Занятие 10. Докинг низкомолекулярных лигандов в структуру белка.

Полезные ресурсы:

Уроки по работе с AutoDock Vina находятся здесь
Подсказки

Цель: ознакомится с возможностями докинга низкомолекулярного лиганда в структуру белка.

Будем пользоваться пакетом Autodock Vina и Autodock tools. Это программное обеспечение распространяется бесплатно для академических пользователей. Вся работа по расчётам будет проходить на 172.16.0.140 через терминал putty (после вхождения на kodomo).

Будем работать с белком лизоцимом, структуру которого строили на прошлом практикуме (на основе гомологичного моделирования).

Программе Autodock Vina для докинга необходимы специально форматированные файлы pdb c зарядами и указанием торсионных углов.
Для начала попробуем провести докинг одного из мономеров сахара (NAG).

В банке pdb найдем на странице SMILES нотацию для NAG.

Это удобно сделать на странице структуры 1lmp.

C помощью obgen постройте 3D структуру этого сахара в pdb формате:
```
obgen nag.smi > nag.mol
babel -imol nag.mol -opdb nag.pdb
```

Скриптом prepare_ligand4.py из пакета Autodock tools создадим pdbqt файл вашего лиганда.

Про использование prepare_ligand4.py узнать можно запустив скрипт с флагом -h

prepare_ligand4.py -l nag.pdb

Так же, скриптом prepare_receptor4.py из пакета Autodock tools создадим pdbqt файл вашего белка.
```
prepare_receptor4.py -r model.pdb
```
Итак, у нас есть входные файлы. Теперь надо создать файл с параметрами докинга vina.cfg.

Для докинга необходимо указать область структуры белка, в которой будет происходить поиск места для связывания. Удобно его задать как куб с неким центором. Координаты центра определяем из полученной ранее модели комплекса.
```
Для этого выберем атом сахара, который находится в центре сайта связывания, и из текста pdb файла найдем его координаты.
HETATM 1031  C2B NAG B 128      41.533  42.665  27.389  1.00157.52           C
```
Построим файл vina.cfg с примерно таким содержанием:
```
center_x=41.533
center_y=42.665
center_z=27.389

size_x = 25
size_y = 25
size_z = 25

num_modes = 20 
```

Теперь проведем первый докинг:

vina --config vina.cfg --receptor model.pdbqt --ligand nag.pdbqt --out nag_prot.pdbqt --log nag_prot.log

Просмотрим файл nag_prot.log и запишем энергии 3ёх лучших расположений и геометрическую разницу между ними:

`Расположение`	`Энергия (ккал/моль)`	`Геометрическая разница с лучшей моделью (rmsd l.b.)`
`1`	`-5.4`	`0.000 (best mode 0.000)`
`7`	`-5.0`	`1.876 (best mode 2.194)`
`3`	`-5.3`	`1.826 (best mode 2.978)`

В PyMol загрузим файлы nag_prot.pdbqt и model.pdbqt. Просмотрим их с анимацией.

Видим, что состояния впринципе разные. Состояние лиганда сильно меняет свое положение. Так же есть одно выбивающиеся состояние - не в центре взаимодействия.

Теперь проведём докинг, рассматривая подвижность некоторых боковых радикалов белка. Для этого сначало разобьем белок на две части, подвижную и неподвижную. Для подвижной части выберем 3 аминокислоты, которые использовали в прошлом задании для позиционирования лиганда.
```
prepare_flexreceptor4.py -r model.pdbqt -s ASN59_PRO107_VAL109
```
и проведём докинг:
```
vina --config vina.cfg --receptor model_rigid.pdbqt --flex model_flex.pdbqt --ligand nag.pdbqt --out vina_model_flex.pdbqt --log vina_model_flex.log 
```

Посмотрим файл vina_model_flex.log и запишем энергии 3ёх лучших расположений и геометрическую разницу между ними:

Расположение	Энергия (ккал/моль)	Геометрическая разница с лучшей моделью (rmsd l.b.)
1	-4.9	0.000 (best mode 0.000)
6	-4.4	1.542 (best mode 2.079)
14	-3.5	1.789 (best mode 2.268)
`7`	`-4.3`	`2.568 (best mode 5.444)`
`3`	`-4.8`	`2.138 (best mode 3.889)`

Время затраченное на этот докинг больше, по сравнению с прошлым, однако энергии полученных моделей меньше и геометрическая разница меньше.
В PyMol загрузим файлы vina_model_flex.pdbqt и model_rigid.pdbqt. Просмотрим полученный ролик.

