AUTODOCK

Als Ausgangsbasis für die beiden Docking-Projekte diente das Programm AUTODOCK 3 des Scripps-Instituts. Autodock 3.0 ist eine Sammlung der

Programme AUTODOCK, AUTOGRID und AUTOTORS¹, die im Jahre 1990 von David Goodsell entwickelt worden sind, und anschließend wurden sie von Garrett Morris bis zum heutigen Stand weiterentwickelt[137, 138]. Der Zweck dieser

Programme ist es, die besten Konformationen von einem flexiblen Liganden, der an ein Makromolekül, z. B. ein Enzym oder einen DNA-Abschnitt, gebunden ist, zu berechnen.

Mit Hilfe des Programms AUTOTORS ist es möglich, bis zu acht verschiedene

Torsionswinkel in dem Liganden zu bestimmen. Um diese Winkel kann bei der Suche nach den besten Dockingpositionen als weiterer Parameter zufällig gedreht werden.

Die Kraftfeld-Parameter bestehen aus einer Untermenge des AMBER-Kraftfeldes [139].

Im nächsten Schritt erfolgt die Berechnung eines Würfels mit Rasterpunkten (Grids) durch das Programm AUTOGRID. Dazu wird als erstes festgestellt, welche

Atomtypen im Makromolekül vorhanden sind. Für jeden Atomtyp wird dann ein Grid um das statische Makromolekül berechnet. Dabei sind verschiedene Parameter einstellbar. So können der Abstand der Gridpunkte und auch die Anzahl der Punkte bestimmt werden. Mit diesen Einstellungen ist es möglich, die Größe und Feinheit der Box zu bestimmen. Bei den vorliegenden Berechnungen wurden 61 Gridpunkte

1 http://www.scripps.edu/pub/olson-web/doc/autodock/

mit einem Abstand von 0,375Å pro Kante gewählt. Daraus ergab sich ein Würfel mit einer Kantenlänge von 22,875Å, der insgesamt 226981 Rasterpunkte enthält.

Abbildung 94: Schematische Darstellung des mit Autogrid um das Makromolekül berechneten Würfels

Für jeden Rasterpunkt werden nun die van der Waals Energien mit Hilfe der folgenden Formel mittels eines Lennard-Jones 6-12 Potentials berechnet:

†

E

( ) r

^{= A}

ij

r

-B

r

Ê

Ë Á Á

ˆ

¯

˜ ˜

i<j,r

Â

wobei r_ij der Abstand zwischen zwei sich beeinflussenden Atomen i und j ist und A_ij und Bij Konstanten sind, die aus den Potentialkurven der jeweiligen Atome berechnet werden.

Zusätzlich berechnet das Programm AUTOGRID ein Grid mit elektrostatischen

Potentialen, die den Coulombschen Wechselwirkungen zwischen dem Makromolekül und einem Proben-Atom (mit einer Elementarladung e) entspricht. Zu diesem Zweck wurden mit Hilfe des Programms Insight die Partialladungen für jedes Atom im Makromolekül berechnet.

Nachdem auf diese Art und Weise die Eingabedateien erzeugt worden sind, kann mit Hilfe des Programms AUTODOCK durch ein Monte Carlo Simulated Annealing die beste Docking-Position in dem Grid gefunden werden. Bei dem Dockingvorgang wird nun der Ligand im Grid durch zufällige Änderungen seiner Orientierung, Position und Konformation bewegt. Mit Hilfe der implementierten Bewertungsfunktion wird nun der neu ermittelte Score mit dem vorhergehenden verglichen. Nach Beendigung des

Annealings ist auf diese Art und Weise die beste Konformation von Ligand und Makromolekül gefunden worden. Dieser Vorgang wurde zehnmal wiederholt und anschließend die berechneten Energien gemittelt. Je niedriger diese berechnete Energie ist, umso besser dockt der Ligand an das Makromolekül. Außerdem wurden die Ergebnisse visuell auf Plausibilität überprüft, damit es nicht aus Versehen zu einem Docking abseits der Bindetasche gekommen ist.

