PROTEPROTEİİNN--LLİİGAND GAND ETKETKİİLELEŞİŞİMLERMLERİİ

Prof. Dr. Vildan Prof. Dr. Vildan ADARADAR

BilgisayarBilgisayar--destekli destekli İİlalaçç TasarTasarıım Laboratuvarm Laboratuvarıı

www.cadd.hacettepe.edu.trwww.cadd.hacettepe.edu.tr

Kimya BKimya BööllüümmüüHacettepe Hacettepe ÜÜniversitesiniversitesi

21.02.201321.02.2013

22

İİlalaçç KeKeşşfi ve Gelifi ve GelişşimiimiHastalığı saptama

Hastalığa neden olan proteiniİzole etme(2-5 yıl)

Hastalık proteine karşıetkili bir ilaç bulma

(2-5 yıl)

Ön klinik testler(1-3 yıl)

Formulasyon

İnsan klinik denemeleri(2-10 yıl)

Scale-up

FDA onayı(2-3 yıl)

File IN

D

File NDA

FAZ I: 20-100 sağlıklı bireylerFAZ II: 100-500 HASTAFAZ III:1000-8000 HASTAFAZ IV: İlaç satışa sunulduktan sonraki veriler

IND: Investigational New DrugNDA: New Drug Appication

SAMANLIKTA SAMANLIKTA İĞİĞNE ARAMA!NE ARAMA!

•• AALL DRUGS ARE CHEMICALS BUT LL DRUGS ARE CHEMICALS BUT NOT ALL CHEMICALS ARE DRUGSNOT ALL CHEMICALS ARE DRUGS

WHY AND WHERE ?WHY AND WHERE ?

•• WHYWHY should chemicals, some ofshould chemicals, some of which which have remarkably simple structures, have have remarkably simple structures, have such an important effect on such asuch an important effect on such acomplicated and large structure as a complicated and large structure as a human being?human being?

•• WHEREWHERE they react in the bodythey react in the body

11--ProteinProteinlerler

AA--Reseptörler- vücudumuzun “İLETİŞİM SİSTEMİ”B-Enzimler-vücudumuzun “KATALİZÖRÜ”

22--LipidLipidlerler

22--KarbonhidratlKarbonhidratlaarr

44--NNüükleik asitler(DNA ve RNA)kleik asitler(DNA ve RNA)

İİLALAÇÇ İİLE ETKLE ETKİİLELEŞŞEN HEDEF YAPILAREN HEDEF YAPILARMAKROMOLEKMAKROMOLEKÜÜLLERLLER

İLAÇ HEDEFLERİ

GPCR

STY kinases

Zinc peptidases

Serine proteases

PDE

Other 110 families

Cys proteases

Gated ion-channel Ion channels

Nuclear receptor

P450 enzymes

Vücudumuzun “POSTA KUTUSU” dur.

Hücreler arası iletişimi sağlar

HÜCREMEMBRAN

HÜCRE

RESEPTÖR

POSTACI

message

İndüklenmişyerleşim

HÜCRE

RESEPTÖR

POSTACI

MESAJ

HÜCRE

POSTACI

RESEPTÖR

AA--RESEPTRESEPTÖÖRLERRLER

Drugs which are interact with receptors; PAIN, DEPRESSION, PARKINSON’S DISEASE, PSYCHOSIS, HEART FAILURE, ASTHMA,SCIZOPHRENIA, MUSCLE FATIGUE

POSTACI:POSTACI:*N*Nöörotarotaşışıyyııccıılarlar((dopamdopamiin,noradrn,noradrenalinenalin, , serotonin v.s.)serotonin v.s.)*hormonlar(adr*hormonlar(adrenalin, enalin, ööstrojen,teststrojen,testooststeron v.s)eron v.s)

What are these receptors and what do they do?What are these receptors and what do they do?

•• CellsCells are all individual, they have to are all individual, they have to ““get alongget along”” with their with their neighbours. There has to be some sort of communication neighbours. There has to be some sort of communication system.system.

•• Communication is essential to ensure that all heart Communication is essential to ensure that all heart muscle cells contract at the same time.muscle cells contract at the same time.

•• Communication is essential if the body is to operate in a Communication is essential if the body is to operate in a coordinated and controlled fashion.coordinated and controlled fashion.

•• Control and communicationControl and communication come from the brain and spinal come from the brain and spinal column(th central nervous systemcolumn(th central nervous system--CNS) which receives and CNS) which receives and send messages via a vast network of send messages via a vast network of nerves.nerves.

