8. Vorlesung WS 2004/05 Softwarewerkzeuge 1 V8 Protein-Liganden-Wechselwirkung Beispiele für Protein-Liganden Komplexe Wo ist das aktive Zentrum? (Docking wird hier nicht behandelt – siehe Spezialvorlesungen von A. Kämper und A. Hildebrandt/D. Neumann im SS05) Wie stark binden Liganden an Proteine? Wie kann man die Affinität des Liganden verbessern? Wie gelangen Liganden zum Protein (elektrostatische Anziehung)? Wie gelangen sie ins Proteininnere bzw. wieder hinaus?
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8. Vorlesung WS 2004/05Softwarewerkzeuge1 V8 Protein-Liganden-Wechselwirkung Beispiele für Protein-Liganden Komplexe Wo ist das aktive Zentrum? (Docking.
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8. Vorlesung WS 2004/05
Softwarewerkzeuge 1
V8 Protein-Liganden-Wechselwirkung
Beispiele für Protein-Liganden Komplexe
Wo ist das aktive Zentrum?
(Docking wird hier nicht behandelt – siehe Spezialvorlesungen von A. Kämper und
A. Hildebrandt/D. Neumann im SS05)
Wie stark binden Liganden an Proteine?
Wie kann man die Affinität des Liganden verbessern?
Wie gelangen Liganden zum Protein (elektrostatische Anziehung)?
Wie gelangen sie ins Proteininnere bzw. wieder hinaus?
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beta-Trypsin:Benzamidin (3ptb)
www.scripps.edu/pub/olson-web/doc/autodock
Enge, sehr polare Bindungstasche auf Proteinoberfläche.
Amidin-Gruppen des Liganden bilden 4 H-Bindungen mit Carboxylgruppen des Proteins (Trypsin) aus.
Benzolring passt optimal in hydro-phobe Tasche.
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Cytochrome P450cam : Kampher (2cpp)
www.scripps.edu/pub/olson-web/doc/autodock
Weites, recht unpolares aktives Zentrum im Proteininneren.
Tyr48, His110 und Cys298 bilden das aktive Zentrum. Die anderen Residuen
liegen in der Nähe.
Ondrechen, Clifton, Ringe,
PNAS 98, 12473 (2001)
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Titrationskurven aller Lys-Residuen
in PMI
Theoretische Titrationskurven
PMI katalysiert die Interkonversion von Mannose-6-Phosphat und Fructose-6-Phosphat. Man findet 4 Residuen mit verschobenen, flachen Titrationskurven:His135, Lys100, Lys136, Tyr287.Alle liegen eng beieinander, die ersten 3 wohl im aktiven Zentrum und His135nahe bei Lys136.
Ondrechen, Clifton, Ringe,
PNAS 98, 12473 (2001)
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Weitere BeispielePDB ID Name Chemie Residuen mit auffälligen Titrationskurven
1WBA Winged bean Speicherung - keine keine albumin Enzymfunktion
Residue imzweiter Schale.Residue im
aktiven ZentrumOndrechen, Clifton, Ringe,
PNAS 98, 12473 (2001)
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Fazit
Mittels elektrostatischer Kontinuumsrechnungen für bekannte Kristallstrukturen
von Proteinen wurde für verschiedene externe pH-Werte die energetisch
optimale Gesamtladung der Proteine berechnet.
Aktive Zentren von Enzymen enthalten oft mehrere polare bzw. geladene
Seitenketten um die chemische Umwandlung zu katalysieren.
Deren Titrationszustände sind eng aneinander gekoppelt und zeigen im
Vergleich zu isolierten Seitenketten sehr ungewöhnliche Titrationskurven.
Diese Methode erlaubt also die Position von aktiven Zentren allein aufgrund
der Proteinstruktur zu erkennen.
Ondrechen, Clifton, Ringe,
PNAS 98, 12473 (2001)
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Wie stark binden Liganden an Proteine?
