Кіріспе

Молекулалық модельдеудегі болжау әдісі

Молекулалық модельдеу саласында докинг – лиганд пен нысана бір-бірімен байланысып, тұрақты кешен құраған кезде, бір молекуланың екіншісіне қатысты ең қолайлы бағытын болжайтын әдіс. Бұл бағыт туралы білу, екі молекула арасындағы байланыс немесе байланысудың күшін болжау үшін, мысалы, бағалау функцияларын қолдану арқылы пайдаланылуы мүмкін. Ақуыздар, пептидтер, нуклеин қышқылы, көмірсулар және липидтер сияқты биологиялық маңызды молекулалар арасындағы байланыстар сигналдарды беруде маңызды рөл атқарады. Екі өзара әрекеттесетін молекуланың салыстырмалы бағыты тудыратын сигналдың типіне әсер етуі мүмкін (мысалы, агонизмге қарсы антагонизм). Сондықтан, докинг сигналдың күшін де, типін де болжауға көмектеседі. Молекулалық докинг – кіші молекулалық лигандтардың тиісті нысанаға байланысу орнына байланысу конформациясын болжау мүмкіндігіне байланысты, құрылымдық негіздегі дәрілік препараттарды жобалауда ең көп қолданылатын әдістердің бірі. Байланыс мінез-құлқын сипаттау дәрілік препараттарды рационалды жобалауда, сондай-ақ негізгі биохимиялық процестерді түсіндіруде маңызды рөл атқарады.

Мәселе анықтамасы

Молекулалық доктауды «кілт пен құлып» мәселесі ретінде қарастыруға болады, онда «кілттің» дұрыс салыстырмалы бағытын табу қажет, ол «құлыпты» ашады (құлыптың бетінде кілт тесігі қайда, кілт енгізілгеннен кейін оны қай бағытта бұру керек және т.б.). Мұнда белокты «құлып» деп, ал лигандты «кілт» деп қарастыруға болады. Молекулалық докингті оптимизация мәселесі ретінде анықтауға болады, ол белгілі бір қызығушылық тудыратын белокқа байланысатын лигандтың ең жақсы сәйкес келетін бағытын сипаттайды. Дегенмен, лиганд және белок екі жақты болғандықтан, «қолы қолғапқа» аналогиясы «кілт пен құлыпқа» қарағанда көбірек сәйкес келеді. Докинг процесі барысында лиганд пен белок жалпы «ең жақсы сәйкес» болу үшін өз конформацияларын бейімдейді, ал осы конформациялық түзетулердің нәтижесінде байланыс орнауы «индукцияланған сәйкестік» деп аталады. Молекулалық докинг зерттеулері молекулалық тану процесін есептеу арқылы модельдеуге бағытталған. Оның мақсаты – белок пен лиганд үшін оңтайландырылған конформацияға және белок пен лиганд арасындағы салыстырмалы бағытқа қол жеткізу, соның нәтижесінде жүйенің жалпы еркін энергиясы ең төменгі деңгейге жетеді.

Қонуға кіру жолдары

Молекулалық доктау қауымдастығында екі тәсіл ерекше танымал. Бір тәсіл ақуыз бен лигандты толықтыратын беттер ретінде сипаттайтын сәйкестендіру техникасын қолданады. Екінші тәсіл лиганд пен ақуыздың жұптық өзара әрекеттесу энергияларын есептеп, нақты доктау процесін модельдейді. Екі тәсілдің де маңызды артықшылықтары және кейбір шектеулері бар. Олар төменде сипатталған.