RESEPTRESEPTÖÖR R ÇÇEEŞİŞİTLERTLERİİ

1-İyon kanalları2-G-protein-bağlı resptörler3-Tirozin kinaz-bağlı reseptörler4-Hücre-içi resptörler

İİLALAÇÇLAR:LAR: AGONAGONİİST VE ANTAGONST VE ANTAGONİİSTST““TAKLTAKLİİT POSTACILART POSTACILAR””

BB--ENZENZİİMLERMLER

SS

EE

ES

PP

EE

EP

PP

EE

E + P

EE

SS

E + S

EE

VVÜÜCUDUMUZUN CUDUMUZUN ““KATALKATALİİZZÖÖRRÜÜ””

DrugDrug Target enzymeTarget enzyme Field of therapyField of therapy

AspirinAspirin CycloCyclo--oxygenaseoxygenase AntiAnti--inflammatoryinflammatoryCaptoril and enaprilCaptoril and enapril Angiotension converting enzyme(ACE)Angiotension converting enzyme(ACE) AntihypertensionAntihypertension

SimvastatinSimvastatin HMGHMG--CoA reductaseCoA reductase Lowering cholesterol levelLowering cholesterol level

DesipramineDesipramine Monoamine oxidaseMonoamine oxidase AntidepressionAntidepression

ClorgylineClorgyline Monoamine oxidase AMonoamine oxidase A AntidepressionAntidepressionSelegilineSelegiline Monoamine oxidase AMonoamine oxidase A AntidepressionAntidepression

MethotrexateMethotrexate Dihydrofolate reductaseDihydrofolate reductase AnticancerAnticancer

55--FluorouracilFluorouracil Thymidylate synthaseThymidylate synthase AnticancerAnticancer

ViagraViagra Phosphodiesterase enzyme(PDE5)Phosphodiesterase enzyme(PDE5) Treatment of male erectile Treatment of male erectile dysfunctiondysfunction

AllopurinolAllopurinol Xanthine oxidaseXanthine oxidase Treatment of goutTreatment of gout

U75875U75875 HIV ProteaseHIV Protease AIDS therapyAIDS therapy

R041R041--09600960 CatecholCatechol--OO--methyltransferasemethyltransferase Treatment of ParkinsonTreatment of Parkinson’’s s diseasedisease

OmeprazoleOmeprazole HH++/K/K+ + ATPase protom pumpATPase protom pump Ulcer therapyUlcer therapy

OrganophosphatesOrganophosphates AcetylcholinesteraseAcetylcholinesterase Treatment of gravis, Treatment of gravis, glaucoma, and Alzheimerglaucoma, and Alzheimer’’s s diseasedisease

AcetazolamideAcetazolamide Carbonic anhydraseCarbonic anhydrase DiureticDiuretic

ZileutinZileutin 55--LipoxygenaseLipoxygenase AntiAnti--asthmaticasthmatic

Table. Drugs and their target enzymes

II

EEEE

SS

II

EE

TTersinir ersinir İİnhibitnhibitöörlerrler(di(diüüretikler, statinler, antidepressanlar v.s)retikler, statinler, antidepressanlar v.s)

X

OH OH

X

O

TTersinersinmmez ez İİnhibitnhibitöörlerrler(penisilinler, sin(penisilinler, siniir gazlarr gazlarıı v.s)v.s)

Enzyme targets for useful medicationsEnzyme targets for useful medications1 Antibacterial agents1 Antibacterial agentsDihydropteroate synthetase, transpeptidase

2 Antiviral agents2 Antiviral agentsHIV reverse transcriptase, HIV protease, viral DNA polymerase

3 Anti3 Anti--inflammatory agentsinflammatory agentsCyclooxygenase

4 Cholesterol lowering agents4 Cholesterol lowering agentsHMG-CoA reductase

5 Antidepressants5 AntidepressantsMonoamine oxidase

6 Anticancer agents6 Anticancer agentsTyrosine kinase, dihydrofolate reductase, thymidylate synthase, aromatase etc

PROTEPROTEİİN ve LN ve LİİGAND ETKGAND ETKİİLELEŞİŞİMMİİ•• LiGAND(ilaLiGAND(ilaçç) ) hedef yaphedef yapıılarlarıı bbüüyyüükmolekkmoleküüllerdir(Makromolekllerdir(Makromoleküül).l).•• Ligandlar etkileLigandlar etkileşştikleri hedeflerden genelde daha ktikleri hedeflerden genelde daha küçüüçük k

yapyapıılardlardıır.r.•• Ligandlar, hedef yapLigandlar, hedef yapıılarlarıınnıın ban bağğlanma blanma böölgesi ile etkilelgesi ile etkileşşirler.irler.•• BABAĞĞLANMA BLANMA BÖÖLGELERLGELERİİ, makromolek, makromoleküüllüün yn yüüzeyindeki hidrofobik zeyindeki hidrofobik