Kuntz, Chen, Sharp, Kollman, PNAS 96, 9997 (1999)
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exp. Affinitäten von Protein:Liganden Komplexen# Atome Ligand Target Typ -log K1
1 Ca2+ Amino-transferase IM 6.70 IM: Metallionischer Inhibitor1 Hg2+ Uroporphy-synthase IM 6.00 1 Mn2+ Inositol-phosphatase IM 5.70 1 Fe3+ Hydroxylase IM 5.301 Ag+ Arylformamidase IM 5.00 1 F- Phosphotransferase IA 4.55 IA: kleiner anionischer Inhibitor1 S2- Peroxidase IA 4.281 Xe Myoglobin L 2.30 L: Ligand (Agonist oder Antagonist)1 NH3 Meamine glutamate transferase I 1.79 I: Inhibitor2 CO Myoglobin L 7.522 O2 Myoglobin L 6.182 Cyanide Methane oxygenase IA 6.00 2 Hydroxylamine Glycerol oxidase IC 5.92 IC: potentiell kovalente Wechselwirkung3 Azide Glycerol oxidase IA 5.703 Ethylamine Protease I I 3.004 Thioacetamide Methan monooxygenase I 5.004 NO3
- Carbonate deydratase IA 4.704 Vanadate Phytase IA 4.555 Thiosemicarbazide Methane monooxygen. I 6.00 5 SO4
2- Creatine kinase IA 5.225 Iodoacetamide Methyl transferase IC 5.00 6 Putrescine Spermine synthase I 8.776 Aminooxyacetic acid Aminotransferase I 7.19 6 Oxalat Lactate dehydrogenase IA 5.807 -Aminobutyid acid Neuromanidase transmitter L 8.00 7 L-Cysteine Serine acetyl transferase I 6.227 Aminomethiozolidine Methyl transferase I 5.40 8 Muscimol -aminobutylicacid agonist L 8.73 8 Bromopyrimidone Cytosine deaminase I 6.24 8 Phosphonoacetic acid DNA polymerase I 6.00 9 Acetopyruvate Acetoacetate decarboxylase I 7.009 Methyl iodotyrosine Tyrosine monooxygenase I 6.30 9 Nitrooxazolidinone Aldehyde dehydrogenase I 5.46 9 Benzamidine Trypsin I 4.77
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experimentelle Protein-Liganden Affinitäten
10 Allopurinol Xanthine oxidase I 9.17 10 Acetylcholine Cholinergic receptor L 8.14 10 Cabachol Cholinergic receptor L 7.8511 Mercapto oxoglutaric Isocitrate dehydrogenase I 8.3011 Diethyl pyrocarbonate Ca2+ transmitter L 8.80 11 Dopamine , , -androgen receptor L 8.6512 Norepinephrine Adrenergic agonist L 8.8812 Nicotine Nicotinic receptor L 8.2212 Hydroxybenzyl-Me3NR4 Acetycholiesterase I I 7.6813 Tiamenidine -Adrenergic agonist L 8.6613 Serotonin 5-Hydroxy tryptamine receptor L 8.3013 Benzyl mercaptopropionate Carboxypeptidase I 7.9614 Guanabenz -Adrenergic receptor L 9.0214 Methylenpenicillanic -Lactamase I 8.8514 Captopril Carboxypeptidase I 8.7015 Aminoclonidine L 9.32 15 Guanfacine -Adrenergic agonist L 8.7315 Isatin derivative Rhino protease I 7.3016 Acetophenone derivative ACEsterase IC 14.8916 Biotin Streptavidin L 13.4316 Naphazoline Adrenergic L 8.73 17 Melatonin Melatonin receptor L 8.9617 Guanine derivative Purine nucleoside phosphorylase I 7.9617 piperoxan antihyper. receptor L 7.8518 Iodomelatonin Melanin receptor L 10.6818 Alprenolol -adrenergic receptor L 9.4718 Phosphoramidon Metalloproteinase I 7.5519 Vesamicol Vesamicol receptor L 9.4719 Propranolol -adrenergic receptor L 9.3919 Trimethopri der Dihydrofolate reductase I 8.5320 Estradiol Steroid receptor L 9.6920 Melatonin derivative Melatonin receptor L 9.6820 Vesamicol derivative Vesamicol receptor L 9.2021 2-Carboxyl arabinitol bisphosphate Ribulose carboxylase I 12.7221 4-Carboxyl arabinitol bisphosphate Ribulose carboxylase I 10.5521 Triprolidine Histamine antagonist L 9.9821 Trimethoprim dihydrofolate reductase I 8.44
