Молекулярный докинг (или молекулярное стыковки) — это метод молекулярного моделирования, который позволяет предсказать наиболее выгодную для образования устойчивого комплекса ориентацию и положение одной молекулы по отношению к другой.

Общее описание

Молекулярный докинг — определение самой выгодной ориентации и размещения одних молекул относительно других. Осуществляется с помощью операции, при которой одну молекулу приближают к другой, непрерывно вычисляя энергию взаимодействия между ними при различных ориентациях и конформациях, постепенно устанавливая выгодную взаимную ориентацию. При вычислениях зачастую учитывают только кулоновские и вандерваальсови взаимодействия между атомами молекул.

Метод лежит в основе структурного дизайна лекарств. Исходной информацией для докинга служат трехмерные структуры белка (рецептора) и лиганда, конфирмацийна подвижность и взаиморасположение которых моделируется в процессе докинга. Результатом моделирования является конформация лиганда, которая наилучшим образом взаимодействует с белковым сайтом связывания.

Осуществляется с помощью операции, при которой одну молекулу приближают к другой, непрерывно вычисляя энергию взаимодействия между ними при различных ориентациях и конформациях, постепенно устанавливая выгодную взаимную ориентацию. При вычислениях зачастую учитывают только кулоновские и вандерваальсови взаимодействия между атомами молекул.

Знание оптимальной молекулярной ориентации может быть использовано для предсказания силы ассоциации или родства между двумя молекулами. Связь между биологически значимыми молекулами, такими как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды играет центральную роль в передаче сигнала. Кроме того, относительная ориентация двух взаимодействующих партнеров может повлиять на тип сигнала (например, антагонизм против агонизму). Поэтому докинг может использоваться для прогнозирования силы и типа сигнала. Метод лежит в основе структурного дизайна лекарств.

Основные признаки молекулярного докинга

  1. В общем случае число молекул произвольное.
  2. Парный докинг — стыковка одной молекулы (лиганда) к другому (мишени).
  3. Моделирование дает только конечное состояние комплекса (ничего не известно о траектории образования комплекса).
  4. В процессе работы формируется большое число промежуточных вариантов надмолекуляних структур (комплексов).
  5. Выбор вариантов осуществляется произвольно.
  6. Как правило процедура не дает окончательного варианта структуры комплекса.

Определение проблемы молекулярного докинга

Изучение взаимодействия лигандов с соответствующими белками (рецепторами, ферментами) является одним из ключевых задач молекулярной биологии, биотехнологии и медицины, поскольку от его успешного решения зависит дальнейший прогресс в таких практически важных областях, как разработка новых лекарств, получение высокопроизводительных ферментов и т. Компьютерное моделирование межмолекулярных взаимодействий и носит название молекулярной докинг. Схематически идея докинга представлена ​​на рисунке.

Основная цель докинга — получение оптимальных (по установленным критериям) пространственных структур комплексов. Их анализ позволяет выявить участки "взаимного опознавания" молекул, определить движущие силы, которые способствуют связыванию. В результате появляется возможность целенаправленного воздействия на характеристики связывания путем модификации одной или нескольких взаимодействующих молекул — например, за счет введения точечных мутаций в белок, изменения физико — химических свойств лиганда и тому подобное. Как правило, при выполнении расчетов на систему накладывают определенные ограничения. Например, часто учитывают конформационную подвижность лиганда, то есть при исчислении и последующей минимизации полной энергии системы координаты атомов лиганда варьируют. Напротив, молекулу белка, как правило, считают неподвижной, или конформационно лабильной является лишь небольшая область сайта связывания с лигандом. Таким образом, в процессе докинга подвижный лиганд ориентируется относительно недвижимого белка-мишени. Взаимная пространственная ориентация лиганда и белка — мишени является основным результатом докинга. "Правильность" ориентации оценивается с помощью специальной оценочной функции, коррелирует с экспериментально определенной свободной энергией связывания лиганда. Основное назначение оценочной функции докинга — отображать свободную энергию связывания лиганда (ΔΔG), однако в силу целого ряда приближений, присущих задачей докинга, корреляция не всегда присутствует. Приведенная функция учитывает все попарные невалентных (Ван — дервальсови и электростатические) взаимодействия между атомами лиганда и между лигандом и белком.

Сферы применения

Комплексы таких биологически важных молекул, как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды играют ключевую роль в передаче химического сигнала. К тому же, относительная ориентация двух взаимодействующих молекул может влиять на тип генерируемого сигнала (будет он ингибирующим или каталитическим). Поэтому докинг важен для предсказания как типа, так и силы произведенного сигнала.