ççukur veya kovuklardukur veya kovuklardıır.r.•• BaBağğlanma etkilelanma etkileşşimleriimleri--MOLEKMOLEKÜÜLLER ARASILLER ARASI•• LigandLigandıın(ilan(ilaçç) yap) yapııssıında bulunan ve banda bulunan ve bağğlanma etkilelanma etkileşşimlerine imlerine

neden olan gruplarneden olan gruplaraa BABAĞĞLAYICI GRUPLAR LAYICI GRUPLAR denir.denir.•• Ligand hedefe yerleLigand hedefe yerleşşirken, genellikle bairken, genellikle bağğlanma blanma böölgesinin lgesinin şşeklini eklini

dedeğğiişştirir. Buna tirir. Buna İİndndüüklenmiklenmişş yerleyerleşşme me denir.denir.•• İİndndüüklenmiklenmişş yerleyerleşşim im sonucu makromoleksonucu makromoleküüllüün tamamn tamamıınnıın n

yapyapııssııda deda değğiişşebilir.ebilir.

Makromolekül hedef

Ligand

Bağlı ligand

İndüklenmiş

yerleşmeMakromolekül hedef

Ligand

Bağlanmamış ligand

Bağlanacak yer

Ligand

Bağlanma bölgesi

Bağlanma bölgesi

Bağlayıcı gruplar

Moleküllerarası etkileşimler

PROTEPROTEİİNN--LLİİGAND ETKGAND ETKİİLELEŞİŞİMMİİ--MolekMoleküüllerarasllerarasııEtkileEtkileşşimim

ALINTI: Graham L. Patrick, An introduction to Medicinal Chemistry

MolekMoleküüllerarasllerarasıı EtkileEtkileşşimlerimler

11--İİyonik bayonik bağğ22--Hidrojen baHidrojen bağığı33--Van der WaalsVan der Waals

MOLEKMOLEKÜÜLLERARASI ETKLLERARASI ETKİİLELEŞİŞİM M ÇÇEEŞİŞİTLERTLERİİ•• 11--İİYONYONİİK BAK BAĞĞ--En gEn güçüçllüüssüü(20(20--40kj/mol), 40kj/mol), •• ZIT YZIT YÜÜKLER ARASINDAKKLER ARASINDAKİİ ETKETKİİLELEŞİŞİMM

•• 22-- HHİİDROJEN BADROJEN BAĞĞII--Kovalent baKovalent bağğdan 10 kat ZAYIFdan 10 kat ZAYIF--1616--60kj/mol60kj/mol•• Elektronca zengin heteroatom(O, N, S atomlarElektronca zengin heteroatom(O, N, S atomlarıı) ile elektronca fakir ) ile elektronca fakir

HHİİDROJEN( O, N veya S e baDROJEN( O, N veya S e bağğllıı olan) arasolan) arasıında olunda oluşşur.ur.

DrugO

O H3N TargetDrug NH3

TargetO

O

X HDrug

Y TargetDrug X

TargetHY++

- ---

HBD HBA HBA HBD

3- VAN DER WAALS ETKİLEŞİMİ-En zayıf etkileşim-2-4kj/molMakromolekül ve ligandın hidrofobik bölgeleri arasındaki anlık oluşan yüklerin etkileşimidir.

Bağlanma yeri

LİGAND

- +

+ -

Hidrofobik bölgeler

Geçici dipol+ -

van der Waals etkileşim

Desolvasyon-enerji kaybı Bağlanma-enerji kazanma

SUYUN ROLÜMakromolekül hedef ile Ligandın etkileşiminde suyun rolü oldukça önemlidir.

İnsan vücudundaki makromolekül hedefler sulu ortamdadır ve İLAÇ(ligand) bu hedef yapıya ulaşıncaya kadar HEM İLAÇ HEM HEDEF MOLEKÜL SU İLE SOLVATE OLMUŞTUR.

Etkileşimin olması için su moleküllerin uzaklaşması gerekir. Desolvasyon enerjisi, bağlanma enerjisinden büyük ise İLAÇ İNAKTİFTİR.

