Binding-site modeling of the muscarinic m1 receptor: a combination of homology-based and indirect approaches

Abstract

A model of the muscarinic m1 receptor has been constructed on the basis of the putative three-dimensional structural similarity between bacteriorhodopsin and G-protein coupled receptors. The homology-based m1 receptor model takes into account hydrophobicity and conserved amino acids and information from site-directed mutagenesis studies and from hydropathy plots. The resulting model was used in conjunction with an indirect model which describes a proposed active agonist conformation of acetylcholine and a number of related compounds. A receptor-excluded volume was constructed by superimposing these muscarinic agonists and calculating their combined van der Waals volume. The resulting m1 receptor excluded volume was used to define the agonist binding site, which consists of nine amino acids and which binds agonists primarily through interaction with Asp105 (ionic interaction). Thr192 and Asn382 (hydrogen bonds). The model is flexible since the conformation of the nine amino acids may change in response to the agonist structure. The combination of indirect and homology-based approaches is particularly attractive since it utilizes more experimental data than a purely homology-based model and since a binding-site model might be more realistic and general in terms of applicability than indirect models. Docking of the ligands was performed by optimizing attractive interactions and minimizing repulsive interactions. In addition to the agonists used to define the binding site, structurally different agonists are also accommodated by the binding-site model. Furthermore, the m1 receptor binding-site model is able to reproduce experimentally determined stereoselectivities.

Introdução a modelagem molecular de fármacos no curso experimental de química farmacêutica

“…A sobreposição do substrato ACh com os fármacos, mostrados na Figura 12, evidencia algumas semelhanças entre os agonistas, metacolina (13) e betanecol (18), e antagonistas, atropina (19), propantelina (20) e suxametônio (21), como distância interatômica e o ângulo diédrico entre o oxigênio éster e o grupo amino lateral. Por outro lado, são bastante visíveis as diferenças do tamanho molecular, destacando a presença de grupos volumosos adicionais nos antagonistas.…”

“…Em associação com as aulas teóricas, os alunos concluem que existe grande probabilidade dos fármacos agirem em seu alvo na conformação termodinamicamente mais estável, no entanto, outros fatores podem interferir na disposição espacial da estrutura final. A molécula de ACh é um exemplo característico, que, no compartimento biológico age, provavelmente, na forma antiperiplanar (180°) no receptor nicotínico e sinclinal (~80°) 17 ou anticlinal (~120°) 18 no receptor muscarínico, sendo esta última interação devido, provavelmente, à interação eletrostática entre os grupos (CH 3 ) 3 N + e OC(O)CH 3 da molécula. Este dado está em acordo com a forma observada para o agonista muscarínico seletivo, S-metacolina, cuja conformação bioativa é próxima à sinclinal (80°).…”

“…A distância obtida pode, ainda, ser interpretada como a distância complementar existente entre os aminoácidos dos sítios de ligação no receptor, necessárias para interação com o ligante. Os aminoácidos de Thr192 (treonina) e Asn382 (asparagina) que realizam interação hidrofóbica e ligação de hidrogênio com o grupo éster de ACh e os aminoácidos de Asp105 (aspartato), Trp378 (triptofano) e Tyr381 (tirosina), que interagem com o grupo amônio quaternário (ou terciário protonado) através de interação iônica e cátion π, devem estar separados pela mesma ordem de grandeza (Figura 16) 18 .…”

“…Por outro lado, os agonistas, S-metacolina (13) e S-betanecol (18), com grupo metila na cadeia principal, apresentam uma conformação diferente com ângulo diédrico em torno de 150º, de menor energia estérica. A diferença obtida (80º) nos estudos de análise conformacional indica que os resultados de ângulo, obtidos na Tabela 2, podem estar relacionados à conformação de energia mínima local, obtida durante o processo de minimização MM2.…”

“…Os grupos volumosos adicionais dos antagonistas muscarínicos determinam maior solubilidade em lipídio, fornecendo maiores valores de log P para atropina (19) e, especialmente, para propantelina (20). O agonista betanecol (18), com grupo carbamato, apresentou o menor valor de log P, indicando sua maior solubilidade em água. Os fármacos adrenérgicos apresentaram valores de log P sem uma correlação aparente com o efeito agonista ou antagonista; propranolol (25) e efedrina (24) foram mais lipossolúveis que os fármacos correspondentes atenolol (26) e dopamina (23).…”