# Atome Ligand Target Typ -log K1
Kuntz, Chen, Sharp, Kollman,
PNAS 96, 9997 (1999)
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22 Amitriptylinoxide Antidepressant L 9.0222 Mazindol derivative Dopamine transporter L 8.8222 Indolyl ethyl amines 5-Hydroxy tryptamine receptor L 8.4922 Isatin derivative Rhino protease I 8.0023 Vesamicol der. VR L 11.0523 Neuraminic acid der. Sialidase I 10.5223 Melatonin der. melamin receptor L 10.2423 Vesamicol der. VR L 10.1724 Vesamicol der. VR L 11.1924 Isatin der. Rhino protease I 8.7024 Methadone Narcotic L 8.6625 Melatonin der. Melamin receptor L 9.6225 Corticosterone Steroid receptor L 8.5125 Isatin der. Rhino protease I 8.4026 Aldosterone Steroid receptor L 9.3226 Haloperidol Antipsychotic L 9.0226 Yohimbine -2 adrenergic receptor L 8.7326 Isatin der. Rhino protease I 8.4027 Vesamicol der. VR L 9.7427 Dexetimide Anticholinergic L 8.8027 Dehydrosinefungin mRNA Me trans. I 8.7428 Vesamicol der. VR L 9.8228 Indoyl ethyl amines 5-Hydroxy tryptamine receptor L 9.7028 Prazosin 1-adrenergic agonist L 9.6229 Spiperone L 10.27 29 Ketanserin Serotonin antagonist L 9.3929 Dextromoramide Analgesic L 9.02 30 Peptide phosphonates Carboxy peptidase IM 12.0030 Domperidone Dopamine antagonist L 10.1330 Etorphine Narcotic L 9.91
# Atome Ligand Target Typ -log K1
Kuntz, Chen, Sharp, Kollman, PNAS 96, 9997 (1999)
experimentelle Protein-Liganden Affinitäten
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31 Carboxamide derivative 5-Hydroxy tryptamine receptor L 9.5431 Benzodiazepine derivative Integrin antagonist L 8.6031 Budesonide Glucocorticoid receptor L 8.5431 Flavin mononucleotide Cytochrome b reductase I 8.1032 Serotonin dimer 5-Hydroxy tryptamine receptor L 9.3432 Cyclic urea HIV protease I 8.85 32 Hoechst 33258 DNA L 7.4133 Methotrexate Dihydrofolate reductase I 9.70 34 Cyclic-aza isostere HIV protease I 10.21 34 Buprenorphine narcotic L 9.83 34 Pimozide antipsychotic L 9.39 34 Hoechst 33342 DNA L 7.44 35 Peptide phosphonates Carboxypeptidase IM 11.52 35 Argatroban Thrombin I 7.7235 Peptide derivative Thermolysin I 7.29 36 Cyclic-aza isostere HIV protease I 10.15 36 Benzodiazepines Integrin L 8.55 36 Cyclic urea HIV protease I 8.37 37 Peptide phosphonates Carboxypeptidase IM 11.40 37 Cyclic-aza isostere HIV protease I 9.31 37 Benzodiazepines Integrin L 8.80 38 Hydroxypyrone HIV protease I 10.22 38 Cyclic urea HIV protease I 9.92 38 Benzodiazepines Integrin L 8.40 39 Cyclic sulfone HIV protease I 9.52 39 Benzodiazepines Integrin L 7.05 40 Cyclic-aza isostere HIV protease I 11.30
40 Hydroxy pyrone HIV protease I 11.16