Обычно докинг используют для решения следующих типовых задач:

  1. Подбор лигандов, наиболее эффективно взаимодействующих с исследуемым белком, путем последовательного перебора потенциальных кандидатов из баз данных низкомолекулярных соединений.
  2. Поиск в пространственной структуре исследуемого белка сайта связывания для определенного лиганда.
  3. Оптимизация активного сайта белка — мишени путем введения в него точечных мутаций, повышающих эффективность взаимодействия с определенным лигандом или классом лигандов.

В первом из перечисленных вариантов молекулярный докинг используют в процессе создания новых лекарственных препаратов. В вариантах 2 и 3 компьютерное моделирование позволяет оптимизировать свойства белка — мишени таким образом, чтобы добиться желаемого изменения параметров связывания его с нужными лигандами — например, повысить их сродство и / или специфичность, блокировать связывание и т.д.

Подходы к моделированию докинга

Существуют два подхода при моделировании докинга. Один подход использует технику соответствия, которая описывает белок и лиганд как дополнительные поверхности. Второй подход моделирует фактический процесс докинга, в котором исчисляются попарные энергии взаимодействия. В обоих подходах есть существенные преимущества, а также некоторые ограничения.

Взаимозависимость формы

Геометрическое соответствие (методы взаимозависимости формы) описывается для белка и лиганда как ряд особенностей, которые позволяют их докингуваты. Эти особенности могут включать как же молекулярную поверхность, так и описание дополнительных особенностей поверхности. В этом случае молекулярная поверхность рецептора описывается с точки зрения ее доступности площади поверхности для растворителя, а молекулярная поверхность лиганда описывается с точки зрения ее соответствия описания поверхности рецептора. Взаимозависимость между двумя поверхностями составляет описание соответствия формы, которая может помочь выявлению дополнительного положения докинга молекулы-мишени и молекул лиганда. В другом подходе нужно описать гидрофобные особенности белка, используя повороты в атомах главной цепи.

Симуляция

В этом подходе белок и лиганд отделены некоторыми физическим расстоянием, и лиганд находит нужное положение на активном сайте белка после определенного числа «шагов». Шаги включают преобразование твердого тела, такие как перемещение и вращение, а также внутренние изменения структуры лиганда включая угловые вращения. Каждый из этих шагов в пространстве меняет полную энергичную оценку системы, и следовательно она исчисляется после каждого движения. Очевидное преимущество этого метода заключается в том, что это позволяет исследовать гибкость лиганда при моделировании, тогда как методы взаимозависимости формы должны использовать некоторые другие методы, чтобы узнавать о гибкости лиганда. Другое преимущество заключается в том, что процесс физически ближе к тому, что происходит на самом деле, когда белок и лиганд приближаются к друг другу после молекулярного распознавания. Неудобство этой техники — то, что она занимает время, чтобы оценить оптимальную позу закрепления, так как необходимо исследовать достаточно большой энергетический пейзаж.

Программы для молекулярного докинга

Существует много программ для теоретического докинга белков. Большинство из них работает по следующему принципу: один белок фиксируется в пространстве, а второй поворачивается вокруг него различными способами. При этом, для каждой конфигурации поворотов проводятся оценочные расчеты по оценочным функциями. Оценочная функция основана на поверхностной комплементарности, электростатических взаимодействиях, Ван-дер-Ваальсовском отталкивании и так далее. Проблема при этом поиске в том, что вычисления по всему конфигурации пространства требуют много времени на вычисления, редко приводя к единому решению. Знание об ориентации могут быть использованы для предсказания прочности комплекса или родства связей между двумя молекулами с помощью использования отдельных вычислений.

Некоторые программы докинга:

DOCK

  • Используется алгоритм соответствия молекулярной формы, в версии 3.5 — жесткий докинг, начиная с версии 4.0 — лиганд гибкий, адаптированная для поиска лигандов в базах данных.

GOLD

  • Используется генетический алгоритм, лиганд гибкий.

FLEXX

  • Лиганд гибкий, есть возможность учета подвижности боковых радикалов аминокислотных остатков.

FRED

  • Жесткий докинг, но есть возможность генерации, отбора и использования конформеров. Очень быстрый.

AUTODOCK

  • Используется генетический алгоритм, лиганд гибкий.

DOCKINGSHOP