RC

R

O

OH

HH H

O

H

H

O

H

H

O

OH

Bağlanma yeri

OH

RC

R

O

Bağlanma yeri

RC

R

O

OH

Bağlanma yeri

PROTEPROTEİİNN--LLİİGAND ETKGAND ETKİİLELEŞİŞİMMİİ

• İyonik• H-bağı• van der Waals

MolekMoleküüllerarasllerarasıı KuvvetlerKuvvetler

LL

Makromolekül

Aktif bölge

vdwvdwetkileetkileşşimiimi

İİyonik bayonik bağğ

HH--bbaağığı

PheSer

OH

Asp

CO2

İndüklenmiş yerleş

LİGAND(L)LL

ASP:Aspartic acid, PHE:Phenylalanine, SER:Serine

PROTEPROTEİİNN--LLİİGAND KOMPLEKSLERGAND KOMPLEKSLERİİNNİİN BAN BAĞĞLANMA LANMA AFAFİİNNİİTELERTELERİİN HESAPLANMASI NEDEN N HESAPLANMASI NEDEN ÖÖNEMLNEMLİİDDİİR?R?•• ProteinProtein--ligand komplekslerinin deneysel baligand komplekslerinin deneysel bağğlanma serbest enerjilerinin lanma serbest enerjilerinin

dodoğğru olarak hesaplanmasru olarak hesaplanmasıı iiççin skorlama fonksiyonlarin skorlama fonksiyonlarıınnıın gelin gelişştirilmesi, yaptirilmesi, yapıı--temelli ilatemelli ilaçç tasartasarıımmıınnıın en bn en büüyyüük sorunudur.k sorunudur.

•• BBüüyyüük kimyasal data bankalark kimyasal data bankalarıınnıın n sanal taramassanal taramasıı(virtual screening),(virtual screening),hastalhastalıık hedef yapk hedef yapııssıı ile potansiyel ligandlar(ilaile potansiyel ligandlar(ilaçç) aras) arasıındaki doking ile ilandaki doking ile ilaçç--benzeri yapbenzeri yapıılarlarıın n öön elemesin elemesindende(pre(pre--filtering)filtering) kullankullanııllıır.r.

•• DOKDOKİİNG PROGRAMLARING PROGRAMLARI, Hedef protein yap, Hedef protein yapııssıına yerlena yerleşşen liganden ligandıın en n en uygun KONFORMASYONUNU arauygun KONFORMASYONUNU araşşttıırrıır.r.

•• SKORING PROGRAMLARISKORING PROGRAMLARI, etkile, etkileşşen proteinen protein--ligand arasligand arasıındaki doking ndaki doking konformasyonlarkonformasyonlarıınnıı kalite akalite aççııssıından sndan sııralar. TEK Bralar. TEK BİİR KOMPLEKSR KOMPLEKSİİN FARKLI N FARKLI DOKING KONFORMASYONLARININ SIRALANMASI DIDOKING KONFORMASYONLARININ SIRALANMASI DIŞŞINDA, FARKLI INDA, FARKLI LLİİGANDLAR GANDLAR İİLE AYNI PROTELE AYNI PROTEİİNNİİN BAN BAĞĞLANMA AFLANMA AFİİNNİİTELERTELERİİNNİİ HESAPLAR HESAPLAR VE SIRALAMA YAPAR.VE SIRALAMA YAPAR.

•• PROTEPROTEİİNN--LLİİGAND KOMPLEKSGAND KOMPLEKSİİNNİİN OLUN OLUŞŞUMU, iki molekUMU, iki moleküül arasl arasıındaki sterik ndaki sterik yerleyerleşşmeye ve fizikokimyasal etkilemeye ve fizikokimyasal etkileşşimlere, konformasyon deimlere, konformasyon değğiişşimlerine ve imlerine ve çöçözzüüccüü ile etkileile etkileşşime baime bağğllııddıır.r.

•• Deneysel Kd deDeneysel Kd değğerleri karerleri karşışılalaşşttıırrııllıır.r.

24

KENETLENME(DOKİNG) YÖNTEMİve

ÖRNEK ÇALIŞMA

25

Kenetlenme(Doking) nedir?Kenetlenme(Doking) nedir?

•• Doking Doking protein ve ligandprotein ve ligand gibi iki molekgibi iki moleküül arasl arasıındaki ndaki ““en en uygunuygun”” babağğlanmanlanmanıın bulunmasn bulunmasııddıır. r.

•• ÇÇalalışıışılan iki moleklan iki moleküül arasl arasıında etkilenda etkileşşim varsa bu im varsa bu molekmoleküüllerin kompleksinde;llerin kompleksinde;

EtkileEtkileşşimlerinin imlerinin maksimummaksimum ,, Toplam enerjinin Toplam enerjinin minimumminimum olduolduğğu yu yöönelimi bulur. nelimi bulur.

++

Protein aktif bProtein aktif böölgesi Ligand Tahmin edilen doking yaplgesi Ligand Tahmin edilen doking yapııssıı

26

Doking Neden Doking Neden ÖÖnemli?nemli?

