MOLECULAR DOCKING

Interaksi ligan-reseptor merupakan tahap awal yang penting dalam fungsi protein. Struktur kompleks ligan-reseptor sangat mempengaruhi spesifisitas dan efektifitas kerja protein. Molekular docking menjalankan prediksi komputasi interaksi ligan-reseptor dan struktur kompleks ligan-reseptor. Pada suatu kompleks, molekul ligan dan reseptorakan mencari kondisi struktur docking yang memiliki energi paling baik. Sehingga, tujuan molekular docking adalah untuk mencari struktur kompleks dan stabilitas kompleks yang keseluruhan energinya minimum.

Molecular docking merupakan proses yang mencari ikatan yang mungkin dari dua molekul yang berinteraksi berdasarkan kondisi topografi atau pertimbangan energi, tujuannya adalah untuk mencocokan kedua molekul tersebut menjadi konformasi yang interaksinya paling baik. Satu molekul (contohnya ligan) dibawa ke daerah molekul yang lain (contohnya reseptor) dan dari kedua molekul tersebut dihitung energi interaksinnya. Pada docking, energi yang interaksinya dihitung dengan mengkalkulasi energi Van der Waals dan energi Couloumbic yang terlibat antara seluruh atom dari kedua molekul.

Protein-protein docking dapatdidefinisikan sebagai penentuan struktur kompleks antara dua protein. Protein-protein docking dapat diklasifikasikan sebagai docking terikat (bound docking) yang menggunakan struktur kompleks sebagai input. Sedangkan docking tidak terikat (unbound docking) menggunakan struktur yang berasal dari subunit individual yang dikristalisasi (individually crystallized subunits) sebagai input (Xu, Xu, & Liang., 2007).

Terdapat dua kelas strategi untuk docking ligan terhadap reseptor. Kelas yang pertama menggunakan seluruh molekul ligan sebagai titik awal dan menggunakan berbagai algoritma untuk mencari sifat energi ligan pada binding site, mencari solusi optimal untuk spesifik fungsi scoring. Algoritmanya termasuk kesamaan geometrik yang saling melengkapi. Kelas kedua dimulai dengan menempatkan satu atau beberapa fragmen ligan ke daerah pengikatan kemudian membangun sisa bagian dari keseluruhan molekul.

Pada docking interaktif memerlukan pengetahuan awal mengenai binding site (posisi pengikatan). Ligan tersebut kemudian ditempatkan di binding site. Tarikan geometrik seperti jarak, sudut, dan dihedral antara ikatan dan nonikatan atom dapat memfasilitasi proses docking. Untuk jarak interatomik, kesetimbangan tarikan menjadi panjang awal untuk ikatan apabila diperlukan suatu panjang ikatan khusus yang konstan selama simulasi. Biasanya, konstanta gaya untuk jarak interatomik adalah 7.0 kkcal/mol Ǻ2, sudut 12.5 kcal/mol Å2, dan sudut dihedral sebesar 16.0 kcal/mol Å2 (Tsai, 2002).

Protein-protein kompleks kinetik dapat dimodelkan dalam dua tahap, dimana protein bebas membentuk encounter complex kemudian bila encounter complex cukup sama dengan kompleks yang sebenarnya (energi yang rendah lebih disukai) kompleks protein-protein dapat terbentuk. Encounter complex biasanya memiliki elektrostatik yang besar ketika tahap antara encounter complex dan kompleks yang sebenarnya meningkat dari spesifisitas rendah seperti energi van der Waals, hidrofobisitas, dan ikatan hidrogen.

Perubahan energi selama kompleksisasi dapat diperkirakan sebagai:rumus 1,5merupakan elektrostatik dan perubahan energi van der Waals, sedangkan 6 merupakan perubahan energi akibat perubahan komformasi ketika pengikatan. 7merupakan perubahan energi dari desolvasi, sedangkan 8dan 9merupakan energi yang berasal dari rantai samping dan entropi backbone.

