El documento describe métodos computacionales para predecir la actividad biológica de moléculas pequeñas, en particular el docking molecular. El docking molecular apunta a predecir si una molécula se une a otra basado en la geometría y las interacciones bioquímicas favorables. AutoDock Vina es una herramienta de docking molecular gratuita y de código abierto que permite predecir cómo las moléculas pequeñas se unen a receptores proteicos.

1. Métodos computacionales para laMétodos computacionales para la
predicción de la actividad biológicapredicción de la actividad biológica
de moléculas pequeñas: Molecularde moléculas pequeñas: Molecular
DockingDocking
Farm. Juan J. Casal
jjcasal@ffyb.uba.ar

2. IntroducciónIntroducción
Una droga es una sustancia diseñada
para regular la actividad de
receptores biológicos llamados
blancos o dianas.
El proceso del descubrimiento de
drogas requiere un extenso estudio
para determinar los problemas
biológicos y bioquímicos que pueden
generar la enfermedad.

3. El docking molecular (MD
por sus siglas en inglés)
apunta a predecir si una
molécula se une a otra.
Si la geometría del par de
moléculas es
complementaria e
involucra interacciones
bioquímicas favorables,
esas moléculas podrán
unirse potencialmente in
vitro o in vivo.

4. Interacciones Droga-Interacciones Droga-
ReceptorReceptor
RECEPTOR (E)
DROGA (D)
COMPLEJO DROGA-RECEPTOR

5. Si consideramos la unión no covalente entre el
receptor (típicamente una enzima, E) y una
droga (D). La ecuación que caracteriza esa
unión es:
Definimos una constante de unión (kb) como:
kb =
[ED]
[E][D]
E + D ED

6. La energía libre de unión (ΔGb) se
puede calcular con la relación:
∆Gb = −RT lnkb
Donde R es la constante de los gases
ideales (8.31 J K-1
mol-1
) y T es la
temperatura absoluta en K

7. Cuando el valor de la energía libre de
unión se hace menor, aumenta la fuerza
de la unión D-E.
ΔGb > 0 proceso no espontáneo, kb
pequeña
ΔGb < 0 proceso espontáneo, kb grande

8. DISEÑO TRADICIONAL
Generación de líderes:
Ligando natural / Screening
Pruebas Biológicas
Síntesis de nuevos compuestos
Ciclo del Diseño de DrogasCiclo del Diseño de Drogas
Si es prometedor
Estudios pre-clínicos

9. Diseño basado en la estructura (SBDD)
Biología Molecular & Química proteica
Determinación de la estructura 3D del blanco
y del Complejo blanco-ligando
Modelado
Análisis estructural y
diseño del compuesto
Ensayos biológicos
Síntesis de nuevos compuestos
Si es prometedor
Estudios pre-clínicos
Ciclo del diseño de drogasCiclo del diseño de drogas
Ligando natural/ Screening

10. Diseño de drogas basadoDiseño de drogas basado
en la estructuraen la estructura• SBDD:
• Blanco de las drogas (usualmente proteínas)
• Unión de los ligandos a su blanco (docking)
↓
Diseño “racional”
(beneficios = se ahorra tiempo y $$)

11. Molecular DockingMolecular Docking
El MD se ha vuelto una técnica vital en el diseño de drogas
modernas. Más y más estructuras de receptores son
subidas al Protein Data Bank (PDB), lo cual las hace
disponible como blanco para el docking.
El empleo de modernos
sistemas computacionales
potenció el screening con bases
de datos de millones de
compuestos.

12. Desde el desarrollo en los 80s del primer algoritmo
por Kuntz et al., se han creado una variedad de
aproximaciones y herramientas para resolver el
problema del docking.
Debido al uso de diferentes herramientas para
diferentes blancos y la diversidad de criterios en los
estudios, es difícil comparar las herramientas para
docking.
“¿Cómo podemos elegir el programa que será de utilidad
para los blancos de interés?” (Leach et al.)

13. Todas las aproximaciones al docking comparten el
problema del orden correcto de soluciones (scoring step).
La mayoría de los estudios muestra que las herramientas
fallan en colocar la conformación nativa al principio de la
lista de resultados y que no hay correlación entre las
energías de unión medidas y predichas.
Por lo tanto el scoring step es considerado el paso más
importante en la generación de resultados del docking.
A pesar de estos problemas el docking puede servir como
una herramienta rápida de screening virtual (virtual
screening, VS).

14. Introducción a AutoDockIntroducción a AutoDock

15. AutoDock es una suite de herramientas para
docking automático.
Está diseñado para predecir cómo las
moléculas pequeñas, tales como sustratos o
drogas, se unen a un receptor de estructura
conocida.
Las distribuciones actuales de AutoDock
consisten en dos generaciones de software:
AutoDock 4 y AutoDock Vina.