•• Proteinlerin fonksiyonlarProteinlerin fonksiyonlarıınnıın din diğğer moleker moleküüllerle llerle etkileetkileşşimlerinden nasimlerinden nasııl etkilendil etkilendiğğini gini göösterir. sterir.

•• İİlalaçç tasartasarıımmıı iiççin anahtar noktadin anahtar noktadıır. Doking sonur. Doking sonuççlarlarııhedef proteinler ihedef proteinler iççin sein seççici inhibitici inhibitöörler bulunmasrler bulunmasıınnıı ve ve bbööylece yeni ilaylece yeni ilaççlar tasarlanmaslar tasarlanmasıınnıı sasağğlamaktadlamaktadıır.r.

•• ÜçÜç boyutlu yapboyutlu yapııssıı bilinen hedef proteinlerin saybilinen hedef proteinlerin sayııssııarttarttııkkçça doking a doking ççalalışışmalarmalarıı bbüüyyüük k öönem kazanmaktadnem kazanmaktadıır.r.

Bölgesel doking:Reseptör üzerindeki bağlanma bölgesi biliniyorsaligandın bu bağlanma bölgesinde ki pozisyonu belirlenir

Geniş çaplı doking:Reseptör üzerindeki bağlanma bölgesi bilinmiyorsa ; öncelikle reseptörün bağlanma bölgesi ve ardından ligandın bu bağlanma bölgesinde ki pozisyonu belirlenir

Doking Çeşitleri

Rijid Reseptör, Rijid Ligand

Rijid Reseptör, Esnek Ligand

Esnek Reseptör, Rijid Ligand

Esnek Reseptör, Esnek Ligand

Eski teknik:Anahtar-Kilit

Şu anda kullanılan

Doking Çeşitleri

Amaçlanan

•• İİki molekki moleküül de esnek, ayrl de esnek, ayrııca etkileca etkileşşerek birbirlerinin erek birbirlerinin konformasyonlarkonformasyonlarıınnıı dedeğğiişştirebilirler.tirebilirler.

•• MMüümkmküün olan toplam konformasyon sayn olan toplam konformasyon sayııssıı ççok fazla.ok fazla.•• Serbestlik derecesi Serbestlik derecesi ççok yok yüüksek.ksek.

Doking Neden Zor?Doking Neden Zor?

DOKINGDOKING

•• Proteinin baProteinin bağğlanma blanma böölgesine bir ligandlgesine bir ligandıın n yerleyerleşştirilmesi ve tirilmesi ve skorlama skorlama fonksiyonlarfonksiyonlarıı kullanarak kullanarak babağğlanma lanma afinitesininafinitesinin hesaplanmashesaplanmasııddıır.r.

31

SSkorlama Fonksiyonukorlama Fonksiyonu•• EtkileEtkileşşim enerjisiim enerjisi (pKd)(pKd)•• EleElekktrostatrostatik etkiletik etkileşşimlerimler•• Van der WaalVan der Waal’’s s etkileetkileşşimleriimleri•• HHidrojenidrojen babağğlarlarıı•• ÇöÇözzüüccüü etkisietkisi•• Entropi kaybEntropi kaybıı•• AAktif bktif böölge sularlge sularıı

32

Docking Skorlama Uygulamaları

1)Tek bir ligand için farklı yönelimleri sıralama.

2)Bağlanma serbest enerjisinin belirlenmesi.

3)Veri bankasında ki ligandları sıralama (“sanal tarama”).

33

KullanKullanıılan Programlarlan Programlar•• FlexXFlexX http://www.biosolveit.de/FlexX/http://www.biosolveit.de/FlexX/ and and

commercially at commercially at http://www.tripos.comhttp://www.tripos.com•• AutoDockAutoDock http://autodoc.scripps.edu/http://autodoc.scripps.edu/•• DockDockhttp://www.cmpharm.ucsf.edu/kuntz/dock.htmlhttp://www.cmpharm.ucsf.edu/kuntz/dock.html

•• 3D3D--DockDock http://www.bmm.icnet.uk/dockinghttp://www.bmm.icnet.uk/docking//•• Glide Glide http://www.schrodinger.com/http://www.schrodinger.com/•• ICM ICM http://www.molsoft.com/http://www.molsoft.com/•• FREDFRED http://www.eyesopen.com/http://www.eyesopen.com/•• GoldGold http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/life_sciences/gold/http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/life_sciences/gold/

ProgramProgram Search Search algorithmalgorithm

Scoring Scoring functionfunction

ResultsResults Search Search MethodMethod

Force FieldForce Field

FlexXFlexX ((RareyRareyet. al., GMD, et. al., GMD, Germany)Germany)

