad de estructuras se encuentran disponibles en el Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/
  • 32.
    • ¿Cómo visualizar el archivo?
    • Existen múltiples programas gratuitos para ello:
    • Rasmol
    • Avogadro
    • JMV - Java Molecular Viewer
    • Jmol
    • UCSF Chimera
    • RasTop
    • ArgusLab
    • PyMol
    • VMD
  • 33. Edición del archivo .PDB con UCSF Chimera ( http://plato.cgl.ucsf.edu/chimera/ ) Selección y eliminación de los co-factores, ligandos, solvente, iones, etc. Se guarda la estructura generada como un nuevo archivo PDB 3LN1 (COX-2)
  • 34.
    • Con AutoDockTools elegimos el espacio en el cual trabajar. Se debe definir:
    • Centro de la caja (x, y, z)
    • Tamaño de la caja (x, y, z)
    Luego guardamos la proteína en el formato nativo .PDBQT
  • 35.
    • Diseño del ligando
    • Se puede trabajar con el formato PDB o Mol2. Para generar estos archivos se emplea alguno de los editores que usamos diariamente:
    • ACDLabs ( http://www.acdlabs.com/download/ )
    • ChemDraw
    • XDrawChem ( http://xdrawchem.sourceforge.net/ )
    • MarvinSketch ( http://www.chemaxon.com/ )
    • En caso de tener la estructura en otro formato puede emplearse OpenBabel para convertirlos a PDB o Mol2 ( http://openbabel.org/wiki/Main_Page ).
  • 36. Con ADT se edita el ligando para convertirlo al formato nativo de AutoDock: .PDBQT el cual posee información acerca de la carga y los enlaces rotables.
  • 37. Ejecución de Vina Ya teniendo preparados el ligando y el receptor se procede a ejecutar el comando vina . En sistemas UNIX se emplea una ventana de terminal y en sistemas Windows una ventana de comandos. Los archivos .PDBQT y el ejecutable vina deben estar en la misma carpeta
  • 38. Para trabajar cómodamente se puede crear un archivo de texto que contenga todos los parámetros necesarios para ejecutar el algoritmo: receptor = estructura del receptor (PDBQT) ligand = ligando (PDBQT) center_x = coordenada X del centro center_y = coordenada Y del centro center_z = coordenada Z del centro size_x = tamaño en X (Angstroms) size_y = tamaño en Y (Angstroms) size_z = tamaño en Z (Angstroms) out = archivo de salida (PDBQT) log = archivo de texto con los datos
  • 39.
    • El tiempo que le tomará al programa procesar las estructuras variará de acuerdo a los parámetros seleccionados y al hardware empleado (procesador y RAM).
    • Vina se encuentra diseñado para trabajar con los modernos procesadores multi-núcleo (Intel ó AMD).
    • Al finalizar los cálculos se ofrecerán los resultados en dos formatos:
    • Un archivo de texto con los valores de ΔG b (en kcal/mol)
    • Un archivo PDBQT con la conformación de los mejores resultados
  • 40. El archivo PDBQT se abre con PyMol ( http://www.pymol.org/ ) y se guarda en formato PDB
  • 41. Con PyMol y/o con Chimera se puede realizar la superposición de las estructuras calculadas y la proveniente de la proteína cristalizada A su vez se pueden estudiar las interacciones hidrofóbicas, los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals, etc.
  • 42.  
  • 43. Muchas veces, tenemos que lidiar con gran número de compuestos. Los mismos pueden tener actividad biológica conocida o puede, simplemente, que se realice el docking como un paso previo a la síntesis y ensayo del compuesto. Compatible con AutoDock Vina y AutoDock 4, está PyRx . Es un programa ideal para trabajar con muchos ligandos. Su interfaz gráfica es amigable para el usuario y ofrece la ventaja de poder trabajar directamente con las estructuras en formato PDB ya que el software se encarga de convertirlos internamente. Virtual Screening
  • 44. Ejemplos de docking
  • 45. Estudio del complejo naproxeno : COX-2 Naproxeno COX-2 (PDB: 3NT1)
  • 46. Superposición de la estructura calculada (violeta) con respecto a la estructura cristalina en el sitio de acción de la COX-2 (blanca)
  • 47. Complejo Flurbiprofeno : COX-1 COX-1 (PDB: 3N8W) Flurbiprofeno
  • 48. Superposición de la estructura calculada (violeta) con respecto a la estructura cristalina en el sitio de acción de la COX-1 (blanca)
  • 49.
    • Conclusiones sobre AutoDock Vina
    • Es nuevo (2009)
    • Es fácil de usar
    • Es rápido en comparación con otros programas/algoritmos
    • Permite Multithreading
    • Permite virtual screening
    • Es gratuito
  • 50. Conclusiones Generales
    • Existe una necesidad cada vez mayor de ahorrar tiempo y dinero en investigación de nuevos compuestos.
    • El docking molecular puede ser aplicado en:
    • Identificación de los compuestos activos
    • Optimización de ligandos líderes
    • A pesar de sus grandes ventajas, el docking no es el Santo Grial de la química medicinal. Se pueden obtener resultados que contradicen los datos experimentales.
  • 51.  
  • 52.