16. Autodock 4 actualmente consiste en dos programas
principales: autodock realiza el docking del ligando a
una serie de mallas (grids) que describen la proteína
blanco; autogrid precalcula esta malla.
AutoDock Vina no requiere elegir los tipos de átomos
y precalcular el mapa de la malla (grid maps). En su
lugar, calcula las mallas internamente, para los tipos
de átomos que lo necesitan, y lo hace rápidamente.
Además se ha desarrollado una interfaz gráfica
llamada AutoDockTools (ADT), que, entre otras cosas,
sirve para elegir los enlaces rotables en el ligando y
para analizar resultados.

17. AutoDock tiene aplicaciones en:
•Cristalografía de rayos-X
•Diseño basada en la estructura molecular
•Optimización líder
•Screening virtual
•Diseño de librerías combinatorias
•Docking proteína-proteína
•Estudios de mecanismos bioquímicos

18. AutoDock 4 está disponible gratuitamente
bajo la licencia GNU General Public Licence
(http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html)
AutoDock Vina está disponible bajo la
licencia Apache 2.0
(http://www.apache.org/licenses/LICENS
E-2.0.html) disponible para uso y
redistribución comercial y no-comercial.

19. ¿Por qué AutoDock?

20. TeoríaTeoría
En el espectro de las aproximaciones al modelado
ligando-receptor:
1.Dinámica molecular con solvente explícito
2.Dinámica molecular y mecánica molecular con
solvente explícito
3.Docking molecular
Puede verse un incremento en el interés por el tiempo
que lleva hacer esas simulaciones empleando
computadoras.

21. Dentro de lo que se asume mediante estas aproximaciones
es el compromiso de una determinada distribución de la
carga y protonación de las moléculas que no cambia, por
ejemplo, entre su forma libre y unida.
Adicionalmente, se asume que el receptor es rígido, y los
ángulos y enlaces covalentes son constantes. Mientras que se
considera que un pequeño grupo de enlaces es rotable
(rotatable bonds).
Aunque la dinámica molecular involucra energías (force
fields), el docking está interesado en reproducir potenciales
químicos, que determinan la conformación de unión
preferida y la energía libre de unión (ΔGb).

22. Función de scoring (scoring function)
La forma funcional dependiente de la conformación de la
función de scoring del AutoDock Vina (Vina a partir de
ahora) trabaja con:
c = ftitj
(rij )
i<j
∑
Donde la sumatoria es sobre todo el par de átomos que se
pueden mover relativamente a otro, excluyendo interacciones
1-4.
Cada átomo i está asignado a un tipo ti y se define una un set de
funciones de interacción ftitj de una distancia interatómica rij

23. El valor c puede verse como la suma de la
contribución intramolecular e intermolecular:
c = cinter + cintra
El algoritmo de Vina trata de encontrar el menor
valor de c.

24. La energía libre de unión se calcula a partir de la
conformación con el menor valor de scoring, se
representa como 1:
s1 = g(c1 − cintra1) = g(cinter1)
Donde g puede ser una función arbitraria (posiblemente
no lineal).
En la salida del programa (output) las otras
conformaciones se calculan teniendo en cuenta el cintra del
mejor modo de unión:
si = g(ci − cintra )

25. Las funciones de interacción ftitj, son definidas relativas
a la distacia de superficie teniendo en cuenta los radios
de Van der Waals Rt:
dij = rij − Rti
− Rtj
ftitj
(rij ) ≡ htitj
(dij )
Función de scoring de Vina

26. La función de scoring h toma en
cuenta los factores:
•Estéricos
•Hidrofóbicos
•Puentes de hidrógeno

27. Para comparar la exactitud de las predicciones de la estructura
experimental, se emplea una medida de la distancia entre las
estructuras experimentales y las predichas y toma en cuenta la
simetría y simetría parcial
Se denomina RMSD.
Para dos estructuras a y b, de una molécula idéntica, RMSD se define
como:
RMSDab = max(RMSD'ab, RMSD'ba )
Donde
RMSD'ab =
1
N
min
j
rij
2
i
∑
Y la sumatoria es sobre todos los N átomos pesados en la
estructura a, el mínimo es sobre todos los átomos de la estructura
b con el mismo tipo de átomo i en la estructura a

28. Introducción al trabajoIntroducción al trabajo
con Vinacon Vina

29. Para descargar los programas necesarios se debe ir a
http://autodock.scripps.edu/downloads
Allí se encuentran:
•AutoDock Vina (http://vina.scripps.edu/download.html)
•AutoDock Tools (http://mgltools.scripps.edu/downloads)
•PyRx (http://pyrx.scripps.edu/downloads)

30. Pasos
1.Obtener la estructura de la proteína
2.Crear archivos que contengan sólo la proteína
3.Usar un ligando conocido (no el suyo) para definir
el sitio de unión
4.Generar un archivo de la estructura modificada
5.Usar los archivos con el software
6.Extraer la conformación predicha y crear un nuevo
archivo conteniendo el ligando unido a la proteína.