Incremental Incremental construction construction algorithmalgorithm

Empirical Free Empirical Free Energy Scoring Energy Scoring ((developed by developed by BoBo¨̈hmhm11))

Score (includes Score (includes several terms such several terms such as match score, as match score, liposcore, avg liposcore, avg volume etc), RMSDvolume etc), RMSD

Fragment basedFragment based Tripos Force Tripos Force FieldField22

AutoDockAutoDock(Olson et al., (Olson et al., Scripps, USA)Scripps, USA)

Lamarckian Lamarckian Genetic Genetic Algorithm (see Algorithm (see evolutionary evolutionary progrmming)progrmming)

Empirical Free Empirical Free energy scoring energy scoring function (based on function (based on a linear a linear regression regression analysis )analysis )

Binding Energy Binding Energy (kcal/mol) & Ki, (kcal/mol) & Ki, RMSDRMSD

Conformational Conformational space searchspace search

AMBERAMBER

AD VinaAD Vina(Olson et al., (Olson et al., Scripps, USA)Scripps, USA)

A Multiple A Multiple method algorithm method algorithm ((

a uniteda united--atom atom scoring function scoring function

Affinity (kcal/mol), Affinity (kcal/mol), RMSDRMSD

Conformational Conformational space searchspace search

AMBERAMBER

GOLD GOLD (Jones (Jones et al., Univ. of et al., Univ. of Sheffield, UK)Sheffield, UK)

Genetic algorithmGenetic algorithm Force Field (two Force Field (two stage) scoring stage) scoring (different (different functions for functions for search strategy + search strategy + scoring)scoring)

GOLD Docking GOLD Docking Solutions (also Solutions (also predicts binding predicts binding affinity)affinity)

Conformational Conformational space searchspace search

AMBER&CHAAMBER&CHARMMRMM

DOCKDOCK(Kuntz et al., (Kuntz et al., UCSF, USA)UCSF, USA)

Rigorous search Rigorous search algorithm algorithm (considers only 6 (considers only 6 degrees of degrees of freedom of ligand freedom of ligand and protein)and protein)

Force Field Force Field scoring (contact + scoring (contact + nonbonden terms nonbonden terms are scored are scored seperately)seperately)

Intermolecular + Intermolecular + intramolecular intramolecular score, RMSDscore, RMSD

Fragment BasedFragment Based Tripos Force Tripos Force FieldField22

http://www.csb.yale.edu/userguides/datamanip/dock/DOCK_4.0.1/html/Manual.10.html1 Bo¨hm H-J. The development of a simple empirical scoring function to estimate the binding constant for a protein–ligand complex of known three-dimensional structure. J Comput Aided MolDesign 1994;8:243–256.2 Clark, Cramer III, Opdenbosch, Validation of the general purpose tripos 5.2 force field, J Comp Chem, 10 (8), 982-1012, 1989

BABAĞĞLANMA AFLANMA AFİİNNİİTESTESİİ

Dissociation constant (Kd)Dissociation constant (Kd)•• In In chemistrychemistry, , biochemistrybiochemistry, and , and pharmacologypharmacology, a , a dissociation constantdissociation constant is a specific type of is a specific type of equilibrium equilibrium constantconstant that measures the propensity of a larger object that measures the propensity of a larger object to separate (dissociate) reversibly into smaller to separate (dissociate) reversibly into smaller components, as when a components, as when a complexcomplex falls apart into its falls apart into its component component moleculesmolecules, or when a , or when a saltsalt splits up into its splits up into its component component ionsions. .

•• The dissociation constantThe dissociation constant is usually denoted is usually denoted KdKd and and is the is the inverseinverse of the of the association constantassociation constant. .

•• For a general reactionFor a general reaction

•• in which a complex Ain which a complex AxxBByy breaks down into breaks down into xx A subunits A subunits and and yy B subunits, the dissociation constant is definedB subunits, the dissociation constant is defined

•• where [A], [B], and [AxBy] are the concentrations of A, where [A], [B], and [AxBy] are the concentrations of A, B, and the complex AxBy, respectively.B, and the complex AxBy, respectively.

•• Inhibitor constant Inhibitor constant KKii•• The inhibitor constant, The inhibitor constant, Ki,Ki, is an indication of how potent an inhibitor is; is an indication of how potent an inhibitor is;

it is the concentration required to produce half maximum inhibitit is the concentration required to produce half maximum inhibition.ion.