Das Programm ist für den akademischen Bereich kostenlos verfügbar und stellt nur geringe Anforderungen an die Hardware des verwendeten Rechners. So wurden die meisten Berechnungen auf einem Computer mit einem Pentium III Prozessor

ausgeführt, der mit 450MHz getaktet ist. Die Ergebnisse sind in den folgenden beiden Abschnitten beschrieben.

9.2 Entwicklung einer webbasierten Anwendung zur Bestimmung der COXII -Selektivität eines Substrates

Die Behandlung von rheumatischen und durch Entzündungen des Gewebes begründete Krankheiten findet eine erste Erwähnung im Corpus Hippocratum im dritten Jahrhundert vor Christus. Seit dieser Zeit wurden diese Krankheiten immer weiter untersucht und die Behandlung verbessert. So wird schon sehr lange ein Extrakt der Weidenrinde eingesetzt, der reich an Salicylaten, wie Salicylsäure und Gentisinsäure ist. Eine chemische Abwandlung dieser Salicylate ist die

Acetylsalicylsäure, besser bekannt als Aspirin^®, die seit mehr als hundert Jahren eingesetzt wird, um diese Krankheiten zu behandeln oder zumindest die

Beschwerden zu lindern. Im Laufe der Zeit kamen immer mehr Substanzen dazu, so wurde im Jahre 1950 das Diclofenac auf den Markt gebracht, das bis heute als Standard bei der Behandlung von Rheuma und rheumatoider Arthritis eingesetzt wird. Leider führen viele dieser Substanzen, was für Aspirin schon im Jahre 1938 festgestellt wurde[140], zu starken Nebenwirkungen wie Blutungen im Magen-Darmtrakt und anderen gastrointestinalen Beschwerden, die teilweise so schwerwiegend sind, dass Patienten stationär behandelt werden müssen.

Lange Zeit konnte man sich diese Nebenwirkungen nicht erklären. Im Jahre 1971 wurde jedoch durch Vane et al.[141] der Wirkmechanismus dieser aspirin-ähnlichen Substanzen aufgeklärt. Dabei wurde festgestellt, dass die COX an der Entstehung des Prostaglandin E1 beteiligt ist, das unter anderem für den Schutz der

Magenschleimhaut verantwortlich ist. Werden nun über einen längeren Zeitraum NSAR genommen, kann es zu einer Degeneration der schützenden Schichten kommen und durch Einwirkung der Magensäure kann es ungehindert zu einem Selbstverdau des Magens kommen.

1991 wurde fast zeitgleich durch O’Banion et al. [142] und durch Kujubu et al.[143]

ein durch Entzündungen induzierbares Isoenzym der Cyclooxygenase entdeckt.

Diese COX-II wird im Gegensatz zur COX-I, die zu einem gewissen Level in allen Körpergeweben vorkommt durch bei Entzündungen gebildeten Mediatoren verstärkt gebildet.

Ein erster Versuch die COX-II gezielt zu hemmen wurde mit dem 10fach selektiveren Hemmstoff Meloxicam (Mobec^®) durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Substanz noch nicht selektiv genug für die COX-II ist, da die Substanz bei therapeutischen Dosen die COX-I immer noch zu 80 Prozent hemmt. Bei den ersten beiden zugelassenen selektiven COX-II-Hemmstoffen Refecoxib (Vioxx^®) und Celecoxib (Celebrexx^®), die eine bis zu 1000fach selektivere Hemmung besitzen, zeigte sich eine Verminderung der unerwünschten Wirkungen. So zeigten erste klinische

Studien mit diesen beiden Hemmstoffen, dass sich das Niveau der gastrointestinalen Nebenwirkungen auf Placebo-Niveau vermindern lässt[144].