Docking (ou atracamento) Molecular. Profa. Dra. Rafaela Ferreira Dept. de Bioquímica e Imunologia 9 de outubro de 2014

Transcrição

1 Docking (ou atracamento) Molecular Profa. Dra. Rafaela Ferreira Dept. de Bioquímica e Imunologia rafaelasf@gmail.com 9 de outubro de 2014

2 O ATRACAMENTO MOLECULAR PERMITE ESTIMAR COMO DUAS MOLÉCULAS INTERAGEM Proteína proteína DNA proteína Proteína - peptídeo Proteína pequena molécula

3 O ATRACAMENTO MOLECULAR PERMITE ESTIMAR COMO DUAS MOLÉCULAS INTERAGEM

4 OBJETIVOS DO ATRACAMENTO MOLECULAR 1. Predizer como duas moléculas interagem 2. Estimar a energia de interação

5 O ATRACAMENTO MOLECULAR DE PEQUENAS MOLÉCULAS APRESENTA DIVERSAS APLICAÇÕES 1. Cálculo do modo de ligação de um ligante já conhecido

6 O ATRACAMENTO MOLECULAR DE PEQUENAS MOLÉCULAS APRESENTA DIVERSAS APLICAÇÕES 2. Planejamento de novos ligantes 3. Aplicação em triagem virtual de bases de dados

7 ETAPAS DO ATRACAMENTO MOLECULAR 1. Amostragem de possíveis modos de ligação 2. Pontuação de cada orientação do ligante Acoplamento (Sampling) Pontuação (Scoring)

8 1a etapa: escolha do sítio de ligação Frequentemente o atracamento é realizado em um sítio para o qual haja um ligante biológico

9 1a etapa: escolha do sítio de ligação Definição da área de ligação a partir de um ligante DOCK

10 1a etapa: escolha do sítio de ligação Definição de grid onde o atracamento será explorado AutoDock, AutoDock Vina

11 1a etapa: escolha do sítio de ligação Detecção de cavidades na proteína Definição de esfera a partir de um ponto Molegro

12 2a etapa: avaliação de diversos modos de interação Nos primórdios do atracamento molecular: Representação única do ligante Docagem de corpo rígido Moléculas são flexíveis!

13 Como considerar a flexibilidade de uma molécula? Possíveis parâmetros: Comprimento de ligação FIXO Ângulo de ligação FIXO Ângulos torsionais

14 DEFINIÇÃO DOS GRAUS DE LIBERDADE DO LIGANTE

15 ACOPLAMENTO Conformações pré-definidas Conformação inicial Variação dos ângulos torsionais Diversas conformações geradas Cálculo da energia de cada conformação Seleção de X conformações de menor energia

16 ACOPLAMENTO Conformações pré-definidas Rápido Lorber DM, Shoichet BK Curr Top Med Chem, 2005

17 ACOPLAMENTO Conformações pré-definidas Lorber DM, Shoichet BK Curr Top Med Chem, 2005

18 ACOPLAMENTO Construção incremental Explora conformações mais relevantes Moitessier et al. Br J Pharmacol. 2008

19 ACOPLAMENTO Algoritmos genéticos População única ou várias populações Moitessier et al. Br J Pharmacol. 2008

20 ACOPLAMENTO Algoritmo genético Lamarckiano Minimização a cada geração energia

21 ACOPLAMENTO Monte Carlo Monte Carlo Moitessier et al. Br J Pharmacol. 2008

22 3a etapa: Qual é o modo de ligação mais favorável? Inicialmente: Complementaridade espacial Mas e a complementaridade química? E os fatores entrópicos?

23 Proteína + ligante isoladamente Complexo proteína -ligante +

24 Funções de pontuação podem ter diversas bases teóricas Físico-química Empírica Baseada no conhecimento (knowledge based)

25 FUNÇÕES DE PONTUAÇÃO FÍSICO QUÍMICA Termos de origem físico-química, provenientes de campos de força Peso dos termos não são ajustados a experimentos

26 FUNÇÕES DE PONTUAÇÃO FÍSICO QUÍMICA Função de avaliação do DockThor: Neval = número de avaliações, maxeval = número máximo de avaliações, c=0.5 Termo de van der Waals é lentamente introduzido Magalhaes et al. 2006

27 FUNÇÕES DE PONTUAÇÃO - EMPÍRICA Uso de conjunto de dados experimentais para ajustar função Tenta reproduzir valores experimentais de ΔG

28 FUNÇÕES DE PONTUAÇÃO BASEADA NO CONHECIMENTO Princípio: explorar a informação disponível sobre complexos proteína-ligante

