Stereochimie et modélisation moléculaire

3.3) Importance des interactions non liantes Enonbonded  Evan _ der _ waals  Eelectrostatic Structure des protéines : repliement des protéines La protéine assemblée se replie pour former une structure tridimensionnelle précise Hexokinase Insuline Lysosyme Facteurs responsables du repliement : • Effet hydrophobe • Liaisons H • Liaisons ioniques • Ponts disulfures Liaison hydrogène Structure secondaire des protéines C || OH | HN | N H | N C H || | O N H | N C || O H | N C || O H | C H || H N C | O | || N C O N || C O || O C || O Chaque hydrogène des groupes amides et les oxygènes des groupes carbonyles forment des liaisons hydrogènes Structures tertiaires des protéines   La structure tertiaire résulte de l’interaction de chaînes terminales. Les protéines se replient pour former une structure tertiaire. Interactions possibles : - Solubilités identiques - Attractions ioniques - Attraction entre + et - des chaînes terminales - Liaison covalente (ponts disulfures)      Pont disulfure interaction hydrophob e -S-S- -COO- H3N+- Pont ionique Liaison hydrogène Structures quaternaires des protéines 2 chaînes  Ex. Hémoglobine : 2 chaînes alpha et 2 chaînes bêta 2 chaînes  3.4.) Principaux champ de forces Champ de forces : jeu de paramètres permettant de représenter différentes molécules. Cet ensemble (potentiel/fonction mathématique) est appelé champ de force.          MM2 / MM3 (Allinger) best; general purpose MMX (Gilbert) added TS’s, other elements; good MM+ (Ostlund) in HyperChem; general; good OPLS (Jorgenson) proteins and nucleic acids AMBER (Kollman) proteins and nucleic acids + BIO+ (Karplus) CHARMm; nucleic acids MacroModel (Still) biopolymers, general; good MMFF (Merck Pharm.) general; newer; good Sybyl in Alchemy2000, general (poor). Chacun de ces champ de force est spécialisé dans la modélisation d ’un certain type de molécules : - Oligonucléotides et ADN - Protéines ……. Exemple de champ de force : CFF91 Less repulsive than L-J 12-6 cross terms 3.5.) Comment évaluer : – Structures – Conformations – Le minimum global et les minimas locaux Comment évaluer les structures ? 1.78 Å 1.55 Å 91.5 º 1.46 Å -121.4 º 111.5 º 1.35 Å Biotin 1.25 Å Molecular structure: Either simple connectivity, detailed geometry or the implicit Global minimum Chaque molécule est caractérisée par des paramètres moléculaires : -longueur des liaisons degrés de liberté -angles de valence -angle de torsion 3 atomes 2 liaisons O-H 1 angle H-O-H 3 degré de liberté 14 atomes 13 liaisons 12 angle H-O-H 11 angles de torsion 36 degré de liberté 5000 atomes (N atomes) 15000 degrés de liberté (3N-6) E Comment évaluer les Conformations ? bioactive conformation atom coord protein fold global minimum ~ 3 5 = 243 local minima Biotin receptor complex Recherche systématique de conformères 3.5.) Les surfaces d’énergie potentielle (SEP)    Une surface d’énergie potentielle représente l’énergie du système en fonction de sa géométrie (des paramètres moléculaires) L’énergie est représentée sur un axe vertical, les paramètres géométriques sont représenté sur les axes horizontaux. La surface d’énergie potentielle peut être vue comme un paysage avec des vallées, montagnes, cols … Surface d’énergie potentielle d’une diatomique (exemple O-O) Surface d’énergie potentielle d’une triatomique (exemple CO 2) Cas général : La SEP est une « hypersurface » comportant 3N-6 coordonnées horizontales pour un système de N atomes Surface d’énergie potentielle (SEP) Paysage énergétique multi-dimensionnel Energy Caractérisation des points stationnaires (essentiellement les minima): 3.6.) Minimisation de l’énergie    Les atomes se déplacent pour diminuer les forces La plupart des méthodes permettent de trouver un minimum local Les méthodes de dynamique moléculaire permettent en fournissant de l ’énergie cinétique aux atomes de franchir des barrières énergétiques et d ’explorer la surface de potentiel. Minimisation d’énergie    Minimum local et minimum global Nombreux minima locaux et un seul minimum