Químio-Informática - Docking Flashcards
O que é Docking?
O Docking é uma técnica que se baseia em métodos computacionais para a previsão da interação não covalente entre um ligando (composto orgânico pequeno) e um recetor (macromolécula, como por exemplo uma proteína, sendo as enzimas o mais comum).
◦ Este foca/seleciona um conjunto de moléculas, para a qual a atividade biológica seja a mais elevada;
◦ Torna-se uma maneira de simular a interação com o alvo em questão, restringindo-se para as moléculas, as quais, pelo docking, deram melhores resultados.
Tabem pode ser usado para interpretar como é que é possível fazer simulações sem dados experimentais, prevendo forças intermoleculares, características do ligando que sejam relevantes na interação, entre outros.
O que é responsável pelo encaixe das moléculas em Docking?
As forças intermoleculares são as responsáveis pelo encaixe de moléculas pequenas em recetores biológicos.
O que se estuda com Docking? Porque que compostos costumam começar?
Tipicamente se estudam inibidores de enzimas, em que o ligando é uma molécula orgânica pequena e o recetor é uma macromolécula, tipicamente uma proteína. Estas podem ser enzimas, que é o mais habitual no ramo da farmacêutica, mas também se podem tratar de proteínas com outras funções biológicas, como de transporte. Tipicamente, quando se procede ao desenvolvimento de um fármaco, recorre-se a enzimas que, há partida, se sabe que pode estar relacionada com a doença. Temos que, se existe uma enzima num mecanismo de uma determinada doença, uma estratégia para o tratamento é a inibição desta com um inibidor, a atuar no centro ativo, inibindo assim a enzima fundamental e eliminar, assim o microrganismo.
O docking manual seria possível? Qual é a melhor maneira tho?
O docking manual é certamente possível utilizando programas gráficos (ex: QUANTA), mas são necessários algoritmos computacionais para pesquisar minuciosamente o espaço pré-definido. Neste ramo, apesar de ser possível realizar a análise manualmente, seria muito exaustivo e menos objetivo, logo, recorre-se à química computacional, onde, através de software, procura-se uma interação que minimize a energia de interação ao máximo, e compara-se esse parâmetro com várias moléculas.
Que questões ter em conta quando se faz pesquisa para docking?
→ Restringir a pesquisa para bons inibidores de alvos da doença (bibliotecas de triagem, design de bibliotecas combinatórias, sínteses específicas). Se é permitido selecionar um subconjunto de ligandos onde se encontra o inibidor é melhor do que tentar encontrar aleatoriamente;
→ Questão básica do reconhecimento do ligando quando a estrutura
do complexo é desconhecida.
Dá um exemplo de um problema computacional de docking.
Exemplo de problema computacional deste método: tendo em conta macromoléculas em meios aquosos, temos de simular efeitos de solvatação e temos de resolver, em tempo útil, a simulação de estruturas de proteínas. Sabemos, à partida, que se vai tratar de um processo muito demoroso.
Quais são os problemas relacionados com a flexibilidade em docking?
Na realidade, nem a macromolécula nem o ligando são rígidos: à volta das ligações ocorrem rotações que conduzem a conformações diferentes:
◦ No ligando os graus de liberdade podem ser poucos
◦ Na macromolécula são muitos, sendo que, explorar todas as conformações da macromolécula é muito difícil e complexo, no entanto, muito importante.
Existem sítios ativos da enzima muito específicos a um dado ligando, com características que fazem com que as moléculas interajam bem e outros ligandos semelhantes já não interajam, de todo. Estes locais, ou seja, os sítios ativos das enzimas não são rígidos, relevante para a maior parte das interações entre macromoléculas-ligandos.
Em simulações digitais, o que se faz para resolver o problema da flexibilidade em moléculas?
- Não considerar flexibilidade: partindo de estruturas rígidas (através bases de dados de cristalografia) onde
estão disponíveis as estruturas 3D das enzimas - Ligando flexível e recetor rígido: considera-se o recetor rígido, permitindo estudar a liberdade conformacional do ligando (+ comum). Exploram a flexibilidade do ligando fazendo variar a rotação através de 3-4 ligações, concluindo qual a melhor posição do ligando para se adaptar ao recetor. Exemplos:
◦ Fit to a fold “encaixar-se numa dobre” - Considerar o ligando e o recetor, sendo ambos flexíveis.
Tarefa: estudar a estrutura do ligando e encontrar rapidamente a pose correta de ligação. Isto é, encontrar o mais rápido possível a posição relativa do ligando ao recetor. Os algoritmos destes programas de docking têm 2 módulos críticos:
◦ Algoritmo de procura
◦ Função de ativação (scoring)
O que entendes por pKd e pki?
◦ pKd (constante de associação à enzima): mede a rigidez da ligação.
