Förmågan att förutsäga mekanismerna och de tillhörande hastighetskonstanterna av protein-ligand obindande är av stor praktisk betydelse i läkemedelsdesign. I detta arbete visar vi hur en nyligen införd metadynamikbaserad metod gör det möjligt att utforska de obindande vägarna, uppskatta hastigheterna och bestämma hastighetsbegränsande steg i det paradigmatiska fallet med trypsin-benzamidinsystemet. Protein, ligand och lösningsmedel beskrivs med full atomupplösning. Med hjälp av metadynamik skapas flera obindande banor som börjar med ligand i den kristallografiska bindningen och slutar med ligand i fullt solverat tillstånd. Den obindande hastigheten k off beräknas från den genomsnittliga uppehållstiden för ligand. Med hjälp av vår tidigare beräknade bindningsaffinitet får vi också bindningshastigheten k on. Båda nivåerna stämmer överens med rapporterade experimentella värden. Vi avslöjar de komplexa vägarna för obindande banor och beskriver de kritiska hastighetsbegränsande stegen med aldrig tidigare skådade detaljer. Våra fynd belyser den roll som kopplingen mellan subtila proteinstommens fluktuationer och vattenmolekylernas lösning spelar i bindningsfickan och hjälper till att bryta de avskärmade vätebindningarna. Vi förväntar oss att vårt tillvägagångssätt kommer att vara användbart för att beräkna räntorna för generella proteinligandsystem och ett giltigt stöd för läkemedelsdesign. protein-ligand unbinder  med kinetik  med förbättrad provtagning  på läkemedelsdesign U står för termodynamiken och kinetiken hos proteinligandinteraktioner är av största betydelse i de tidiga stadierna av läkemedelsupptäckt (1-3). Hittills har den största betoningen lagts på att förutsäga den mest sannolika bindningen som bestäms av den högsta bindningsaffiniteten (4, 5). Däremot har det inte varit möjligt att förutsäga vägar för obindande och tillhörande räntor. Det är dock nu väl erkänt att en av de mest relevanta faktorerna för bibehållen effekt och säkerhet är inte bara dess affinitet, men kanske ännu mer så, den genomsnittliga livslängden för protein-ligand komplex (1-3). Den senare egenskapen är strikt relaterad till den tid under vilken ligand förblir i den bindande platsen (1, 2), och uttrycks typiskt av dess invers, dissociationshastigheten k off (2). I princip k off bör vara amenable till beräkningar genom all-atom molekylär dynamik (MD) simuleringar. Dessa simuleringar kan ge detaljerade och användbara insikter i atomiska interaktioner i arbetet under obindande, särskilt i den efemära men kinetiskt mest relevanta övergångsstatsensemblen (TSE) (6, 7). Sådan information är av stort värde för att utforma ändringar av ligand som kan förbättra sina farmaceutiska egenskaper. Trots potentialen för MD-simuleringar har dock ingen sådan beräkning ännu rapporterats. Detta är en följd av de begränsade tidsskalorna för MD-simuleringar. Även med de mest moderna ändamålsbyggda superdatorer eller massiva distribuerade datorer, kan man knappt nå tidsskalan för millisekunder (3). Tyvärr de flesta rapporterade ligand-protein dissociation gånger långt överskrider denna tidsskala (2). Dessa tidsskalor kan uppnås antingen genom provtagningsmetoder för övergångsvägar (8, 9), kvasiklassiska approximationer (10), genom konstruktion av markovstatsmodeller (11, 12) eller genom noggrant utformade förbättrade provtagningsmetoder (8, 13–30) som gör tidsskalan för sekunder och därefter tillgänglig på ett kontrollerat och korrekt sätt. Den förbättrade provtagningsmetod vi använder i detta arbete är baserad på metadynamik (13-15), som har brett och framgångsrikt tillämpas på en mängd olika system inklusive komplexa protein-ligand system (25-30), och har noggrant visat sig konvergera till rätt fri energi yta (31, 32). Nyligen har vi utökat omfattningen av metadynamiken genom att visa att den också kan användas för att återvinna kinetisk information (15). Dessutom visade vi att genom att använda en statistisk analys i efterhand (33) kan man också fastställa tillförlitligheten hos den kinetik som genereras på detta sätt. Användningen av metadynamik för att erhålla kinetisk information är fortfarande i sin linda, men dess användbarhet har testats av oss och andra grupper i en rad system (15, (33) (34) (35) (36). I detta arbete visar vi att omfattningen av den metod som redovisas i ref. 15 kan utvidgas till att studera protein-ligand dissociation vägar och att bestämma på ett korrekt sätt ligand obindande hastigheter. Vi når långt in i hundratals millisekunders regim och längre, samtidigt som vi bibehåller full atomupplösning för protein, ligand och lösningsmedel. Specifikt studerar vi bindningen av inhibitoren bensamidin från trypsin, ett serinproteasprotein (27, 37, 38) med hjälp av klassiska kraftfält (39, 40). Med hjälp av vår accelerationsmetod (15, 33) kan vi utnyttja 21 oberoende obindande banor där liganden går från det bundna till det helt obundna tillståndet. Vi finner att en av de mest utmärkande dragen i den obindande processen är den roll som vattenmolekylerna spelar (41, 42). I synnerhet främjar lösningsmedel obindande genom att hjälpa till att bryta avskärmade vätebindningar genom bildandet av vattenbrointeraktioner (41). Från analysen av de obindande banor vi finner att längs de obindande banor ligand vilar för tider som sträcker sig från nanosekunder till millisekunder i ett antal mellanliggande strukturer. Vi beräknar frekvensen för alla möjliga övergångar Betydelse En avgörande faktor för läkemedelseffektivitet är inte bara den bindande affiniteten, utan också den genomsnittliga uppehållstiden i bindningsfickan, vanligen kvantifierad av dess omvänd, k off. Detta är en viktig parameter som reglerar den tid under vilken läkemedlet är aktivt. Medan beräkningen av bindningsaffiniteten vid det här laget är rutin, har beräkningen av k off visat sig vara mer utmanande eftersom de aktuella tidsskalorna vida överskrider gränserna för standardsimulering av molekylär dynamik. Vi föreslår en metadynamikbaserad strategi som gör det möjligt att nå tidsramar av sekunder, och uppskattar k off tillsammans med obindande vägar och tillhörande dynamiska flaskhalsar. Protokollet är exemplifierat för trypsin-benzamidin obindande. Detta arbete är ett steg mot en effektivare datorbaserad läkemedelsdesign. Upphovsmannens bidrag: P.T.
Metadynamiken kan användas för att passera en ligand genom en tunnel i ett protein REF och utvärdera termodynamiken och kinetiken i processen.
Kinetics of protein–ligand unbinding: Predicting pathways, rates, and rate-limiting steps
{'venue': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'journal': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'mag_field_of_study': ['Chemistry', 'Medicine']}