Salah satu cara dalam pencarian cepat untuk konformasi docking terbaik adalah menggunakan algoritma FFT (Fast Fourier Transform). Pencarian dilakukan dengan cara mendiskritkan ligan dan reseptor pada grid tiga-dimensi terpisah. Nilai (score) dihitung untuk translasi x, y, z (i, j, k) grids yang tumpang tindih dengan i, j, k akan dilipatgandakan bersama, jumlah kedua produk ini mewakili score untuk translasi tadi:    Rumus 2Agar keseluruhan translasi ini dapat dihitung maka score S harus dihitung untuk semua nilai i, j, k, operasi akan menghasilkan nilai O(n6), dimana n merupakan jumlah grid pada setiap dimensi. Jika menggunakan FFT, perhitungan dikodekan menjadi korelasi antara grid-grid:Rumus 3Persamaan ini menghitung keseluruhan score grid pada saat bersamaan oleh beberapa Fourier transform berkebalikan dan Fourier transform diskrit.

Cara scoring yang digunakan selama tahap awal docking merupakan bentuk saling melengkapi (shape complementarity), elektrostatik dan desolvasi. Shape complementarity merupakan cara scoring yang paling banyak digunakan untuk protein docking karena penggunaannya yang mudah dan akurat. Perhitungan dasar untuk shape complementarity merupakan van der Waals potensial yang biasanya dihitung melalui potensial Lennard-Jones 6-12: Rumus 4Dimana A adalah 4εσ12dan B adalah 4εσ6, sedangkan ε adalahlebar daerah yang mengelilingi energi potensial terendah, dan σ adalah jarak terbatas dimana potensial inter-partikel adalah nol. Energi minimum merupakan jumlah jari-jari van der Waals ketika terdapat atom dengan energi repulsif yang kuat (didominasi oleh r-12). Plot fungsi ini ditunjukkan oleh gambar 11.10Gambar 1. Potensial Lennard-Jones (V) sebagai fungsi jarak (r) antara dua atom. Jarak rvdW merupakan jumlah jari-jari van der Waals untuk suatu atom, sedangkan garis putus-putus merupakan contoh apabila potensial Lennard-Jones dapat “diperhalus” untuk mencegah atom yang bertabrakan (Xu, Xu, & Liang., 2007).

Pada tahap awal docking, elektrostatik biasanya dikombinasikan dengan persamaan lain untuk menyempurnakan fungsi scoring. Contohnya pada program docking DOT, menggunakan elektrostatik Poisson-Boltzman dan energi van der Waals, kombinasi ini menghasilkan prediksi yang baik pada beberapa kompleks. Gaya elektrostatik turun lebih lambat dari gaya lainnya yang terlibat saat docking (1/r2) sehigga gaya ini merupakan variabel penting untuk dihitung dalam proses awal docking.

Desolvasi pada ikatan protein adalah energi yang dibutuhkan untuk mengubah ikatan air-protein dengan ikatan antar protein. Energi desolvasi dikenal sebagai efek hidrofobik yang berperan penting dalam ikatan protein. Salah satu cara memodelkan energi desolvasi adalah Energi Kontak Atomik (Atomic Contact Energy/ACE) yang menjabarkan 18 tipe atom dan menentukan energi kontak berdasarkan pada struktur.

Ikatan hidrogen merupakan faktor yang menentukan dari spesifisitas ikatan oleh karena itu ikatan hidrogen berguna pada tahap penyaringan (filter) dan perbaikan (refinement). Tetapi geometri alaminya (berdasarkan interaksi dipol) membuat ikatan hidrogen sulit diintegrasikan menjadi suatu fungsi energi yang mudah dihitung (khususnya untuk tahap awal FFT). Sehingga fungsi potensial energi suatu ikatan hidrogen dibuat berdasarkan struktur PDB (Kortemme et al., 2003).

Sudut Euler adalah suatu cara yang mewalili orientasi spasial dari berbagai sistem koordinat sebagai komposisi rotasi dari sebuah komposisi rotasi dari sebuah koordinat referensi. Sudut Euler ini digunakan untuk menjelaskan rotasi dari konfigurasi awal. Rotasi ψberputar terhadap sumbu z. Rotasi θberputar terhadap sumbu x. Gambar 11 menjelaskan diagram rotasi ini. Biasanya sudut Euler terdiri dari tiga sudut, tetapi untuk docking, sudut ketiga φtidak diperhitungkan karena akan menyulitkan saat pencarian simetri hasil docking (Pierce, Tong, & Weng., 2005).11Gambar 2. Diagram rotasi sudut Euler ψ dan θ, sudut-sudut ini digunakan untuk menjelaskan konfigurasi rotasi ligan dan reseptor. Dalam hal ini ψ = 90° danθ = 45°

 

 

 

 

 

 

Be Sociable, Share!