◦ pKi (constante de inibição à enzima): mede a capacidade de inibir.
Quais os 3 tipos de ação quando um ligando interage com um recetor?
→ Inibição competitiva (caso mais típico de docking): O ligando interage com o centro ativo, competindo com os ligandos naturais. Por sua vez, o inibidor que se liga ao centro ativo, impede que o ligando natural se ligue no mesmo local, bloqueando a função da enzima, enquanto o ligando estiver lá presente.
→ Inibição alostérica (liga-se a diferentes encaixes “pocket”): O inibidor liga-se a outro lado que não é o centro ativo. Quando isto acontece, pode alterar a forma da enzima, tal que o centro ativo fique indisponível.
→ Ativação alostérica. Algo se liga longe do sítio ativo para que este possa acomodar o ligando.
Problema de minimização de energia em docking:
A geometria deve apresentar o mínimo de energia de Gibbs. Os programas servem para encontrar a conformação com a energia mínima do sistema. O que acontece é que trabalhamos com macromoléculas complexas e a interação é feita num meio aquoso, sendo computacionalmente exigente. É preciso simplificar os métodos para que se consiga resolver o problema a tempo útil e ter modelos suficientemente rigorosos, com um nível de teoria relativamente baixo, para que seja possível a aplicação a um conjunto de moléculas grandes.
Explicita o que entendes e o que aocntece no processo de Searching configurações em Docking.
◦ Searching: procurar as geometrias possíveis para a interação. O objetivo desta procura é encontrar a orientação e a conformação de parceiros de ligação “binding partners”, que correspondem a um mínimo global de energia livre de ligação. Ou seja, é procurar geometrias possíveis para a interação.
→ Se as duas moléculas são consideradas rígidas, a procura consiste em fixar uma e fazer translações e rotações do outro ligando.
→ Se uma (ou as duas) são consideradas flexíveis, então é também preciso enumerar e variar as conformações possíveis para ambas e o problema é computacionalmente muito mais complexo, com um espaço de pesquisa muito maior.
Explicita o que entendes e o que aocntece no processo de Scoring configurações em Docking.
◦ Scoring: refere-se ao fato de que qualquer procedimento de docking deve avaliar e classificar as configurações geradas pelo processo de pesquisa. O melhor esquema de scoring seria prever a plausabilidade das interações com base no cálculo da energia livre de ligação (Gibbs), que não é facilmente acessível ao cálculo, obtendo um valor aproximado, mas não muito rigoroso, porque se trata de um meio biológico (aquoso). Portanto, as funções de scoring de aproximação devem ser usadas para modelar a energia livre de ligação (idealmente devem correlacionar com as afinidades de interação) para todas as poses testadas, sendo apenas viável, recorrendo a métodos de avaliação das poses muito simplificados.
No scoring, existem 3 aspetos importantes (objetivos):
1) Ordenar as várias configurações geradas pelo search docking para um ligando que interage em relação a uma proteína. Este aspeto é essencial para detetar o modo de ligação que melhor se aproxima da situação observada experimentalmente, assim como escolher a melhor configuração, e então, ordenar as poses de um ligando selecionado.
2) Ordenar diferentes ligandos em termos das suas afinidades para a mesma proteína: este aspeto é crucial em screening virtual.
3) Ordenar diferentes proteínas, em termos das suas afinidades, para o mesmo ligando. Este fator é crucial para avaliar seletividade e especificidade. Obtém-se números que permitam comparar a afinidade do mesmo ligando para proteínas diferentes, e então, prever se um determinado ligando se liga seletivamente a uma determinada proteína, muito importante para o design de fármacos, de modo a obter uma estrutura seletiva a uma macromolécula e não a outras, para não causar atividades paralelas não desejadas (toxicidade).
Quanto melhor for uma função de scoring, mais útil será par estes problemas.
Para a procura de um algoritmo, em Docking, temos os seguintes parâmetros a considerar:
→ Velocidade (exemplo: testar 5M de compostos ou mais em tempo útil).
→ Mínimos locais, em que os algoritmos devem explicar soluções que se afastem de mínimos locais (por exemplo: pode obter uma determinada afinidade, mas não ser a melhor de todas). O objetivo é enumerar soluções que não se fique naquelas que apresentam resultados medianos.
→ Espaço de pesquisa de alta dimensão
O que tem em conta a função de Scoring em Docking? O que controla e o que indica?
◦ Função de Scoring
→ Controlo rigoroso de falsos positivos, ou seja, previsões de que a interação seja muito favorável, quando se trata do contrário;
→ Boa correlação com pKd
→ Termos múltiplos, ou seja, a função de avaliação deve ter em conta muitos extremos (pontes de H, hidrofóbicas, van der Walls, repulsões estéreas);
→ Efeitos não aditivos (solvatação, interações hidrofóbicas).