global Méthodes d’optimisation: Newton-Raphson, steepest descent, conjugate gradient,…. Minima local Minimum global Une méthode simple d’optimisation de géométrie E xyz total >0 Etotal E xyz total <0 Etotal 3.7.) Différentes étapes pour réaliser un calcul de mécanique molécuaire :      Construire une représentation graphique de la molécule : modes de représentation moléculaire Sélectionner un champ de force Effectuer une optimisation de géométrie Examiner le résultat : la géométrie est elle raisonnable? Rechercher un minimum global QuickTime™ et un décompresseur Animation sont requis pour visualiser cette image. QuickTime™ et un décompresseur Animation sont requis pour visualiser cette image. QuickTime™ et un décompresseur Animation sont requis pour visualiser cette image. Computer Modeling of Molecular Surface Molecular surface: a smooth three-dimensional contour about a molecule can be generated by rolling probing spheres on the surface atom represented by a group of spheres of Van der Waals radii. The image shows netropsin bound to double-stranded DNA (PDB entry 6bna). The DNA is shown with sticks and smooth ribbon, and has been colored with the command rainbow. Netropsin is colored by atom type and is in the ball-and-stick representation, with a transparent pink molecular surface. Hbonds detected with FindHBond (default settings) are shown as magenta wires with line width 5. Vitamin B Vitamin B HLA D) La conception d’un médicament assisté par ordinateur : Drug Design Application to Drug Discovery 1: identify disease 3: develop a drug to safely attack disease Chemistry Pharmacolog y Clinical Chemoinformatics Trials Comp. Chem. Molecular Modeling 2: identify key disease proteins Biology Bioinformatics R&D spending up, new drugs down Taken from http://www.newscientistj obs.com/biotech/ernst young/blues.jsp GENOMICS, PROTEOMICS & BIOPHARM. Potentially producing many more targets and “personalized” targets HIGH THROUGHPUT SCREENING Identify disease Screening up to 100,000 compounds a day for activity against a target protein VIRTUAL SCREENING Using a computer to predict activity Isolate protein COMBINATORIAL CHEMISTRY Rapidly producing vast numbers of compounds Find drug MOLECULAR MODELING Computer graphics & models help improve activity IN VITRO & IN SILICO ADME MODELS Tissue and computer models begin to replace animal testing Preclinical testing Une histoire lointaine… Les biologistes ont découvert que la protéase HIV-1 peut se lier a une molécule produite par le virus HIV, jouant ainsi un rôle important dans son cycle de vie. Il parassait intéressant d’utiliser les ordinateurs pour étudier le mode d’interaction. Qu’est ce qu’une drogue ?    La plupart des drogues sont des molécules pouvant se lier à une protéine réceptrice. La drogue est appelée ligands. Le ligand peut inhiber ou augmenter la fonction de la protéine en bloquant le site actif. Exemple de ligand. Bases expérimentales :   Cristallographie rayon X Cristallographie des protéines : • Obtention d’un crystal ordonné est difficile • Premier succès : hélices alpha et feuillets beta en 1950 (Pauling)  Spectroscopie RMN • Informations structurales et dynamiques. Masses limitées a 35 kDa • Les distances entre hydrogènes voisins est utilisée pour reconstruire la structure 3D TRADITIONAL DRUG DESIGN Lead generation: Natural ligand / Screening Biological Testing Drug Design Cycle If promising Synthesis of New Compounds Pre-Clinical Studies Structure-based Drug Design (SBDD) Natural ligand / Screening Molecular Biology & Protein Chemistry 3D Structure Determination of Target and Target-Ligand Complex Modelling Drug Design Cycle Structure Analysis and Compound Design Biological Testing If promising Synthesis of New Compounds Pre-Clinical Studies Proteines Examples: hormones , enzymes, antibodies. La fonction des protéines dépend de leur forme. Longue chaîne d’aminoacides (100-1000s). 20 amino-acides.     