Vorlesung 9: CADD 1 (Computer Aided Drud Design) Flashcards
Startpunkt der Arzneistoffentwicklung-Target Assessment
Welche Eigenschaften sollte ein Target haben?
- Zusammenhang mit Krankheit
- Modifikation sollte Verlauf beeeinflussen
- unter physiologischen Bedingungen nicht relevant
- druggable
- assayable (wie zB. HTS)
- Biomarker für klinischen Endpunkt
- Patentrecht
Target identification
Schlüsselfaktoren bei der Targetfindung?
- Disease Understanding
- Understanding of basic molecular mechanism
- Access to models and technologies
Strukturbasiertes Design
Was ist das?
- wie muss ich ein Molekül modifizieren um die Affinität zu verbessern?
- Mehr als Docking- proof of concept am isolierten Target: Assay und Kristallstrukur
Target Struktur
freie Proteindatenbank?
Wie werden die meisten Strukturen erhalten?
PDB: www.rcsb.org
- X-Ray
- Solution-NMR
- ELektronenmikroskopie
X-Ray
Wie funktioniert Proteinkristallisation?
- etwas Präzipitationslösung + Protein Mixen
- luftdicht verschließen
- in Proteinlösung höherer Wasseranteil als in Präzipitationslösung
- >Diffusion Wasser ins Präzipitat
- >Erhöhung der Proteinkonzentration>>Auskristallisieren
- viele Varianten, zB. Hanging Drop Vapor diffusion
X-Ray
Wie entsteht das Bild einer Struktur ?
- Braggs Law: Beugung der Elektonen
- Anregung der Elektronen>Emittieren>Referenzmuster gibt Streubild
- wenn aus verschiedenen Winkeln >Elektronendichte-Karte
- >reinmodulieren der Struktur
Asymmetric Unit und Biological Assembly
Was versteht man darunter?
- Biological Assembly: Struktur in der das Biomolekül physiologisch vorliegt und seine Funktion entfaltet
- Asymmetric Unit: sich wiederholende Struktureinheit im Kristall, je nach Präzipitationslsg und Bedingungen unterschiedliches Auskristallisieren
- Bsp. Häm (normalerweise Tetramer)
Auflösung/resolution X-RaY
Masseinheit?
- Å (Angström)
- je kleiner desto besser
Kristallstruktur durch NMR
Vorteile/Nachteile?
+:
- Messung in Lösung
- Flexiblität (Wie bewegt sich das Protein in Lösung)
- Protonen sind sichtbar
-:
- nur für große Moleküle anwendbar (50-79kDa)
- Labeling mit Isotopen ist teuer (13C,15N,D2O,..)
- nicht beste “Auflösung”
Krypto-Elektronenmikroskopie
(Chemie-Nobelpreis 2017)
Welche Besonderheit bei der Probenvorbereitung?
Funktionsweise?
- Probe kommt auf Gitter in nativer Lsg.
- wird in Ethan welches von flüssigen N2 umgeben ist schockgefroren
- Wasser wird vitrifiziert (glasartiger Zustand)
- Messung der Probe die in unterschiedlichen Koordinationen vorliegt
- mit besonderer Software zur Auswertung Zuordnung der Bilder (welche Bilder gleiche Koordinierung)>Generierung einer 3D-Struktur
Molecular Recognition
Struktur-basiertes Design > a perfect fit
Wozu?
- Vorhersage des Bindungsmodus
- und der Bindungsenergie
- keine sterische Abstoßung
- keine Lücken
- chemische Komplementarität
Wie lang ist eine H-Brückenbdg?
280-320 pm
Wie kann man die Stärke von hydrophoben WW abschätzen?
- ungefähr proportional zur vergrabenenhydrophoben Oberfläche
- 50-200 J/mol pro A°² vergrabene Oberfläche
in vielen Fällen der dominante Beitrag zur freien Bindungsenthalpie
der “klassische” hydrophobe Effekt
Was ist das?
- hydrophobe Bereiche lagern sich zusammen
- Sind von Wasser wie von einem Käfig umgeben
- umliegenden Wassermoleküle weniger geordnet
>>Oberflache Hydrophober Moleküle wird kleiner
>> Maximierung der Menge an freien Wasser
>>Entropieerhöhung
Was bewirkt eher eine energetisch günstige Struktur?
H-Brücken oder hydrophobe WW?
- Aussage mit steigender Anzahl von HBrücken steigt die Affinität ist pauschal FALSCH-Nullsummenspiel
- Grund: Desolvatisierungsstrafe
- Hydrophobe WW auch nicht pauschal zu sagen
Liganden und Konformationsanalyse
Wie nimmt ein Rezeptor einen Liganden wahr?
- Form/Größe /Oberfläche
- Ladung/Elektronendicht
- Energie der Ligandengeometrie
- Konformationen>3D:
- Eutomer vs Distamer (wirksame Form und unwiksame)
- sterische Eigenschaften
isostere gruppe von
A)Pyrazol
B) Carbonsäure
C)Benzen
A)Imidazol
B)Tetrazol
C)Thiophen
Berechnung der “conformational energy”
Welche Methoden gibt es?
- Kraftfeldmethode (klassische Mechanik)
- Quantenchemische Methoden (QM)
Quantenmechanische Methoden
Worauf beruhen Sie?
Warum bezeichnet man sie als First Principle Method?
- Elektronische Struktur (Schrödinger Gleichung bzw eher deren Annährungen)
- weniger Annahmen erforderlich (keine vordefinierten Atomtypen,Partialladungen,…)
- Anspruch:as good as or better then experiment>sehr genau
Nachteil: sehr langsam
daher keine Anwendung im strukturbasierten Design
Kraftfeldmethoden
Prinzip?
mathematische Umsetzung?
- Molekül-Mechanik:
- Federmodell für Bindungslängen und Winkel
- Torsion>sin/cos Funktionen verwendbar
- Annahmen von Atomen (Hybridisierung) und Ladungen erfroderlich
suche (lokale) Minima der Energiefunktion> wichtig fürs Docking
Konformationsanalyse
Was muss beachtet werden?
- Liganden sind flexibel> Konformation in Lösung entspricht nicht unbedingt der bei der Bindung am Rezeptor
- gebundenes Konformer muss nicht Globales Minimum sein
>>Untersuchung der unterschiedl. Geometrien und ihrer Energien=Konformationsanalyse
- einige Torsionswinkel sind bevorzugt> Darstellung als Energiefläche mgl
Konformationssuche-Strategien-Suche nach globalen Minimum
Was ist die Monte-Carlo-Strategie?
- Zufallssystem:Wahl zufälliger Startgeometrien
- Energieminimierungen durchführen
Mechanismus:
- Habe ich das Minimum schon? >nein: auf liste der Konformere hinzufügen
- ja: bin ich schon fertig?>nein: bestimme die struktur für nächste Wdh
- JA. STOP
Konformationssuche-Strategien
Molecular Dynamics
- zeitaufwendige Stimulation der Molekülbewegung (Kraftfeldmethode)
- Simuliert Verhalten von Molekülen in Lsg, Vakuum, Luft,…
Konformationssuche-Strategien
Wissensbasierte Ansätze (Knowledge based)
- häufig beobachtete Geometrien sind energetisch bevorzugt
- Zugriff auf Datenbanken wie CSD (Cambridge structural databases)
- statische Ableitungen mgl welche Torsionswinkel oft günstig
