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Docking. Il problema del docking molecolare Date due molecole di cui sono note le geometrie 3D il docking si pone di rispondere a: Le due molecole si.

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Presentazione sul tema: "Docking. Il problema del docking molecolare Date due molecole di cui sono note le geometrie 3D il docking si pone di rispondere a: Le due molecole si."— Transcript della presentazione:

1 Docking

2 Il problema del docking molecolare Date due molecole di cui sono note le geometrie 3D il docking si pone di rispondere a: Le due molecole si legano tra di loro?Le due molecole si legano tra di loro? Quanto vale lenergia di interazione? (binding energy)Quanto vale lenergia di interazione? (binding energy) Qualè la geometria del complesso fra le due molecole?Qualè la geometria del complesso fra le due molecole? Problemi di docking in biochimica: Docking proteina-molecolaDocking proteina-molecola Docking DNA-molecolaDocking DNA-molecola Docking proteina-proteinaDocking proteina-proteina Docking proteina-DNADocking proteina-DNA

3 Importanza del docking Il riconoscimento molecolare è un fenomeno di enorme importanza in biologia Enzima substrato, inibitoreEnzima substrato, inibitore Anticorpo antigeneAnticorpo antigene Recettore ligando (agonista, antagonista) Recettore ligando (agonista, antagonista) Strutture di complessi proteina-ligando raggi Xraggi X NMRNMR Importanza in chimica farmaceutica Ligando = Molecola con azione farmacologica?Ligando = Molecola con azione farmacologica? Il docking permette di studiare come una molecola si lega ad una macromolecola biologica (enzima, proteina, DNA, recettore) processo alla base del riconoscimento molecolare Il docking permette di studiare come una molecola si lega ad una macromolecola biologica (enzima, proteina, DNA, recettore) processo alla base del riconoscimento molecolare

4 Generalità sul docking Lassociazione fra le due molecole è basata su interazioni: Van der WaalsVan der Waals ElettrostaticheElettrostatiche Legami idrogenoLegami idrogeno Le interazioni corrispondenti sono deboli e a corto raggio Complementarietà geometricaComplementarietà geometrica Complementarietà chimicaComplementarietà chimica Nel docking si cerca di determinare la geometria del complesso intermolecolare formato fra le due molecole Lenergia di binding è la differenza di energia fra il complesso e le due molecole separate Il solvente (acqua) gioca un ruolo importanteIl solvente (acqua) gioca un ruolo importante Lentropia ha un impatto significativo sul binding.Lentropia ha un impatto significativo sul binding.

5 Aspetti Energetici Interazioni a corto raggio implicano elevata complementarietà geometrica fra le superfici a contatto: docking geometrici Ligando e proteina sono conformazionalmente flessibili La stima dellenergia è difficoltosa (energie conformazionali, effetto del solvente, effetto entropico, energia elettrostatica,..)

6 Energia di binding

7 Applicazioni Stima dellenergia di binding target-ligando Predizione della geometria del complesso target-ligando Principale campo di applicazione delle tecniche di docking è lo studio delle proprietà (energia e geometria) di binding di potenziali nuovi farmaci: -Modalità di binding di farmaci già noti -Ricerca di molecole potenzialmente attive su nuovi target recettoriali (virtual screening) -Previsione in silico della potenziale attività farmacologica di nuove molecole

8 Peculiarità del docking La ricerca farmaceutica richiede elevate prestazioni (arrivare a risultati plausibili in poco tempo), per cui tutte le tecniche di docking impiegate in questo ambito puntano a: -Sfruttare al meglio tutte quello che si conosce del sistema target-ligando in oggetto -Impiegare algoritmi specializzati per la ricerca della geometria di binding -Impiegare funzioni parametrizzate per la stima dellaffinità target-ligando e per la previsione della geometria di binding

9 Condizioni iniziali Lo studio di docking può essere effettuato quando: -È nota la struttura 3D del target recettoriale -Sono note le principali interazioni target-ligando -La struttura di target e ligando sono compatibili con la parametrizzazione dei modelli impiegati -Le dimensioni e la complessità del sistema possono essere trattati dai modelli impiegati Quasi tutte le condizioni citate sono soddisfatte quando è possibile trovare la struttura di complessi co-cristallizzati del target con molecole simili al ligando in oggetto.

