Применение методов молекулярного моделирования для разработки новых лекарств

• Автор: Каткова, Екатерина Владимировна
• Шифр специальности: 03.01.02, 03.01.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 155 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Методы рациональной разработки лекарств
1.2. Белки-мишени урокиназа и РАК-1: структура, роль в организме, наличие известных ингибиторов
1.2.1. Роль урокиназы в организме
1.2.2. Структура урокиназы
1.2.3. Известные ингибиторы урокиназы и особенности их взаимодействия
с протеолитическим центром урокиназы
1.2.4. Роль РАК1 в организме
1.2.5. Структура протеинкиназы РАК
1.2.6. Известные ингибиторы РАК
Глава 2. Методы исследования
2.1. Докинг, скоринг и виртуальный скрининг - основа технологии разработки новых ингибиторов. Программа SOL
2.2. Постпроцессинг
2.2.1. Общие положения: локальная оптимизация и уточнение энергии связывания белка и лиганда. Программа Discore
2.2.2. Методы квантовой химии
2.3. Прямой докинг. Программа FLM
2.4. Экспериментальная методика тестирования ингибирования урокиназы in vitro
2.5. Экспериментальная методика тестирования ингибирования протеинкиназы РАК1 in vitro
Глава 3. Применение методов компьютерного моделирования для разработки новых ингибиторов урокиназы
3.1. Создание молекулярной модели урокиназы
3.2. Поиск оптимальных параметров генетического алгоритма
3.3. Проверка качества позиционирования программой докинга SOL
3.4. Проверка качества оценки энергии связывания урокиназа-лиганд программой докинга SOL
3.5. Способность программы докинга SOL находить реальные ингибиторы из множества неактивных лигандов
3.6. Виртуальный скрининг баз данных готовых соединений
3.7. Валидация и применение постпроцессинга с помощью программы Discore
3.8. Применение прямого докинга в рамках программы FLM
3.9. Применение полуэмпирических квантово-химических методов для расчета свободной энергии связывания урокиназа-лиганд
3.10. Дизайн и синтез новых ингибиторов
3.11. Обсуждение результатов главы
Глава 4. Компьютерная разработка новых ингибиторов РАК
4.1. Определение связывающего центра протеинкиназы РАК1. Докинг молекулы BPIPP в белок РАК
4.2. Докинг базы данных NCI и результаты экспериментальной проверки..
4.3. Проведение квантово-химических вычислений для соединений, отобранных из базы данных NCI Diversity
4.4. Обсуждение результатов главы
Глава 5. Применение докинга и постпроцессинга в международном конкурсе

Заключение
Список литературы

Введение
Для решения задач, связанных с рациональной разработкой новых лекарственных средств, в настоящее время все чаще прибегают к методам молекулярного моделирования. Зачастую болезнь обусловлена функциональностью тех или иных белков, и чтобы её вылечить, нужно блокировать работу этих белков. Роль таких «блокаторов» выполняют молекулы-ингибиторы - обычно низкомолекулярные органические соединения, которые избирательно связываются с определенными областями белка-мишени, так называемыми активными центрами или центрами связывания, и подавляют его активность. На первом этапе разработки нового лекарственного соединения необходимо найти или создать такие молекулы, для этого и используются методы рационального компьютерного in silico дизайна.
Все стадии разработки нового лекарственного вещества, как правило, требуют значительных финансовых затрат, занимают порядка 10-15 лет и включают в себя как дизайн молекулы-ингибитора и её структуры на первом этапе, так и проверку этой молекулы в экспериментах in vitro, in vivo и в дальнейших доклинических и клинических испытаниях. Поэтому сокращение как временных, так и материальных затрат является в настоящее время одной из первоочередных задач. Здесь на помощь и приходят методы молекулярного моделирования, позволяющие из большого числа кандидатов в ингибиторы выделить наиболее перспективные и интересные, таким образом, значительно сокращая число соединений, которые необходимо синтезировать и экспериментально тестировать в процессе разработки нового лекарства.
В настоящее время существует множество методов для моделирования взаимодействия лекарственных соединений с соответствующими мишенями и вычисления энергии связывания ингибитора и белка. Сущность вычислительного аспекта проблемы заключается в необходимости вычислять энергию взаимодействия лиганд-мишень с высокой точностью (1-2 ккал/моль или 0.05-0.1 эВ), и с высокой скоростью, позволяющей оперативно проводить

Глава 2. Методы исследования
2.1. Докинг, скоринг и виртуальный скрининг - основа технологии разработки новых ингибиторов. Программа SOL
Докинг (или позиционирование) - поиск положения лиганда в активном центре белка-мишени, соответствующего наиболее глубокому минимуму потенциальной энергии молекулярной системы белок-лиганд, и вычисление свободной энергии связывания лиганда с белком при использовании энергии этого глобального минимума. Докинг в настоящее время является наиболее распространенным методом виртуального скрининга.
В целом процедура докинга включает в себя два взаимосвязанных действия: нахождение правильного положения лиганда в активном центре белка-мишени и определение константы связывания белок-лиганд. Взаимосвязанность этих действий заключается в том, что «правильность» положения лиганда определяется тем, что в этом положении достигается глобальный минимум энергии системы белок-лиганд, а величина этой энергии определяет константу связывания белок-лиганд. В данной работе использовалась оригинальная программа докинга SOL [45,46,108]. Для ускорения вычислений и упрощения поиска наилучшего положения лиганда делаются некоторые приближения [45,46,108]:
1. Белок предполагается жестким, а для имитации подвижности атомов белка вводится уширение потенциалов, составляющее обычно 0.3-0.4 А. Докинг лигандов при этом осуществляется в куб докинга (обычно он имеет длину ребра 22 А), охватывающий (с большим запасом) активный центр белка-мишени. В этом кубе в узлах трехмерной сетки размером 101 х 101 х 101 записаны потенциалы взаимодействия атомов лиганда с атомами всего белка, включая те атомы белка, которые находятся вне куба докинга. В каждом узле записаны значения различных потенциалов взаимодействия каждого типа пробных атомов лиганда: электростатическое взаимодействие, ван-дер-
ваальсово взаимодействие, потенциалы десольватации, а типы пробных атомов