Métodos computacionales para Métodos computacionales para la predicción de la actividad la predicción de la actividad

biológica de moléculas biológica de moléculas pequeñas: Molecular Dockingpequeñas: Molecular Docking

Farm. Juan J. Casaljjcasal@ffyb.uba.ar

IntroducciónIntroducciónUna 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.

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.

Interacciones Droga-Interacciones Droga-ReceptorReceptor

RECEPTOR (E)DROGA (D)

COMPLEJO DROGA-RECEPTOR

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 (kb) como:

E + D ED

La energía libre de unión (ΔGb) 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

Cuando el valor de la energía libre de unión se hace menor, aumenta la fuerza de la unión D-E.

ΔGb > 0 proceso no espontáneo, kb pequeña

ΔGb < 0 proceso espontáneo, kb grande

DISEÑO TRADICIONAL

Generación de líderes: Ligando natural / Screening

Pruebas Biológicas

Síntesis de nuevos compuestos

Ciclo del Diseño de DrogasCiclo del Diseño de Drogas

Si es prometedor

Estudios pre-clínicos

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 drogasCiclo del diseño de drogas

Ligando natural/ Screening

Diseño de drogas Diseño de drogas basado en la basado en la estructuraestructura

• SBDD:• Blanco de las drogas (usualmente

proteínas)• Unión de los ligandos a su blanco

(docking) ↓ Diseño “racional”

(beneficios = se ahorra tiempo y $$)

Molecular DockingMolecular DockingEl 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.

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.)

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).

Introducción a Introducción a AutoDockAutoDock

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.

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.

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

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.

¿Por qué AutoDock?

TeoríaTeoríaEn el espectro de las aproximaciones al modelado ligando-receptor:1.Dinámica molecular con solvente explícito2.Dinámica molecular y mecánica molecular con solvente explícito3.Docking molecularPuede verse un incremento en el interés por el tiempo que lleva hacer esas simulaciones empleando computadoras.

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 (ΔGb).

Ejemplos de dockingEjemplos de docking

Estudio del complejo naproxeno : COX-2

Naproxeno

COX-2 (PDB: 3NT1)

Superposición de la estructura calculada (violeta) con respecto a la estructura cristalina en el sitio de acción de la COX-2 (blanca)

Complejo Flurbiprofeno : COX-1

COX-1 (PDB: 3N8W)

Flurbiprofeno

Superposición de la estructura calculada (violeta) con respecto a la estructura cristalina en el sitio de acción de la COX-1 (blanca)

Conclusiones Conclusiones GeneralesGenerales

• Existe una necesidad cada vez mayor de ahorrar tiempo y dinero en investigación de nuevos compuestos.

• El docking molecular puede ser aplicado en:1. Identificación de los compuestos activos2. 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.