MODELLISTICA MOLECOLARE

Interazione farmaco-recettore Perché un farmaco possa esplicare la propria azione deve interagire con un bersaglio chiamato recettore. FarmacoRecettore Complesso farmaco-recettore Effetto biologico AffinitàPotenza Tipologie di recettori: Enzimi Inibizione Proteine Recettori per mediatori chimici Attivazione Inibizione Acidi nucleici

DOCKING Il docking permette di studiare come una molecola si lega ad una macromolecola biologica (enzima, proteina, DNA, recettore) processo alla base del riconoscimento molecolare Nel docking si cerca di determinare la geometria del complesso intermolecolare formato fra le due molecule (R- ligando) L’energia di binding è la differenza di energia fra il complesso e le due molecole separate Il solvente (acqua) gioca un ruolo importante

Applicazioni Stima dell’energia 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

Lo studio di docking può essere effettuato quando: - È nota la struttura 3D del target recettoriale CONDIZIONE NECESSARIA PROTEIN DATA BANK Importante banca dati di strutture cristallografiche di enzimi, recettori, acidi nucleici e, in generale, macromolecole biologiche ottenuti soprattutto grazie alla cristallografia ai raggi X o alla spettrografia NMR

Difrattometria a raggi X E’ la miglior metodica attualmente disponibile per la risoluzione di strutture tridimensionali. E’ necessario disporre del cristallo della molecola da analizzare, cosa non sempre facile da ottenere. Il cristallo si deteriora durante l’analisi per via dell’alta energia dei raggi X. Fornisce un’immagine statica di una realtà fisica (cristallo) che non coincide con quella biologica. I cristalli delle macromolecole possono contenere un elevato numero di molecole d’acqua. Molecole d’acqua Struttura secondaria

LE PROTEINE Sono catene di almeno a.a. (al di sotto di parla di PEPTIDI). Possono essere costituite da una o più subunità. Una proteina è caratterizzata da: Struttura primaria : la sequenza di amminoacidi. Struttura secondaria : sotto-strutture altamente modellate – alfa elica e beta foglietto – o segmenti di catena che assumono una forma non stabile. Descrive la formazione di legami idrogeno tra i gruppi CO e NH dello scheletro polipeptidico di amminoacidi adiacenti nella struttura primaria Struttura terziaria : la forma globale di una singola molecola proteica, ossia la relazione spaziale del modello della struttura secondaria con un altro. Descrive il ripiegamento nello spazio della catena polipeptidica. Struttura quaternaria : la forma o la struttura che risulta dall’unione di più molecole proteiche, solitamente definite subunità proteiche, (Proteine oligomeriche) La struttura quaternaria descrive l’assemblaggio delle diverse subunità

Alterazioni della struttura primaria di una proteina (sostituzione anche di un solo residuo amminoacidico) ne possono alterare drasticamente la funzionalità STRUTTURA PRIMARIA

alfa elica beta foglietto S. SECONDARIA

Alfa elica Nell’alfa elica il gruppo CO di un amminoacido forma un ponte ad idrogeno col gruppo NH del quarto amminoacido successivo. Questo è possibile quando i due gruppi interessati si vengono a trovare in linea uno sull’altro per mezzo di un ripiegamento ad elica La lunghezza media di un’alfa-elica è di 10 amminoacidi ma può variare dai 5 ai 40 amminoacidi L’elica è di norma destrorsa. Raramente possono trovarsi corte eliche di 3-5 amino acidi sinistrorse. Una alfa elica sinistrorsa si trova raramente nelle proteine perché le catene laterali interferirebbero stericamente con la catena principale i legami a H sono unidirezionali e paralleli all’asse dell’elica le catene laterali sono rivolte verso l’esterno e verso l’estremità N-terminale dell’elica (struttura ad “albero di Natale”)

Foglietto-beta Le catene polipeptiche si dispongono una accanto all’altra, questa struttura è stabilizzata da leg a H che si formano tra segmenti adiacenti della catena polipeptidica Sono formati da legami idrogeno fra gruppi NH e CO di 5-10 aminoacidi consecutivi di una porzione della catena polipeptidica con altri 5-10 aminoacidi presenti in un’altra regione della proteina Hanno una caratteristica conformazione a “zig-zag”. Le porzioni di sequenza legate possono avere: la stessa direzione: si definiscono foglietti-beta paralleli le due catene hanno lo stesso orientamento ammino- carbossi terminale la direzione opposta: si definiscono foglietti-beta antiparalleli, orientamento ammino-carbossi opposti

Beta foglietto ANTIPARALLELO Beta foglietto PARALLELO

La struttura terziaria di una proteina rappresenta la disposizione nello spazio tridimensionale degli a.a., è definita dai legami e dalle interazioni tra i gruppi R degli amminoacidi. I tipi di legame che stabilizzano la s. terziaria sono: legami ionici; interazioni idrofobiche; legami a idrogeno; legami disolfurici. LEGAMI NON COVALENTI LEGAMI COVALENTI QUESTI LEGAMI CONSENTONO L’UNIONE DI PARTI ANCHE LONTANE DI UNA SEQUENZA AMMINOACIDICA S. TERZIARIA

Gli amminoacidi sono generalmente classificati a seconda della polarità delle loro catene laterali. Si possono quindi distinguere 3 gruppi di amminoacidi: - Gruppo R non polare - Gruppo R polare non carico - Gruppo R polare carico

FASI DI UNO STUDIO DI DOCKING 1)SCELTA DELLA PROTEINA(eventuale scelta della catena opportuna, valutazione dell’importanza dell’acqua…) 2)COSTRUZIONE DEI LIGANDI 3) OTTIMIZZAZIONE DELLA GEOMETRIA (la configurazione stabile di una molecola è quella di minima E) 4) DOCKING 5) STUDIO DEI RISULTATI (scelta della conformazione, studio delle interazioni, valutazione della E di binding)

Caratteristiche ideali del docking automatico Accuratezza dell’attribuzione dello score per ciascun orientamento ligando-recettore calcolato. Pertinenza delle proprietà considerate nell’attribuzione dello score in relazione allo specifico sistema ligando-recettore. Rapidità nella generazione dei complessi. Interfaccia con banche dati di molecole per il virtual screening. Ligando Recettore Complesso ligando- recettore Complesso ligando- recettore Algoritmo di docking Valutazione dello score Classificazione del complesso Classificazione del complesso

Funzione di score Permette di valutare la complementarità chimico-fisica e geometrica fra ligando e recettore in un complesso. E’ l’elemento più critico di un metodo di docking. Score = C s + C i + E NB + E Des +... C s = complementarità sterica; C i = contributo idrofobico; E NB = energia di non legame; E Des = energia di desolvatazione.  score  interazione ligando recettore

Progettazione razionale di molecole bioattive Può avvenire secondo: Approccio indiretto: - la struttura del recettore è ignota; - utilizzo di metodiche QSAR (relazioni struttura-attività quantitative). Approccio diretto: - la struttura del recettore è nota; - utilizzo di metodiche di docking molecolare. L’obiettivo di entrambi gli approcci è quello di ottenere un modello chiamato farmacoforo sulla base del quale verranno progettate le nuove molecole.

Il farmacoforo E’ l’insieme delle sottostrutture della molecola di un farmaco necessarie all’interazione col recettore. Tasca recettoriale Farmaco