Molekulové modelování
Mgr. Jan Brezovský, Ph.D.
Loschmidtovy laboratoře, Ústav experimentální biologie
Masarykova Universita, Brno
Počítačové modelování proteinů
Molekulové modelování
Osnova
 Struktura a funkce proteinů
 Molekulové modelování
 molekulová a kvantová mechanika
 molekulové dokování
 molekulová dynamika
 kvantová chemie
 Proteinové inženýrství in silico
 racionální design
 de novo design
 Shrnutí
Struktura a funkce proteinů
Molekulové modelování
Primární
struktura
Sekundární
struktura
Terciární
struktura
Kvarterní
struktura
Struktura a funkce proteinů
 Terciální struktura proteinů
 dynamika
 funkce
 Funkce proteinů
 nekatalytická (strukturní,
signální, transportní, …)
 katalytická enzymy
Molekulové modelování
Molekulové modelování
 Co je to?
 “Teoretická či výpočetní technika, která nám poskytne vhled
do chování molekulárního systému.”
A. R. Leach
 Využití
 předpověď dynamiky a stability proteinů
 předpověď interakcí mezi ligandem a proteinem
 předpověď reakčních bariér a mechanismů
 předpověď struktury nových enzymů
Molekulové modelování
Molekulové modelování
 K čemu se hodí?
 rychlé procesy (ns až ms)
 detaily na úrovni jednotlivých atomů (experimentálně často
nedostupné)
 omezený rozpočet
 A k čemu se nehodí?
 pomalé procesy (> minuty)
 obrovské systémy (> miliardy atomů)
Molekulové modelování
Molekulové modelování
 Základem je vztah mezi energií a trojrozměrnou
strukturou systému
 povrch potenciální energie
 Popis pomocí
 molekulové mechaniky
 kvantové mechaniky
Molekulové modelování
Molekulová mechanika
 Energie
 funkce polohy atomových jader
 Rovnice – tzv. silové pole:
Molekulové modelování
Molekulová mechanika
 Vazebné členy
 Nevazebné členy
Molekulové modelování
Molekulová mechanika
 Kovalentní vazby předem dané
 hodnoty blízké experimentální situaci v rovnovážném stavu
 vazby se během výpočtu nemění
 celková energie – odchylka od arbitrární hodnoty v
rovnováze
Molekulové modelování
 Energie
 funkce polohy elektronů
 Schrödingerova rovnice:
 Žádné a priori kovalentní vazby
 vizualizace na základě vzdálenosti
 vazby mohou během výpočtu vznikat i zanikat
Kvantová mechanika
Molekulové modelování
Kvantová versus molekulární mechanika
Molekulové modelování
QM MM
Příprava
výpočtu
Pozice atomů a jejich
chemický prvek
Pozice atomů a mnoho
specifických parametrů
Výpočetní
čas
~ N2 – N6 ~ N1 – N2
Velikost
systému
1 000 – 10 >100 000
Reaktivita Implicitně zahrnuta
Složité metody
(QM/MM, EVB)
Molekulové dokování
 Předpověď struktury protein-ligandového komplexu a
jeho afinity
Molekulové modelování
Molekulové dokování
 Dvousložkový proces
 hledání
 hodnocení
Molekulové modelování
Molekulové dokování
 Ideální postup
 vyčerpávající generování všech možných vazebných módů
 sofistikované ohodnocení vazebné energie
 Výpočetně nemožné
Molekulové modelování
Molekulové dokování
 Nutnost mnoha aproximací:
 rychlé hodnotící funkce
 chytré prohledávací algoritmy
 omezená pohyblivost ligandu
 rigidní receptor
 zjednodušená reprezentace receptoru
Molekulové modelování
Molekulové dokování
 Deterministické algoritmy
 „matching“ či „incremental grow“
Molekulové modelování
Molekulové dokování
 Stochastické algoritmy
 Monte Carlo či genetické algoritmy
Molekulové modelování
Molekulové dokování
 Hodnotící funkce
 silové pole – přesné, ale příliš pomalé
 empirické – význam jednotlivých typů interakcí kalibrovány na
základě experimentálních dat