# Atome Ligand Target Typ -log K1
Kuntz, Chen, Sharp, Kollman, PNAS 96, 9997 (1999)
experimentelle Protein-Liganden Affinitäten
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41 Peptide phosphonates Carboxypeptidase IM 12.00 41 Cyclic urea HIV protease I 9.48 41 Cyclic sulfone HIV protease I 9.22 42 Hydroxypyrone HIV protease I 11.10 42 Cyclic urea HIV protease I 9.85 43 Peptide phosphonates Carboxypeptidase IM 13.96 43 Cyclic urea HIV protease I 9.4843 Cyclic sulfone HIV protease I 9.00 44 Cyclic urea HIV protease I 10.41 45 Serotonin dimer 5-Hydroxy tryptamine receptor L 10.05 46 Cyclic urea HIV protease I 10.75 46 Cyclic urea HIV protease I 9.51 47 Zaragozic acid A Squalene synthase I 10.11 48 Cyclic urea HIV protease I 10.35 50 Cyclic urea HIV protease I 10.20 50 Hydroxyethyl amine derivative Cathepsin D I 7.85 51 Zaragozic acid B Squalene synthase I 10.54 51 Combichem hydroxyethyl amine derivative Cathepsin D I 8.0552 Cyclic urea HIV protease I 9.37 54 Cyclic urea HIV protease I 10.57 54 Combichem hydroxyethyl amine derivative Cathepsin D I 7.23 55 Peptide-based Thrombin receptor L 7.40 56 Cyclic urea HIV protease I 10.37 56 Peptide-based Thrombin receptor L 7.92 58 Cyclic urea HIV protease I 10.96 60 Cyclic urea HIV protease I 10.80 62 Cyclic urea HIV protease I 10.62 64 Cyclic urea HIV protease I 10.07 64 Acetyl-CoA Acetyl-CoA carboxylase I 8.00 67 Peptide-based Thrombin receptor L 8.10 68 Stearyl-CoA Acetyl-CoA carboxylase I 8.89
# Atome Ligand Target Typ log K1
Kuntz, Chen, Sharp, Kollman, PNAS 96, 9997 (1999)
experimentelle Protein-Liganden Affinitäten
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Bindungsaffinität
Metallionen oder Metalloenzyme
kleine Anionen
natürliche LigandenEnzyminhibitoren
linearer Anstieg der freien
Bindungsenthalpie zu Beginn
bis ca. 15 Nicht-H-Atome
Gbinding = - 60 kJ mol-1 maximal.
Dann wird Sättigung beobachtet.
Kuntz, Chen, Sharp, Kollman, PNAS 96, 9997 (1999)
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Interpretation
Metallionen und Anionen binden
am stärksten.
Nanomolekulare Liganden können
bereits mit 7-10 Atomen erreicht werden.
Grössere Liganden
- besitzen üblicherweise nur eine
kleine Zahl polarer Atome pro Molekül
- die elektrostatischen Gruppen der
Bindungsstelle werden zunehmend
im Inneren begraben
- sind oft elektrisch neutral
- besitzen mehr entropische
Freiheitsgrade
Kuntz, Chen, Sharp, Kollman, PNAS 96, 9997 (1999)
-G pro Atom
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Wie kann man die Bindungsaffinität verbessern?
Es gibt 2 Strategien zum Design von stark bindenden Inhibitoren:
(a) kombinatorische Strategien
(b) rationale Strategien.
Beide Strategien erlauben es in der Praxis
effizient Lead-Moleküle mit geringer Affinität zu finden;
beide sind ineffizient und unzuverlässig, Liganden mit hoher Affinität zu finden (nM).
Anwendung der kombinierten Strategie CombiSMoG um Ligand für menschliche
Carbonic Anhydrase II (HCA) zu finden.