Calculation of Ki for drug(Ki=Kd)

equilibrium: E + I <=> EI

binding: E + I -> EI K(binding), Kb dissociation: EI -> E + I K(dissociation), Kd

1 K(binding) = ---------------

K(dissociation)

[E][I] Ki = ------

[EI]

deltaG(binding) = -R*T*ln KbdeltaG(inhibition) = R*T*ln Ki

••Binding and Inhibition occur in opposite Binding and Inhibition occur in opposite

directionsdirections•• deltaG = R*TlnKi,deltaG = R*TlnKi,•• => deltaG/(R*T) = lnK=> deltaG/(R*T) = lnKii

•• => => KKii = exp(deltaG/(R*T)) = exp(deltaG/(R*T))

BABAĞĞLANMA DATA LANMA DATA BANKALARIBANKALARI•• http://www.bindingdb.org/bind/index.jsphttp://www.bindingdb.org/bind/index.jsp•• KKii ICIC5050 KKdd ΔΔGG°° ΔΔHH°° --TTΔΔSS°°

•• experimental inhibition constants obtained experimental inhibition constants obtained from binding from binding MOAD Database; MOAD Database;

•• http://www.bindingmoad.orghttp://www.bindingmoad.org

•• SESEÇÇTTİĞİİĞİNNİİZ DOKZ DOKİİNG YNG YÖÖNTEMNTEMİİNNİİN N DODOĞĞRULURULUĞĞUNU TEST ETMEK UNU TEST ETMEK İİÇÇİİN!!!!N!!!!

Doking Metodu ValidasyonuDoking Metodu Validasyonu

HEDEF PROTEHEDEF PROTEİİN=HIVN=HIV--proteazproteaz

FlexX FlexX AutoDockAutoDockAD VinaAD Vina

Doking Metodu ValidasyonuDoking Metodu Validasyonu

•• FlexX, AutoDock, AD VinaFlexX, AutoDock, AD Vina•• FarklFarklıı doking ydoking yööntemlerintemleri•• GeniGenişş veri setiveri seti

Hangi program en iyi doking yapar?Hangi program en iyi doking yapar?Hangi XHangi X--Ray yapRay yapııssıınnıı kullanmalkullanmalııyyıız?z?

Hedef molekHedef moleküülelrin 3D koordinatlarlelrin 3D koordinatlarıınnıın n elde edilmesielde edilmesi LigandlarLigandlarıın hazn hazıırlanmasrlanmasııEnzim yapEnzim yapıılarlarıınnıın hazn hazıırlanmasrlanmasııFlexX, AutoDock, AD Vina ile dokingFlexX, AutoDock, AD Vina ile doking

Veri setinde bulunan her HIV proteaz enzim yapVeri setinde bulunan her HIV proteaz enzim yapııssıı iiççin kristal in kristal kompleksinde bulunan ligand enzime yeniden doking yapkompleksinde bulunan ligand enzime yeniden doking yapıılarak doking larak doking metodunun gemetodunun geççerlilierliliğği denenmii denenmişştir.tir.

XX--Ray yapRay yapıılarlarıınnıın PDBn PDB’’den den indirilmesiindirilmesi•• Protein veri tabanProtein veri tabanıı (PDB) 200(PDB) 200’ü’ün n üüzerinde HIVzerinde HIV--PR kristal yapPR kristal yapııssıı iiççerir.erir.•• Bu yapBu yapıılardan yalnlardan yalnıızca FDA onaylzca FDA onaylıı ilailaççlarla komplekslelarla kompleksleşşmimişş, ve X, ve X--Ray Ray

çöçözzüünnüürlrlüüğğüü yyüüksek olan yapksek olan yapıılar (<2A) selar (<2A) seççilmiilmişştir.tir.

Veri setinde bulunan PDB kompleksleriVeri setinde bulunan PDB kompleksleriİİlalaçç KodKod PDBPDB R (R (ǺǺ)) # AA# AA LMALMA L #DBL #DB LA (LA (ǺǺ22)) LH (LH (ǺǺ33))