29 FUNÇÕES DE PONTUAÇÃO BASEADA NO CONHECIMENTO Átomos identificados pelo tipo atômico Análise dos dados cristalográficos Distâncias, ângulos comuns entre tipos atômicos em complexos já conhecidos Função de pontuação

30 AVALIAÇÃO DO RESULTADOS DE DOCKING: REPRODUÇÃO DE POSES CRISTALOGRÁFICAS? Comparação entre poses docadas e estruturas cristalográficas de complexos RMSD (Root Mean Square Deviation) RMSD < 2 Å? Predição das principais interações com a proteína? Babaoglu, K. et al. J. Med. Chem., 2007

31 Preparação do receptor e dos ligantes

32 PREPARAÇÃO DE LIGANTES

33 PROTONAÇÃO DE LIGANTES Grupos básicos, protonados Grupos levemente ácidos, protonados Grupos levemente básicos, desprotonados Grupos ácidos,desprotonados Brink, T. & Exner, T.E. JCIM, 2009

34 PREPARAÇÃO DA PROTEÍNA RESÍDUOS FLEXÍVEIS? INCLUSÃO DE ÁGUAS? PROTONAÇÃO DE RESÍDUOS CONFORMAÇÃO DE AMIDAS (Asn/ Gln) Jacobson, M. P. et al. J Mol Biol, 2002 Li, X. et al.. Proteins, 2007; Vriend, G. J Mol Graph, 1990 Huang, N. & Shoichet, B. K. J Med Chem, 2008

35 PROTEÍNAS APRESENTAM DIVERSOS NÍVEIS DE FLEXIBILIDADE

36 ESCOLHA DE UMA ESTRUTURA RÍGIDA Estruturas de maior resolução Estruturas em presença de ligantes comparar estruturas

37 CONSIDERAÇÃO DE DIVERSAS ESTRUTURAS

38 CONSIDERAÇÃO DE DIVERSAS ESTRUTURAS Quais estruturas considerar? Cristalografia Dinâmica molecular Como considerar os resultados contra cada estrutura? Média Melhor resultado Alternativa: possibilidades exploradas de forma dinâmica durante o atracamento

39 MODELAGEM COMPARATIVA O número de sequências de proteínas conhecido é muito maior que o de estruturas Certos alvos moleculares são difíceis de cristalizar Ex: receptores acoplados a proteína G Receptor β2 adrenérgico 39

40 MODELAGEM COMPARATIVA Sequência Proteína A homologia Proteína B Estrutura? 40

41 ANÁLISE DE MOLÉCULAS DE ÁGUA NO SÍTIO Importância de águas no sítio ativo QUAIS MOLÉCULAS DE ÁGUA DEVEM SER MANTIDAS? Murray, C. et al. J. Med. Chem., 2010

42 PROTONAÇÃO DE RESÍDUOS Resíduo pk a da cadeia lateral Carga em ph 7,4 Asp 3,9-1 Glu 4,3-1 Arg 12,0 +1 Lis 11,1 +1 His 6,4 0 ou +1 Cys 8,5 0 Tyr 10,0 0 Lys pka ~ 11,1 Glu pka ~ 4,3 His pka ~ 6,4

43 INFLUÊNCIA DO MEIO SOBRE O pka - básico - básico +básico - ácido + ácido -ácido Golke, H., & Klebe, G., Angew. Chem., 2002

44 INFLUÊNCIA DO MEIO SOBRE O pka PROTEASE DO HIV

45 TAUTÔMEROS DE HIS E CONFORMAÇÃO DE ASN/GLN

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47 TUTORIAL - PYMOL Rafaela Ferreira

48 PARTE PROTONAÇÃO I: PREPARAÇÃO DE LIGANTES DE FIGURAS

49 PARTE PROTONAÇÃO I: PREPARAÇÃO DE LIGANTES DE FIGURAS

50 PARTE II: ANÁLISE PROTONAÇÃO DE INTERAÇÕES DE LIGANTES PROTEÍNA-LIGANTE

51 PARTE II: ANÁLISE PROTONAÇÃO DE INTERAÇÕES DE LIGANTES PROTEÍNA-LIGANTE

52 PARTE III: ALINHAMENTO PROTONAÇÃO E COMPARAÇÃO DE LIGANTES DE ESTRUTURAS Ciano estrutura apo; violeta complexo 1L2S

53 PROTONAÇÃO ENZIMA β-lactamase DE LIGANTES Principal responsável por resistência bacteriana a penicilinas. Penicilina degradada

54 PROTONAÇÃO ENZIMA β-lactamase DE LIGANTES Alvo molecular para desenvolvimento de antibióticos Inibidores de β-lactamase