Resultat: Es wurde der stärkste bisher bekannte Ligand für HCA gefunden
( Kd = 30 pM).
Grzybowski et al. PNAS 99, 1270 (2002)
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CombiSMoG
Analyse von 1000 Protein-Liganden Komplexe in PDB
entwickle statistisches Potential zwischen Atomen des Liganden und des
Proteins
Kontakt ja, wenn Distanz < 5 Å
Vorteile gegenüber Molekülmechanik-Kraftfeldern:
(1) sehr schnell auszuwerten
(2) Potentialwerte beinhalten implizit die Entropie für Wasserdesolvatation,
entsprechen freien Bindungsenthalpien
(3) Potential ist typisch für Protein-Liganden-Wechselwirkungen
Grzybowski et al. PNAS 99, 1270 (2002)
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CombiSMoG-Algorithmus
Dunkelgrünes Fragment wird in
Bindungstasche positioniert.
Weiteres Fragment aus einer Bibliothek
mit 100 organischen Substanzen (blau)
wird angefügt. Winkel wird in 60° Schritten
optimiert.
Fragment wird akzeptiert, wenn neuer
Gesamt-Score besser als der alte ist
bzw. entsprechend einer Monte-Carlo-
Zufallsentscheidung.
Die Suche nach weiteren Fragmenten
wird fortgesetzt bis Abbruchbedinung
erreicht wird (z.B. maximale Anzahl
an Nicht-H-Atomen erreicht, z.B. 30).
Methode kann 50.000 Strukturen
pro Tag generieren.
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Strukturen der 5 Liganden mit
den besten Scores.
In Klammer die Bewertung nach
Optimierung mit dem CHARMM-
Kraftfeld.
Die lila und hellblauen Moleküle
wurden synthetisiert und ihre
Kristallstruktur mit HCA
bestimmt.
kombinatorisches Liganden-Design
Geeignetes Startfragment
mit KD = 120 nM um WW
mit Zink-Ion zu vermeiden.
(H2NO2S-Gruppe hat
Kontakt mit Zn2+).
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Spektakulärer Erfolg für theoretisches Liganden-Design
Vorhergesagte Orientierung
der R- und S-Stereoisomere
In gelb ist jeweils die
Kristallstruktur gezeigt.
Oben und unten in B sind
zwei verschiedene
Ansichten gezeigt.
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Korrelation von CombiSMoG Scores mit exp. Daten
Korrelation für Inhibitoren von HCA, 80 Liganden für für die Kristallstrukturen vorliegen asp: Aspartic Protease
Moleküldynamiksimulationen wurden von gebundenem Zustand gestartet,
zufällige „Kicks“ wirken auf den Liganden, damit der Austritt aus dem Protein
beschleunigt wird.
Winn et al. PNAS 99, 5361 (2002)
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Cytochrom P450: mögliche Austrittspfade der Liganden
Kristallstrukturen
Konformation nach Ligandenaustritt (Simulation)
Ligandenaustritt erfordert grössere transiente dynamische Kontrollekleine Änderungen des Änderungen des der Kanalöffnung Rückgrats, Rotation von Proteinrückgrats durch Arg185aromatischen Seitenketten
Mechanismus der Protein-Öffnung ist an physikochemische Eigenschaften desjeweiligen Substrats angepasst.
Winn et al. PNAS 99, 5361 (2002)
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Zusammenfassung
Die Protein:Liganden Wechselwirkung ist heutzutage relativ gut verstanden.
Wir haben Tools kennengelernt, mit denen man
- die Position des aktiven Zentrums lokalisieren kann
- Bindungsaffinitäten abschätzen bzw. verbessern kann
- die Assoziation bzw. Dissoziation des Liganden simulieren kann.
Für die Zukunft bleibt:
(1) korrelierte Analysen aus der umgekehrten Richtung: finde einen Liganden,
der selektiv an ein bestimmtes Protein bindet, jedoch nicht an andere
(2) Automatisierung + Verknüpfung der obigen Schritte