RitRit RR11 1rl81rl8 2.002.00 9999 636636 2222 595,8595,8 667,8667,8

RitRit RR22 1hxw1hxw 1.801.80 9999 636636 2323 582,6582,6 677,7677,7

IndInd II11 2b7z2b7z 2.202.20 9999 613613 1616 525,4525,4 574,1574,1

IndInd II22 1sdu1sdu 1.251.25 9999 613613 1616 551,7551,7 588,9588,9

NelfNelf NN11 2pyn2pyn 1.851.85 9999 567567 1414 462,4462,4 535,9535,9

NelfNelf NN22 1ohr1ohr 2.102.10 9999 567567 1414 462,1462,1 534,5534,5

DarDar DD11 2hs12hs1 0.840.84 9999 625625 1515 423,5423,5 481,7481,7

DarDar DD22 3d203d20 1.051.05 9999 625625 1515 428428 485,2485,2

SaqSaq SS11 2nmz2nmz 0.970.97 9999 670670 1818 529,2529,2 614614

SaqSaq SS22 3d1x3d1x 1.051.05 9999 670670 1818 541,1541,1 639,5639,5

LopLop LL11 2o4s2o4s 1.541.54 9999 628628 1818 525525 611,3611,3

LopLop LL22 2q5k2q5k 1.951.95 9999 628628 1818 516,3516,3 607,3607,3

TiprTipr TT11 2o4l2o4l 1.331.33 9999 602602 1313 469,8469,8 499,2499,2

TiprTipr TT22 2o4p2o4p 1.801.80 9999 602602 1313 473,9473,9 501,6501,6

Enzim YapEnzim Yapıılarlarıınnıın Hazn Hazıırlanmasrlanmasıı•• Ligand molekLigand moleküüllüüne 6.5 A uzaklne 6.5 A uzaklııkta bulunan tkta bulunan tüüm m

aminoasitler aktif baminoasitler aktif böölge aminoasitleri olarak lge aminoasitleri olarak seseççilmiilmişştir.tir.

•• LigandlarLigandlarıı uzaklauzaklaşşttıırrıılan enzim yaplan enzim yapıılarlarıında aktif nda aktif bböölge aminoasitleri ilge aminoasitleri iççin uygun protonlanma in uygun protonlanma basamaklarbasamaklarıı ve torsiyon ave torsiyon aççıılarlarıı belirlenmibelirlenmişştir.tir.

TTüüm enzim yapm enzim yapıılarlarıınnıın n aminoasitleri aminoasitleri PDB2PQR PDB2PQR serverserver ile fizyolojik ile fizyolojik pHpH’’taki protonlanma taki protonlanma basamaklarbasamaklarıı ve torsiyon ve torsiyon aaççıılarlarıına gna gööre re ddüüzenlenmizenlenmişştir. tir.

Doking Metodu Validasyon SonuDoking Metodu Validasyon Sonuççlarlarıı

Her enzimHer enzim--ligand yapligand yapııssıı iiççin tin tüüm programlarla germ programlarla gerççekleekleşştirilen doking tirilen doking iişşlemleri 4 kez tekrarlanmlemleri 4 kez tekrarlanmışış, sapan de, sapan değğerler aterler atıılarak ortalama sonularak ortalama sonuççlar lar kaydedilmikaydedilmişştir. tir.

Validasyon sonuValidasyon sonuççlarlarıınnıı dedeğğerlendirmede kriterler:erlendirmede kriterler:DoDoğğru doking yapabilme (RMSD)ru doking yapabilme (RMSD)Doking pozunun sDoking pozunun sııralamasralamasıı (skorlama fonksiyonu)(skorlama fonksiyonu)En uygun yapEn uygun yapıınnıın sen seççimi (ortalama RMSD)imi (ortalama RMSD)

RMSDRMSD: : ““Etkin deEtkin değğerer””; Doking sonucunda ligand; Doking sonucunda ligandıın Xn X--Ray koordinatlarRay koordinatlarıından ndan sapmassapmasıı

Figure 4: RMSD values obtained by each docking program in 2 Ǻ cutoff (upper) and rearrangement of the graph with respect to same inhibitor names and codes (bottom).

BaBaşşararıı HikayeleriHikayeleri

•• ARICEPTARICEPT,Eisai,Eisai, , AlzheimerAlzheimer

•• TRUSOPT, Merck, Glaucoma tTRUSOPT, Merck, Glaucoma tedavisiedavisi

•• CRIXIVAN, Merck, AIDSCRIXIVAN, Merck, AIDS

•• VIRACEPT, Pfizer, AIDSVIRACEPT, Pfizer, AIDS

•• AMPRENAVIR, AMPRENAVIR, Glaxo Wellcome, Glaxo Wellcome, AIDSAIDS

•• NOROXIN, Kyorin Pharmaceuticals (AntibiyNOROXIN, Kyorin Pharmaceuticals (Antibiyotiotik)k)

Ref:Ref:Molecular modeling and simulation : Molecular modeling and simulation : AAn interdisciplinary guide (Interdisciplinary applied mathematicsn interdisciplinary guide (Interdisciplinary applied mathematics, vol. 21) , vol. 21) ,, SCHLICK SCHLICK Tamar, Tamar, http://www.biomath.nyu.edu/index/book/ps/chapter2.pdfhttp://www.biomath.nyu.edu/index/book/ps/chapter2.pdf

•• Adar, V., AlgAdar, V., Algüül l ÖÖ., ., ““İİlalaçç KimyasKimyasıına Girina Girişş””Patrcik. G. Oxford University Press.Patrcik. G. Oxford University Press.