Que notas são importantes ter em conta relativamente a Docking?
Nota 1: A atividade biológica não depende só do pKd. Este nem sempre corresponde à atividade, podendo não ter o efeito biológico procurado e ser necessário considerar outros fatores.
Nota 2: Preocupações de ADME – envolvidos no design do fármaco, onde os compostos têm de ser capazes de ser adsorvidos, boa distribuição para atuar no local pretendido, metabolização (toxicidade, degradação rápida ou lenta) e excreção.
Pergunta: Tendo acesso às 2 estruturas rígidas, deve-se procurar a rotação e translação do ligando ao recetor. Quantos parâmetros tem de ser otimizados/procurados, para termos a melhor interação?
Devemos otimizar as rotações (3, uma em cada eixo), assim como as translações (3, uma para cada eixo). Logo, deve-se procurar, no espaço, a 6 dimensões, resultando em 10^6 casos.
Como é que o programa representa do recetor (macromolécula)?
A representação de todos os átomos com as suas coordenadas, é geralmente impraticável, devido ao tamanho e a complexidade das estruturas das proteínas. Pelo que a informação estrutural deve ser reduzida
a um tamanho e forma controlada, mas representativos.
O 1º passo trata de limitar o estudo da macromolécula à zona em redor do local de ligação conhecido (infomação existente, ou programas para identificar locais de ligação). Ao obter uma estrutura de CRX, tendo a enzima e o ligando co cristalizados, eliminamos a estrutura do ligando, mantendo a zona ativa, e realiza-se a experiência com outros ligandos, sendo uma maneira experimental para obter sítios ativos, restringido a procura. Também é possível recorrer a programas que recorrem a dados experimentais com moléculas já existentes e preveem as cavidades mais prováveis de interação da macromolécula.
Mesmo a redução apenas a uma parte específica da proteína, ou seja, à zona de interação, não é suficiente para poderem ser usadas as coordenadas atómicas: o espaço é caracterizado por outros métodos mais eficientes. Isto é, uma representação simples em termos de coordenadas atómicas, não é praticável para a maioria dos procedimentos de docking. Mesmo assim o problema não fica completamente simplificado. Alternativas: (A primeira)
◦ Descritores geométricos da forma. A forma do espeço livre para a interação é caracterizada (Ligações H, aceitadores doadores à volta do estado livre), não se verificando, especificamente, como interage com o átomo, mas apenas vê se o ligando cabe ou não no espaço que está livre. Estes descritores vão definir a forma que o local de interação tem para depois verificar se o ligando consegue adaptar a sua forma para se conseguir adaptar.
Mesmo a redução apenas a uma parte específica da proteína, ou seja, à zona de interação, não é suficiente para poderem ser usadas as coordenadas atómicas: o espaço é caracterizado por outros métodos mais eficientes. Isto é, uma representação simples em termos de coordenadas atómicas, não é praticável para a maioria dos procedimentos de docking. Mesmo assim o problema não fica completamente simplificado. Alternativas: (A segunda)
Grade (“grid”), que se trata de um mapa de toda a zona de interação com valores de energia de interação calculados em cada ponto para um átomo-prova. A representação do recetor que usamos com o autodock é a caixa/grelha. Esta consiste num paralelepípedo, centrada num determinado ponto, normalmente no
ligando (já conhecido ou não), com uma determinada dimensão. Seguidamente, calculam-se as energias de interação entre cada átomo do ligando e a macromolécula em cada um dos pontos da caixa (dividida num determinado número de pontos) e, em cada um destes, pré-calculamos a energia de interação de um átomo de um determinado tipo (H de um carboxilo, C de um anel de benzeno, N de uma amina). Logo, pré-calculam-se as interações para cada átomo para cada ponto, e este conjunto de valores acaba por ser uma representação do espaço que cada um dos átomos pode ter a macromolécula, representando-a desta maneira. Assim, em vez vez se se calcular a energia com todos os átomos possíveis da molécula, calcula-se a energia global de interação através dos valores pré-calculados para a pose do ligando
Processamento de ligandos em Docking. Como é que o ligando é representado e processado?
O ligando é uma molécula muito mais pequena que a macromolécula respetiva e a representação destes átomos todos com as coordenadas 3D já é possível e é assim que é tipicamente processado.
◦ A representação de todos os átomos, com as suas coordenadas é perfeitamente possível.
◦ Os átomos de ligandos individuais são diretamente usados para verificar a coincidência com os descritores do local de ligação, ou para calcular a energia de interação nos casos de procedimentos movidos a energia.
◦ As interações são pré-calculadas antes da experiência do docking para facilitar a experiência.
◦ Maior problema: flexibilidade conformacional.
Estratégias de processamento de ligandos para combater a flexibilidade conformacional são quais?
Docking do ligando inteiro ou Docking de fragmentos do ligando.