10 Protein Data Bank (PDB) Un organismo che si occupa di raccogliere, catalogare, classificare e rendere disponibile a chiunque i dati cristallografici relativi ad enzimi, recettori, acidi nucleici e, in generale, macromolecole biologiche. Tutti possono accedere, consultare e scaricare strutture Xray dallarchivio PDB, Esistono anche siti o applicazioni specifiche per la consultazione guidata del dati presenti sul PDB. Tutti i programmi di modelling sono in grado di leggere i files depositati nellarchivio PDB.

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12 Funzioni di score L enorme mole di dati strutturali disponibili tramite larchivio PDB, è stata ed è fondamentale per lo sviluppo di metodi di docking validi. Lobiettivo più importante è sviluppare metodi di docking in grado di prevedere la geometria di binding tramite una funzione che stima laffinità tra target e ligando. Questa funzione viene generalmente indicata con il nome di funzione di score. Effettivamente, i diversi programmi di docking finora sviluppati si differenziano proprio in base alla funzione di score e allalgoritmo di ricerca.

13 Finora sono state implementate diversi tipi di funzioni di score e, quasi certamente, negli anni la lista è destinata ad aumentare. Attualmente, possiamo distiguere tra classi principali: Force field based: la stima dellaffinità target-ligando viene effettuata tramite la meccanica molecolare. Force field based: la stima dellaffinità target-ligando viene effettuata tramite la meccanica molecolare. Knowledge based: funzioni che stimano la probabilità di avvicinamento tra atomi del ligando ed atomi del target. Knowledge based: funzioni che stimano la probabilità di avvicinamento tra atomi del ligando ed atomi del target. Consensus scoring: lo scoring complessivo è dato dalla combinazione di più funzioni di score. Consensus scoring: lo scoring complessivo è dato dalla combinazione di più funzioni di score.

14 Approcci al docking Target Rigido: gli atomi del target sono fissi durante la ricerca della geometria di binding ( cruciale la scelta della struttura inziale del target)Rigido: gli atomi del target sono fissi durante la ricerca della geometria di binding ( cruciale la scelta della struttura inziale del target) Semi-rigido: alcuni atomi del sito di binding possono adattarsi al binding del ligandoSemi-rigido: alcuni atomi del sito di binding possono adattarsi al binding del ligando Flessibile: le conformazioni di target e ligando si adattano reciprocamente( attualmente si può fare solo con la dinamica molecolare, non con il docking)Flessibile: le conformazioni di target e ligando si adattano reciprocamente( attualmente si può fare solo con la dinamica molecolare, non con il docking)Ligando Rigido: nel docking sono ricercate la posizione e lorientamento di una conformazione fissa del ligando nel sito recettoriale.Rigido: nel docking sono ricercate la posizione e lorientamento di una conformazione fissa del ligando nel sito recettoriale. Flessibile: nel docking sono ricercate la posizione, lorientamento e la conformazione del ligando nel sito recettoriale.Flessibile: nel docking sono ricercate la posizione, lorientamento e la conformazione del ligando nel sito recettoriale.

15 Variabili del docking x cm, y cm, z cm,,,, 1, 2 1, 2 Una combinazione delle 6+n variabili definisce la posa di un ligando.

16 Algoritmi Genetici (GA) Sono algoritmi di ricerca del minimo globale basati sullanalogia con la genetica e levoluzioneSono algoritmi di ricerca del minimo globale basati sullanalogia con la genetica e levoluzione Genotipo: ogni posa è individuata da un cromosoma, a sua volta formato da 6+n geni:Genotipo: ogni posa è individuata da un cromosoma, a sua volta formato da 6+n geni: - 3 coordinate del centro di massa - 3 coordinate del centro di massa - 3 angoli di Eulero - 3 angoli di Eulero - n angoli di torsione dei legami rotabili - n angoli di torsione dei legami rotabili Fenotipo: laffinità con il target (score) è lunico fattore che viene considerato nellevoluzione e si identifica con la fitness.Fenotipo: laffinità con il target (score) è lunico fattore che viene considerato nellevoluzione e si identifica con la fitness. Questi algoritmi di ricerca creano popolazioni di pose che di generazione in generazione evolvono trasmettendosi i caratteri ereditari sotto una costante pressione selettiva.Questi algoritmi di ricerca creano popolazioni di pose che di generazione in generazione evolvono trasmettendosi i caratteri ereditari sotto una costante pressione selettiva. Il meccanismo di trasmissione dei caratteri avviene in base a processi che mimano il rimescolamento dellinformazione genica che si osservano in natura: mutazioni puntiformi e crossing-over.Il meccanismo di trasmissione dei caratteri avviene in base a processi che mimano il rimescolamento dellinformazione genica che si osservano in natura: mutazioni puntiformi e crossing-over. I parametri di controllo di questi algoritmi sono tipicamente il numero di generazioni, la pressione selettiva, il tasso di mutazione e crossing-over, il numero di nicchie evolutive, etc.I parametri di controllo di questi algoritmi sono tipicamente il numero di generazioni, la pressione selettiva, il tasso di mutazione e crossing-over, il numero di nicchie evolutive, etc.