Пішіннің толықтылығы

Геометриялық сәйкестік/формалық толықтырмалылық әдістері ақуыз бен лигандты оларды қосалқылайтын қасиеттер жиынтығы ретінде сипаттайды. Бұл қасиеттерге молекулалық бет / толықтыратын бет сипаттамалары кіруі мүмкін. Осы жағдайда рецептордың молекулалық беті оның еріткішпен қолжетімді бетінің ауданы арқылы сипатталады, ал лигандтың молекулалық беті оның сәйкес келетін беттік сипаттамасы арқылы сипатталады. Екі беттің толықтығы нысана мен лиганд молекулаларын қосып тұрудың толықтыратын күйін табуға көмектесетін формалық сәйкестік сипаттамасына тең келеді. Тағы бір тәсіл – негізгі тізбектегі атомдардың бұрылыстарын пайдаланып, ақуыздың гидрофобтық ерекшеліктерін сипаттау. Көбірек бір тәсіл – Фурье пішін сипаттамасы әдісін қолдану. Формалық толықтыққа негізделген әдістер әдетте жылдам және тұрақты болғанымен, олар лиганд/ақуыз конформацияларының қозғалысын немесе динамикалық өзгерістерін дәл модельдей алмайды, бірақ соңғы жетістіктер бұл әдістерге лигандтың икемділігін зерттеуге мүмкіндік береді. Формалық толықтықты анықтау әдістері бірнеше мың лигандты бірнеше секунд ішінде тез сканерлеп, олардың ақуыздың белсенді ортасына байланыса алатынын анықтайды және тіпті ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулеріне де қолданылуы мүмкін. Олар сондай-ақ фармакофорға негізделген тәсілдерге көбірек бейім, себебі олар оптималды байланысуды табу үшін лигандтардың геометриялық сипаттамаларын пайдаланады.

Эмоция

Қосылу процесін модельдеу әлдеқайда күрделі. Бұл тәсілде ақуыз бен лиганд белгілі бір физикалық қашықтықта орналасады, ал лиганд конформациялық кеңістікте белгілі бір сан "қимыл" жасағаннан кейін ақуыздың белсенді орынына еніп орналасады. Кимылдарға трансляциялар мен айналымдар сияқты қатаң денелердің түрленулері, сондай-ақ лиганд құрылымының ішкі өзгерістері, оның ішінде бұрылу бұрыштарының айналуы кіреді. Лигандтың конформациялық кеңістігіндегі әрбір қимыл жүйенің жалпы энергетикалық құнын арттырады. Сондықтан, әрбір қимылдан кейін жүйенің жалпы энергиясы есептеледі. Докингті модельдеудің айқын артықшылығы – лигандтың икемділігін оңай ескеруге болады, ал пішінге сәйкес әдістер лигандтың икемділігін ескеру үшін шеберлік танытуы керек. Сонымен қатар, бұл нақты жағдайды дәлірек бейнелейді, ал пішінге сәйкес әдістер көбінесе абстракция болып табылады. Әрине, модельдеу есептеу ресурстарын көп қажет етеді, өйткені үлкен энергия ландшафтын зерттеу қажет. Торға негізделген әдістер, оңтайландыру әдістері және компьютерлердің жылдамдығының артуы докингті модельдеуді шынайырақ етті.

Лигандтың икемділігі

Лигандтың конформациялары рецептордың болмағанда жасалуы мүмкін, содан кейін ілеспеленуі мүмкін, немесе конформациялар рецептордың байланыс қуысының қатысуымен немесе фрагменттерге негізделген ілеспеленуді пайдалану арқылы әрбір диэдрлік бұрыштың толық айналу икемділігімен жасалуы мүмкін. Күш өрісі энергиясын бағалау энергетикалық тұрғыдан орынды конформацияларды таңдау үшін көбінесе қолданылады, бірақ білімге негізделген әдістер де пайдаланылған. Пептидтер өте икемді және салыстырмалы түрде ірі молекулалар болып табылады, бұл олардың икемділігін модельдеуді қиын міндет етеді. Пептид-ақуыз ілеспеленуі кезінде пептидтердің икемділігін тиімді модельдеуге мүмкіндік беретін бірнеше әдіс әзірленді.

