Моделирование взаимодействия фермент-лигандного комплекса у входа в
advertisement
Моделирование взаимодействия фермент-лигандного комплекса у входа в канал, ведущий в активный центр АХЭ Аюпов Рустам Хасанович Научные руководители: Акберова Н.И. к.б.н. доцент, Тарасов Д.С. к.б.н. Казанский Федеральный Университет Введения Молекулярное моделирование используется для предсказания поведения молекул относительно друг друга. В данной работе моделируется взаимодействие ацетилхолинэстеразы (АХЭ) и лиганда из класса производных пиридоксина. Предполагается, что лиганд ингибирует действие фермента посредством образования ковалентной связи с аминокислотным остатком Ser203 [1]. В предыдущих исследованиях [2] было показано, что в активном центре фермента лиганд нековалентно взаимодействует с АХЭ, при этом не исключается и ковалентное взаимодействие. Так же была показана роль окружения каталитической триады активного центра фермента во взаимодействии с лигандом [3]. В настоящем исследовании выясняется вопрос взаимодействия лиганда с аминокислотными остатками, находящимися у входа в канал, ведущий в активный центр АХЭ. Объекты и методы В работе использовали структуру АХЭ - 2JEY, полученную из Protein Data Bank (PDB). Структура была очищена от молекул не белкового происхождения (молекулы, которые способствовали кристаллизации фермента) с помощью программы VMD. Модель структуры лиганда была построена с помощью программы Avogadro и оптимизирована в программном пакете PC GAMESS (Fire fly). Первоначальное положение лиганда у входа в канал активного центра было получено с помощью программы AutoDock. Динамика фермент-лигандного комплекса проводилась в программе NAMD 2.8 с использованием силового поля Amber 99. Получение топологии молекулы Топология молекулы — это набор определенных параметров (углы, длины связи, заряды), характерных для конкретной структуры, состоящей из определенных атомов и групп атомов. Данная процедура проводилась в AMBER 99. Основные этапы работы в Amber99: – работа со структурой белка – работа со структурой лиганда и его помещение в структуру белка – добавление молекул воды в окружение белка Условия динамики Динамика проводилась с использованием периодических граничных условий, шаг интегрирования 2 фс, температура моделируемой системы 300 К. Запись траектории проводилась в течение 2 нс на каждом 800 шаге динамики. Размер ячейки составил 105*75*150 ангстрем. Перед динамикой структура комплекса была минимизирована методом градиентного спуска в течение 200 шагов. Порог отрезания потенциала равен 10 ангстрем. Связи с атомами водорода были зафиксированы, что вело к сокращению времени динамики. Статические взаимодействия между периодическими образами рассчитывались методом суммации Эвальда (PME). Результаты и обсуждение Первоначальное положение лиганда (рис.1.1) на поверхности фермента около входа в канал активного центра, полученное в ходе докинга, показывает наличие стэкинг взаимодействия с аминокислотным остатком Trp286. Такая позиция лиганда энергетически выгодна, но его ориентация не способствует прохождению в канал активного центра. Тем не менее коорднаты атомов лиганда в этой позиции были выбраны как начальные для проведения динамики, чтобы выяснить - сможет ли лиганд удержаться в этом положении или его положение изменится. Результаты динамики показали, что первоначальное положение лиганда нестабильно (рис.1.2,1.3). В ходе межмолекулярного взаимодействия происходит расхождение (отталкивание) лиганда и бокового радикала аминокислотного остатка Trp86. При этом видимого перемещения лиганда к каналу активного центра не происходит. Анализируя полученные в ходе динамики результаты, надо исходить из результатов докинга. Если структура лиганда при докинге будет расположена близко к входу в канал, то она может образовать связи с аминокислотными остатками, служащими "воротами" канала. При этом возможно два варианта ориентации структуры лиганда, выгодной для проникновения в канал. Первый, ориентация лиганда должна быть такой, чтобы его карбамоилированный радикал был направлен в сторону канала. В этом случае лиганду не надо разворачиваться внутри канала или полости активного центра, чтобы провзаимодействовать с аминокислотным остатком Ser203. Второй вариант, молекула должна быть ориентирована противоположно, то есть карбамоилированный радикал должен быть ориентирован «от канала». В этом случае, ароматические аминокислоты канала будут взаимодействовать с ароматическим кольцом лиганда, «помогая» ему проходить канал. Рис. 1 Молекулярная динамика фермент-лигандного комплекса. 1.1 – первоначальное положение лиганда (обозначен зелеными шарами) относительно фермента (весь белок показан в виде спиралей серого цвета, аминокислотные остатки канала и активного центра показаны в виде поверхности) при закрытом канале; 1.2 – положение лиганда при открытом канале; 1.3 – взгляд внутрь канала (светло-фиолетовым обозначен аминокислотный остаток Ser203); 1.4 – аминокислотные остатки - «ворота» канала в активный центр и лиганд (черные пунктирные линии — между атомами образующими «ворота», зеленые пунктирные линии — между атомом азота лиганда и реперными точками для анализа передвижения лиганда в динамике). Рис.2 Изменение расстояний между атомами в ходе динамики На рис.2 показана динамика изменения расстояний между атомами. Если пренебречь первыми 50 шагами динамики, то видим, что расстояния колеблются максимум в диапазоне 2 ангстрем. Синим и оранжевым линиями показаны изменения между атомами смыкающими «ворота» канала (на рис.1.4 — черные пунктирные линии). Наибольшие расстояние между атомами аминокислот Ser286(O) – Asp74(OD2) и составляет 14,49 Å (ангстрем), в среднем 12,89 Å. Расстояние между Tyr334(O) – Trp279(CH2) достигает 7,55 Å, в среднем 6,18 Å. Для анализа изменения положения лиганда были взяты реперные точки (рис.1.4 — зеленые пунктирные линии, рис.2 — желтые, зеленые, коричневые линии) атомы аминокислотных остатков «ворот» канала и атом азота лиганда (N1). В ходе динамике, после стабилизации структур, лиганд(N1) не значительно приблизился к Trp289(CZ2) с 8 до 7 Å в среднем, а максимально до 6,2 Å; по отношению к точкам Ser286(O) и Tyr334(O) он показал соответствующие значения: начальное 8,9 Å и 8,6 Å, среднее 7,8 Å и 7,7 Å, максимально отдалился на 9,17 Å и 9,06 Å, максимально приблизился на 6,7 Å и 7,1 Å. Колебания «ворот» Ser286(O) – Asp74(OD2) x Tyr334(O) – Trp279(CH2) в среднем составило 12,89 x 6,18 Å, максимальное значение в определенный момент 13,89 x 7,18 Å. Стоит отметить, что при проведении динамики без лиганда у входа в канал параметры «ворот» максимально колебались в пределах 8.95×10.48 Å, параметры лиганда при этом составляют 8,36 × 9,02 Å. Заключение Проведенное исследование показало, что положение лиганда на поверхности фермента в ходе динамики полностью зависит от выбранного положения лиганда в ходе докинга. Анализ динамики подтвердил возможность проникновения лиганда в канал активного центра. Однако, для проведения соответствующего удачного эксперимента, нужно будет подобрать начальное выгодное положение лиганда. Литература 1. Стрельник, А. Д. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. Синтез и биологическая активность некоторых производных пиридоксина. Казань. 2010 год. 128 с. 2. Аюпов, Р.Х., Акберова Н.И., Тарасов Д.С.. Докинг производных пиридоксина в активном центре холинэстераз. // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. Науки – 2011. – Т. 153, кн. 3. – С. 107-118. 3. Аюпов, Р.Х., Акберова Н.И., Тарасов Д.С. Взаимодействие производного пиридоксина с активным центром ацетилхолинэстеразы // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки - 2012.- Т. 154, кн. 2. – С. 234-246.