Le problème     Soit une protéine donnée : il faut trouver le ligand qui peut se lier d’un point de vue géométrique et énergétique. Le site de liaison est appelé site actif. Le processus conduisant à l’interaction est appelé docking moléculaire. Comment simuler un docking ? Les outils du drug design : le Docking Base de données de Ligands Proteine cible Docking moléculaire Ligand « docké » dans le site actif d’une protéine Example de molécule “dockée” H D/A H: Ring H: Ring D/A H Principe du docking   Ensemble d’outils automatiques pour simuler l’interaction d’un ligand avec un site actif. Le docking permet de prévoir comment une petite molécule (drogue) peut se lier à un récepteur (protéine) dont la structure 3D est connue. Identification du site de reconnaissance : Estrogen Receptor Representation de la Cavité HIV-1 Protease Modeling of molecular binding: Ligand-protein docking . . Modeling of molecular binding: Ligand-protein docking . . Fonction permettant d’évaluer l’interaction : Potential Energy Description: Potentiel Van der Waals + Electrostatic     E = Evan-der-Waals + EElectrostatic Les forces de VDW peuvent être utilisées pour simuler les collisions moléculaires. Les forces de VDW sont des forces à courtes distances. Les forces électrostatiques sont des forces à longue portées. Scoring Functions in Ligand-Protein Docking Evolution de l’énergie potentielle : Qualité des structures modélisées : structure X ligand naturel : Blue Mutant modélisé : Red structure X du mutant : Green Validation de la modélisation et des méthodes de docking (Rhodopsin)   A) Comparison of predicted (green) and xray structure (blue) of bovine Rhodopsin (RMS of TM regions of 3.1 Å) B) Comparison of the docked and x-ray structure of cis-retinal. AutoGrid Procedure    The protein is embedded in a three-dimensional grid. A probe atom is placed at each grid point. Each grid point stores the affinity energy of the probe atom. AutoGrid Procedure (Cont…) Ligand Protein AutoGrid Procedure (Cont…)    An affinity grid is calculated for each type of atom in the substrate. A grid of electrostatic potential is also calculated. The calculation time ~ number of atoms in the substrate. Quelques docking réels : Thermolysin protein with one of its known inhibitors Applications de Docking This Animation shows the transition from trypsinogen (brown) into trypsin (green). This transition changes the shape of the specificity pocket, which is illustrated by the docking process with BPTI (blue). Here we can see how a large inhibitor binds to HIV-1 protease. The inhibitor in question is a Merck-Dupont compound, XK-263, which consists of a 7-membered cyclic urea moiety, with phenyl and naphthyl rings branching off. The cyclic carbonyl oxygen mimics the water-301 which is structurally conserved, but is displaced by this ligand. The lower part of the cyclic urea ring has two adjacent hydroxyls that H-bond to the catalytic aspartates. Note that there are a large number of docked conformations which do not gain access to the tunnel of the active site, but instead find higher energy local minima near the entrances. The crystal structure of the complexed protease inhibitor, XK-263, is shown in green. The protease is represented by a ribbon diagram: the two flaps run diagonally from upper left to lower right. The color coding is by carbon-atom affinity. The crystallographic coordinates of camphor are shown in green. Also shown are the heme moiety and Tyr-96, which donates a hydrogen bond to camphor. The backbone of cytochrome P-450cam is represented by ribbons, which was generated by an AVS module written by Alex Shah, around Mike Carson's Ribbons code. Note the slight unwinding of the proximal helix, I, which helps form the dioxygen binding pocket, to the right of this picture. Dockings of biotin to streptavidin Rational Drug Design Successes While we are still waiting for a drug totally designed from scratch, many drugs have been developed with major contributions from computational methods O F N HN N Et CO2H MeO MeO N S O2 S O NH SO2NH2 norfloxacin (1983) antibiotic first of the 6-fluoroquinolones QSAR studies HO Cl N N Bu donepezil (1996) Alzheimer's treatment acetylcholinesterase inhibitor shape analysis and docking studies dorzolamide [Trusopt] (1994) glaucoma treatment carbonic anhydrase inhibitor SBLD and ab initio calcs N NH N N O NH O H H N NMe2 losartan [Cozaar] (1995) angiotensin II antagonist anti-hypertensive Modeling Angiotensin II octapeptide zolmatriptan [Zomig] 1995 5-HT1D agonist migraine treatment Molecular modeling Rational Drug Design Successes HIV-1 protease inhibitors N N N H N O OH Ph H N O OH N S O N Me N H Ph H N O Ph OH N H O O S N indinavir [Crixivan] (Merck, 1996) X-ray data from enzyme and molecular mechanics SPh O N H H N ritonavir [Norvir] (Abbott, 1995) peptidomimetic strategy Ph O H N Me HO O OH H H N O H N O N H OH CONH2 H H nelfinivir [Viracept] (Agouron, 1996) saquinavir [Invirase, Fortovase] (Roche, 1990) transition state mimic of enzyme substrate Opiate Analgesics H Me N OH O H OH morphine relative potency = 1 addictive H Me N OMe O H OH heterocodeine relative potency = 5 addictive OH metazocine relative potency = 1 addictive OH phenazocene relative potency = 4 NON-addictive OH pentazocine relative potency = 0.33 NON-addictive Me N O H OMe codeine relative potency = 0.2 addictive H Me Me N Ph Me N OH O H OAc heroin relative potency = 2 addictive H Me Me N H Me N OAc O H OH 6-acetylmorphine relative potency = 4 addictive H Me Me H Me N OAc H More Morphine-like Analgesics Me HO N Me Et Me N CO2Et Me N Me R R OH bremazocene relative potency = 200 NON-addictive Me Ph O O meperidine(Demerol) relative potency = 0.2 opioid analgesic pharmacophore Me N Me Me N Me Ph O Me O H N Ph N CO2Et Dextropropoxyphene (Darvon) relative potency = 0.1 methadone relative potency = 2 for R-config; 0 for S config fentanyl relative potency = 100 Conclusion      Integration de bases de données de structures et bases de données biologiques (protéines) Analyse structurale et prédictions Minimization Docking moléculaire Analyse structure séquence (homologies de séquences) : si l’identité de séquence entre deux séquences A et B est supérieure à 25%, et si B a une structure connue, il est possible de prévoir la structure de A. Link to structure database Dynamics & minimization Molecular visualization Molecular & Prediction Structure Analysisdocking Vers le drug design in silico      Model or x-ray structures of protein targets Finding potential binding sites Defining the physicochemical and structural features of such binding sites Fitting known small molecules into identified binding sites – in silico screening Designing new compounds Les molécules « bougent » à température ambiante Il faut simuler les mouvements des particules dans un système. Newton' s Equation : Mass  Accelerati on  Force mx  kx. 8/11/2008 Mouvements des Proteins     Les mouvements des protéines correspondent à des oscillations autour des liaisons (mouvements de torsion) Substantial displacements of groups occur over long time intervals On distingue les mouvements locaux et collectif (déplacement de différentes régions de la protéine) What is the importance of these fluctuations for biological function?  Importance des fluctuations moléculaires : – Thermodynamique : déplacement d’équilibre (exemple de l’équilibre ligand – récepteur) Dynamique : les déplacements moléculaire à partir d’une structure moyenne entrainent des changements conformationnels importants Mouvements locaux   0.01-5 Å, 1 fs -0.1s Fluctuations atomiques – Faibles déplacements du ligand dans le site actif – Source d’énergie pour franchir les faibles barrières énergétiques Mouvements collectifs    1-10 Å, 1 ns – 1 s Mouvements des hélices Mouvements de fermeture de site Mouvements a grande échelle > 5 Å, 1 microsecond – 10000 s Repliement des protéines Dissociation moléculaires – Formation des virus    Mouvement de vibration des molécules: Mode de vibration d’un aldol 8/11/2008 Dynamique moléculaire de systèmes complexes : 123903 atomes et 14365 molécules d’eau 8/11/2008 Mouvements moléculaires d’une bicouche lipidique (temps = 120 picosecondes) 8/11/2008