17 Popolazione initiale di conformazioni: Ciascuna conformazione è rappresentata da un cromosoma Si calcola la funzione di fitness ( lenergia) per ciascun cromosoma Nel cromosoma, ciascuna torsione può essere rappresentata da uno dei 2 5 =32 valori corrispondenti a numeri binari a 5 cifre

18 Nuova popolazione ottenuta tramite gli operatori genetici: Selezione: solo gli individui con miglior fitness si riproducono Selezione: solo gli individui con miglior fitness si riproducono Crossover: Crossover: Mutazione puntuale: Mutazione puntuale:

19 Gold Fitness evaluation of individual with chromosome c: Build conformation according to c.Build conformation according to c. Superimpose matching interacting groups.Superimpose matching interacting groups. Calculate docking score: -E hydrogen bond – (E internal + E VdW-complex )Calculate docking score: -E hydrogen bond – (E internal + E VdW-complex ) Genetic operators Cross overCross over MutationMutation MigrationMigration Operators randomly selected runs, each with up to genetic operations.

20 Gold Validation: Good 4PHV - A peptide-like ligand docked into HIV protease

21 Gold Validation: Close 1GLQ - A nitrophenyl-substituted peptide ligand docked into glutathione-S-transferase

22 Algoritmi a ricerca gerarchica Lalgoritmo effettua un search conformazionale preliminare allo scopo di generare un numero elevato di conformeri del ligando.Lalgoritmo effettua un search conformazionale preliminare allo scopo di generare un numero elevato di conformeri del ligando. La popolazione di conformeri viene sottoposta ad una serie di test, via via più restrittivi, per individuare un numero ristretto di candidati.La popolazione di conformeri viene sottoposta ad una serie di test, via via più restrittivi, per individuare un numero ristretto di candidati. Viene effettuato lo scoring dei conformeri così ottenuti; quelli corrispondenti alle pose migliori vengono considerati per una fase successiva di rescoring, in cui viene stimata in maniera più accurata linterazione tra target e ligando.Viene effettuato lo scoring dei conformeri così ottenuti; quelli corrispondenti alle pose migliori vengono considerati per una fase successiva di rescoring, in cui viene stimata in maniera più accurata linterazione tra target e ligando.

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24 Docking con Glide Preparazione della proteina ed del ligando: la funzione di score implementata in Glide usa il campo di forze OPLS il programma deve assegnare i parametri del FF agli atomi del target e del ligando.Preparazione della proteina ed del ligando: la funzione di score implementata in Glide usa il campo di forze OPLS il programma deve assegnare i parametri del FF agli atomi del target e del ligando. Calcolo dei campi molecolari di interazione: il sito di binding del target viene mappato con griglie tridimensionali (Grid Generation). Il mapping renderà lo scoring (eseguito nella succesiva fase di docking) molto più rapido ed efficiente.Calcolo dei campi molecolari di interazione: il sito di binding del target viene mappato con griglie tridimensionali (Grid Generation). Il mapping renderà lo scoring (eseguito nella succesiva fase di docking) molto più rapido ed efficiente. Docking: le pose del ligando vengono calcolate, filtrate ed i risultati vengono elaborati per renderli disponibili allutente.Docking: le pose del ligando vengono calcolate, filtrate ed i risultati vengono elaborati per renderli disponibili allutente.


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