По полученным изображениям видно, что лиганд по прежнему меняет свое положение, так же меняют положение выбранные остатки, но это изменение не сильно касается PRO107 - у него стационарное положение. Вообще, изменение положение лиганда становится более обширным. Такой докинг является более правильным с биологической точки зрения, так как известно в биологии, что некоторые остатки в белке меняют свое положение при взаимодействии с лигандами.

И в обычном, и в подвижном докинге модель 1, не отличается от реальный, геометрическим расположением. Энергия этих расположений составляла соответственно -5.4 и -4.9. Других же моделей соответствующих реальному расположению не было найдено. Однако, обычный докинг находит состояния с меньшим отклонением от реальной. А подвижный докинг находит другие располодения с меньшими энергиями, но большими отклонениями от геометрии.

NAG содержит в себе СH3C(=O)NH группу. Создадим 3 лиганда, где метильный радикал этой группы будет заменён на OH, NH2,H.
Для каждого из этих лигандов проведем обыкновенный докинг и с подвижными радикалами:

Смайл структуры: OH NH2 H	PDB-файлы: OH NH2 H	pdbqt файлы для: OH NH2 H
Файлы обычного докинга для OH: nag1_model.log nag1_model.pdbqt model.pdbqt	Файлы обычного докинга для NH2: nag2_model.log nag2_model.pdbqt model.pdbqt	Файлы обычного докинга для H: nag3_model.log nag3_model.pdbqt model.pdbqt
Файлы подвижного докинга для OH: vina_model1_flex.log vina_model1_flex.pdbqt model_rigid.pdbqt	Файлы подвижного докинга для NH2: vina_model2_flex.log vina_model2_flex.pdbqt model_rigid.pdbqt	Файлы подвижного докинга для H: vina_model3_flex.log vina_model3_flex.pdbqt model_rigid.pdbqt

Запишем энергии 3ёх лучших расположений и геометрическую разницу между ними для каждого лиганда в 2х докингах и рассмотрим полученные модели.

Для OH:

`Вид докинга`	`Расположение`	`Энергия (ккал/моль)`	`Геометрическая разница с лучшей моделью (rmsd l.b.)`
`обычный`	`1`	`-4.7`	`0.000 (best mode 0.000)`
`обычный`	`6`	`-4.4`	`1.113 (best mode 1.659)`
`обычный`	`3`	`-4.5`	`1.618 (best mode 2.596)`
`подвижный`	`1`	`-4.3`	`0.000 (best mode 0.000)`
`подвижный`	`5`	`-3.9`	`1.017 (best mode 1.823)`
`подвижный`	`11`	`-3.4`	`1.750 (best mode 2.169)`

Полученные модели для обычного докинга:

Полученные модели для подвижного докинга:

Видим, что в случае подвижного докинга взаимодействие с лигандом теряется во многих моделях, и он поэтому выходит из сайта связывания. Сами же остатки белка практически не меняют своего положения, лиганд же активно меняет свое положение в обоих случаях.

Для NH2:

`Вид докинга`	`Расположение`	`Энергия (ккал/моль)`	`Геометрическая разница с лучшей моделью (rmsd l.b.)`
`обычный`	`1`	`-4.7`	`0.000 (best mode 0.000)`
`обычный`	`3`	`-4.5`	`1.852 (best mode 2.605)`
`обычный`	`4`	`-4.4`	`1.773 (best mode 2.999)`
`подвижный`	`1`	`-4.3`	`0.000 (best mode 0.000)`
`подвижный`	`6`	`-4.0`	`1.343 (best mode 2.744)`
`подвижный`	`18`	`-3.0`	`1.994 (best mode 2.883)`

Полученные модели для обычного докинга:

Полученные модели для подвижного докинга:

Аналогичная ситуация с прошлым разом. Однако стоит заметить, что вылезание лиганда из активного сайта происходит в меньшем количестве моделей. Возможно это связано с тем, что группа NH2 важна для взаимодейстивия сахара с белком.

Для H:

`Вид докинга`	`Расположение`	`Энергия (ккал/моль)`	`Геометрическая разница с лучшей моделью (rmsd l.b.)`
`обычный`	`1`	`-4.8`	`0.000 (best mode 0.000)`
`обычный`	`7`	`-4.3`	`1.574 (best mode 1.867)`
`обычный`	`16`	`-3.8`	`1.832 (best mode 2.117)`
`подвижный`	`1`	`-4.1`	`0.000 (best mode 0.000)`
`подвижный`	`10`	`-3.5`	`1.592 (best mode 2.127)`
`подвижный`	`8`	`-3.7`	`0.988 (best mode 2.403)`

Полученные модели для обычного докинга:

Полученные модели для подвижного докинга:

В случае водорода видим, что лиганд практически всегда остается в сайте связывания.