Қабылдағыштың икемділігі

Есептеу қуаты соңғы он жылда күрт өсті, бұл компьютерлік көмекпен дәрі-дәрмектерді жобалауда одан да күрделі және көп есептеуді талап ететін әдістерді қолдануға мүмкіндік берді. Дегенмен, докинг әдістемелерінде рецептордың икемділігін ескеру әлі де қиын мәселе болып табылады. Бұл қиындықтың басты себебі – осы есептеулерде қарастырылатын бостандық дәрежелерінің көп саны. Алайда, оны назарға алмау кей жағдайларда байланыс позасын болжау бойынша нашар нәтижелерге алып келуі мүмкін. Рецептордың икемділігін модельдеу үшін бірдей белоктың әртүрлі конформацияларында эксперименталдық түрде анықталған бірнеше статикалық құрылымдар жиі қолданылады. Сонымен қатар, байланыс қуысын қоршап тұрған аминқышқылдарының бұрылу кітапханаларын іздеу арқылы, мүмкін болатын, бірақ энергетикалық тұрғыдан негізделген белок конформацияларын жасауға болады.

Қозғалыс дәлдігі

Докингтік дәлдік – докингтік бағдарламаның сапасын бағалаудың бір өлшемі, ол лигандтың эксперименттік жағдайда анықталған дұрыс кеңістіктегі орнын болжау мүмкіндігін көрсетеді.

Байыту коэффициенті

Қосылатын экрандарды белгілі байланыстырушылардың белгіленген лигандтарын, ірі көлемді белгісіз, "алдаушы" молекулалардың арасынан іздеу арқылы да бағалауға болады. G протеинді жұптасқан рецепторлар (GPCR) жағдайында, олар нарықтағы дәрілердің 30% астамының нысанасы болып табылады, молекулалық дoкинг 500-ден астам GPCR лигандтарын табуға мүмкіндік берді.

Салыстырмалы бағалау

Рентгендік кристаллография арқылы анықталған байланыс түрлерін модельдеуге қабілетті докинг бағдарламаларының тиімділігін әртүрлі докингтік сынақ жиынтықтары арқылы бағалауға болады. Шағын молекулалар үшін докинг және виртуалды скринингке арналған бірнеше сынақ деректер жиынтығы бар, мысалы, жоғары сапалы ақуыз-лиганд рентгендік кристалдық құрылымдарынан тұратын Astex Diverse Set немесе виртуалды скринингтің өнімділігін бағалау үшін Пайдалы алдаушылар каталогы (DUD).

Қолданбалар

Кіші молекулалы лиганд пен фермент ақуызы арасындағы байланыс ферменттің белсендірілуіне немесе тежелуіне алып келуі мүмкін. Егер ақуыз рецептор болса, лиганд байланысы агонизм немесе антагонизм тудыруы мүмкін. Докинг ең көп қолданылатыны – дәрі-дәрмектерді жобалау саласында, өйткені көптеген дәрі-дәрмектер шағын органикалық молекулалар болып табылады, ал докингті мыналар үшін қолдануға болады:
соқтығуды анықтау – докингті бағалау функциясымен біріктіре отырып, ықтимал дәрі-дәрмектердің үлкен дерекқорларын тез арада скринингтеуге болады, осылайша мақсатты ақуызға байланысуға бейім молекулаларды анықтауға болады (виртуалды скринингті қараңыз). Кері фармакология мақсатты анықтау үшін докингті тұрақты түрде пайдаланады. жетекшіні оңтайландыру – докинг лигандтың ақуызға қай жерде және қандай қатысты бағытта байланысатынын болжау үшін қолданылуы мүмкін (бұл байланыс режимі немесе поза деп те аталады). Бұл ақпарат өз кезегінде күштірек және таңдамалы аналогтарды жасау үшін пайдаланылуы мүмкін. биоремедиация – ақуыз-лиганд докингі ферменттермен ыдырайтын ластаушы заттарды болжау үшін де қолданылуы мүмкін.