 znalostní – párové atomové potenciály odvozeny ze statistické
analýzy struktur známých komplexů
Molekulové modelování
Molekulové dokování
 Využití
 vstupní metoda pro další sofistikovanější techniky
 identifikace residuí v kontaktu s ligandem
 mutageneze
 predikce afinity
 specificita, inhibice a interference
 funkce proteinu
Molekulové modelování
Molekulová dynamika
 Následující konfigurace systému v čase
 trajektorie pohyb
Molekulové modelování
 Newtonovy pohybové zákony
 Další konfigurace se získá na základě
 stávající struktury, rychlosti atomů a
sil působících mezi všemi atomy
 síly vypočteny typicky na základě molekulové mechaniky
 velice krátký „časový krok“ ~ 2 fs
 Nastavení a kontrola teploty, tlaku či objemu
Molekulová dynamika
Molekulové modelování
Molekulová dynamika
 Hodnocení stability
 globalní – celková struktura proteinu (RMSd)
 lokální – zachování konformace vybraných residuí
Molekulové modelování
Molekulová dynamika
 Produkuje ansámbl struktur
 odhad entropie
 přesnější výpočty volných energií
Molekulové modelování
Molekulová dynamika
 Využití
 zpřesnění residuí v kontaktu s ligandem
 zpřesnění predikce afinity
 odhad aktivity - pravděpodobnost výskytu aktivovaného komplexu
 odhad stability
 transportní procesy
 flexibilní regiony důležité pro adaptabilitu
 …
Molekulové modelování
Kvantová chemie
 Modelování reakce
 reakční bariéra
Molekulové modelování
~ reakční rychlost
Kvantová chemie
Molekulové modelování
Kvantová chemie
 Využití
 identifikace residuí důležitých pro katalýzu
 studium mechanizmu
 mutageneze
 porovnání různých reakčních mechanizmů
 predikce reakčních rychlostí
 aktivita
Molekulové modelování
 Test úrovně poznání vztahů mezi strukturou proteinů
a jejich funkcí
 Význam
 mnoho modifikovaných proteinů využíváno v průmyslu
 pochopení patogeneze, terapeutické použití, či pochopení
resistence vůči léčivům
Molekulové modelování
Proteinové inženýrství in silico
Racionální design
Molekulové modelování
MD volného
proteinu
Molekulární doking
MD komplexu
QM komplexu
Hypotéza
Experiment Studovaný system
Znalost
 Identifikace funkčně významných residuí
 flexilní residua – funkčně významná dynamika
 residua tvořící významné kontakty
v rámci proteinové struktury
 residua tvořících transportní cesty
 residua v kontaktu s ligandem
 interagující residua – decompozice
energie
 residua stabilizující transitní stav
Molekulové modelování
Racionální design
 Design modifikovaných proteinů pomocí in silico
screeningu
 předpověď dopadu jednotlivých mutací
 vybrat a případně skombinovat nejlepší mutace
Molekulové modelování
Racionální design
 Design nových proteinů pro nové funkce
 speciální silové pole pro predikci struktury nativních proteinů
 efektivní generování struktur celých nových proteinů
Molekulové modelování
De novo design
 Úspěchy
 reakce doposud nekatalyzované přírodními enzymy
 vazebná místa s vysokou afinitou
 extrémně stabilní proteiny
 …
Molekulové modelování
De novo design
Shrnutí
 Molekulové modelování má široké využití
 molekulární rozpoznávání – molekulové dokování
 pohyb a stabilita struktury – molekulová dynamika
 enzymová katalýza – kvantová chemie
 proteinové inženýrství – specializované nástroje
 Pro a proti molekulového modelování
 výhoda – detailní popis procesů na atomové úrovni
 nevýhoda – relativně nižší přesnost nejistota
 Ideální je kombinace modelování s experimentem
Molekulové modelování