31. ¿Cómo obtener la¿Cómo obtener la
estructura del blanco?estructura del blanco?
Gran cantidad de estructuras se encuentran disponibles en el
Protein Data Bank:
http://www.rcsb.org/

32. ¿Cómo visualizar el archivo?
Existen múltiples programas gratuitos para ello:
•Rasmol
•Avogadro
•JMV - Java Molecular Viewer
•Jmol
•UCSF Chimera
•RasTop
•ArgusLab
•PyMol
•VMD

33. Edición del archivo .PDB con UCSF Chimera
(http://plato.cgl.ucsf.edu/chimera/)
Selección y eliminación de los
co-factores, ligandos,
solvente, iones, etc.
Se guarda la
estructura
generada como
un nuevo
archivo PDB
3LN1
(COX-2)

34. Con AutoDockTools elegimos el espacio en el cual
trabajar. Se debe definir:
•Centro de la caja (x, y, z)
•Tamaño de la caja (x, y, z)
Luego guardamos la proteína en el formato nativo .PDBQT

35. Diseño del ligando
Se puede trabajar con el formato PDB o Mol2. Para generar
estos archivos se emplea alguno de los editores que
usamos diariamente:
•ACDLabs (http://www.acdlabs.com/download/)
•ChemDraw
•XDrawChem (http://xdrawchem.sourceforge.net/)
•MarvinSketch (http://www.chemaxon.com/)
En caso de tener la estructura en otro formato puede
emplearse OpenBabel para convertirlos a PDB o Mol2
(http://openbabel.org/wiki/Main_Page).

36. Con ADT se edita el ligando para convertirlo al formato
nativo de AutoDock: .PDBQT el cual posee información
acerca de la carga y los enlaces rotables.

37. Ejecución de Vina
Ya teniendo preparados el ligando y el receptor se
procede a ejecutar el comando vina. En sistemas UNIX
se emplea una ventana de terminal y en sistemas
Windows una ventana de comandos.
Los archivos .PDBQT y el ejecutable vina deben estar en
la misma carpeta

38. Para trabajar cómodamente se puede crear un archivo de texto
que contenga todos los parámetros necesarios para ejecutar el
algoritmo:
receptor = estructura del receptor (PDBQT)
ligand = ligando (PDBQT)
center_x = coordenada X del centro
center_y = coordenada Y del centro
center_z = coordenada Z del centro
size_x = tamaño en X (Angstroms)
size_y = tamaño en Y (Angstroms)
size_z = tamaño en Z (Angstroms)
out = archivo de salida (PDBQT)
log = archivo de texto con los datos

39. El tiempo que le tomará al programa procesar las
estructuras variará de acuerdo a los parámetros
seleccionados y al hardware empleado (procesador y
RAM).
Vina se encuentra diseñado para trabajar con los modernos
procesadores multi-núcleo (Intel ó AMD).
Al finalizar los cálculos se ofrecerán los resultados en dos
formatos:
•Un archivo de texto con los valores de ΔGb (en kcal/mol)
•Un archivo PDBQT con la conformación de los mejores
resultados

40. El archivo PDBQT se abre con PyMol
(http://www.pymol.org/) y se guarda en formato PDB

41. Con PyMol y/o con Chimera se puede realizar la
superposición de las estructuras calculadas y la proveniente
de la proteína cristalizada
A su vez se pueden estudiar las interacciones hidrofóbicas,
los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals, etc.

43. Muchas veces, tenemos que lidiar con gran número de
compuestos. Los mismos pueden tener actividad
biológica conocida o puede, simplemente, que se realice
el docking como un paso previo a la síntesis y ensayo
del compuesto.
Compatible con AutoDock Vina y AutoDock 4, está
PyRx. Es un programa ideal para trabajar con muchos
ligandos. Su interfaz gráfica es amigable para el usuario
y ofrece la ventaja de poder trabajar directamente con
las estructuras en formato PDB ya que el software se
encarga de convertirlos internamente.
Virtual Screening

44. Ejemplos de dockingEjemplos de docking

45. Estudio del complejo naproxeno : COX-2
Naproxeno
COX-2 (PDB: 3NT1)

46. Superposición de la estructura calculada (violeta) con
respecto a la estructura cristalina en el sitio de acción
de la COX-2 (blanca)

47. Complejo Flurbiprofeno : COX-1
COX-1 (PDB: 3N8W)
Flurbiprofeno

48. Superposición de la estructura calculada (violeta) con
respecto a la estructura cristalina en el sitio de acción
de la COX-1 (blanca)

49. Conclusiones sobre AutoDock
Vina
•Es nuevo (2009)
•Es fácil de usar
•Es rápido en comparación con otros
programas/algoritmos
•Permite Multithreading
•Permite virtual screening
•Es gratuito

50. Conclusiones GeneralesConclusiones Generales
• Existe una necesidad cada vez mayor de ahorrar tiempo
y dinero en investigación de nuevos compuestos.
• El docking molecular puede ser aplicado en:
1. Identificación de los compuestos activos
2. Optimización de ligandos líderes
• A pesar de sus grandes ventajas, el docking no es el
Santo Grial de la química medicinal. Se pueden obtener
resultados que contradicen los datos experimentales.