Конформационные аспекты взаимодействия протеиназы ВИЧ-1 с субстратом и ингибитором

• Автор: Попов, М. Е.
• Шифр специальности: 03.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 141 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ФЕРМЕНТ-ЛИГ АНД
Часть 1. Теоретический подход к изучению явления биокатализа
Часть 2. Современные методы компьютерного моделирования взаимодействий
лиганд-рецептор
Часть 3. Кристаллографическая структура и каталитические свойства
аспартатных протеиназ
ГЛАВА 2. МЕТОД ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КОНФОРМАЦИОННОГО АНАЛИЗА
Часть 1. Постановка задачи и план исследования
Часть 2. Метод расчета, потенциальные функции и параметризация
ГЛАВА 3. КОНФОРМАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СВОБОДНОГО СУБСТРАТА ИНГИБИТОРА И АКТИВНОГО ЦЕНТРА ПРОТЕИНАЗЫ ВИЧ
Часть 1. Конформационные возможности природного гептапептидного субстрата
протеиназы ВИЧ
Часть 2. Конформационные возможности ингибитора
Часть 3. Активный центр протеиназы ВИЧ
ГЛАВА 4. КОМПЛЕКС ПРОТЕИНАЗЫ ВИЧ-1 С ИНГИБИТОРОМ Ю
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКС ПРОТЕИНАЗЫ ВИЧ-1 С ПРИРОДНЫМ СУБСТРАТОМ

ГЛАВА 6. МЕХАНИЗМ КАТАЛИЗА ПРОТЕИНАЗЫ ВИЧ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Посвящается памяти отца
Одной из важнейших задач современной молекулярной биологии является установление зависимости между пространственной структурой белка и его функцией. Определяющая роль в решении этой проблемы, несомненно, принадлежит исследованиям наиболее многочисленной группы белков — ферментов, где накоплен огромный экспериментальный материал. В настоящее время основой для всех заключений о возможном механизме функционирования фермента на молекулярном уровне служит рентгеноструктурный анализ, а также информация, полученная косвенными методами, к которым принадлежат все виды спектроскопии, а также методы химической кинетики.
Однако уникальные кристаллографические данные относятся, в основном, к статической структуре, т.е. к морфологии белка и пока лишь в редких особых случаях позволяют получить данные о строении нестабильных состояний (например, фермент-субстратных комплексов). Именно по этой причине на основании одного и того же экспериментального материала предлагается, как правило, не одна, а несколько гипотетических схем ферментативного катализа.
Сейчас становится все более очевидным, что эмпирический подход и полученная из эксперимента информация недостаточна для объяснения, а тем более для количественного описания фермента как биологической машины, осуществляющей при взаимодействии с субстратом целенаправленную функцию по вполне определенному механизму. Полное решение этой задачи требует привлечения теоретических методов исследования.
Настоящая работа представляет собой попытку использования метода теоретического конформационного анализа для количественного описания кон-

формационных стадий непрерывного и спонтанно протекающего процесса ферментативного катализа.
В качестве объекта исследования выбрана аспартатная протеиназа вируса иммунодефицита человека (ВИЧ-1), которая играет ключевую роль в цикле жизни вирусной частицы, осуществляя процессинг полибелковой цепи и образование зрелых структурных "белков: Вирусная протеиназа также непосредственно V
участвует в патогенезе СПИДа, вызывая гидролиз белков инфицированных клеток и, нарушая, тем самым, их нормальное функционирование. Эти особенности делают протеиназу ВИЧ-1 привлекательной мишенью для антивирусной терапии, поскольку ее ингибирование предотвращает образование способных к размножению вирусных частиц.
Протеиназа ВИЧ-1 принадлежит к числу наиболее широко и разносторонне экспериментально изученных аспартатных протеиназ. Для нее определена пространственная структура нативной молекулы и многочисленных ингибиторных комплексов, получено большое количество кинетических данных. Однако ни в одном случае не было составлено полной динамической картины ее каталитического действия. До сих пор остается неизвестным продуктивное расположение субстрата в активном центре фермента, относительно которого высказываются различные, часто взаимоисключающие гипотезы, основанные, в основном, на трехмерных структурах набора ингибиторных комплексов.
Решение этих вопросов, помимо чисто научного, имеет огромное практическое значение для целенаправленного поиска высокоэффективных ингибиторов, которые могут быть использованы как лекарственные средства в терапии СПИД.
Выполненная работа является частью большого исследования, направленного на априорное количественное моделирование всех стадий каталитического акта

GROW [68], FlexX [73] и DEE/A* [80] позволяют исследовать лишь небольшую часть конформационного пространства. Отбор на каждом этапе фиксированного числа «лучших» структур ограничивает возможности последующих стадий.
Выход из создавшейся ситуации ищут в привлечении более эффективных методов стохастического поиска в сочетании с максимально упрощенной функцией молекулярной динамики [64]; в модификации энергетической функции [111], в частности во введении дополнительных членов для преодоления потенциальных барьеров [64]; в более адекватном отображении взаимодействующих комплементарных поверхностей [112 - 114]; в использовании генетических алгоритмов [115 - 117] и расширении конформационного пространства поиска [68, 73, 80]. В последнем случае принимается, что каждое частичное решение в процессе поиска конечной оптимальной структуры также является оптимальным. Однако, по мере увеличения числа рассматриваемых фрагментов, такое предположение все более удаляется от реальности.
Еще одним методом, с которым многие исследователи связывают надежды на прогресс в решении проблемы свертывания белковой цепи [118] и взаимодействий белок-лиганд [119], являются генетические алгоритмы (ГА). Идея поиска единственной конформационной «траектории» в них заменяется эволюционными процессами в «популяции» различных приближений.
Стохастические по своей природе, ГА используют эволюционную стратегию в расчетных процедурах быстрой идентификации «хороших» (но не обязательно оптимальных) решений в комбинаторных проблемах оптимизации [120, 121]. При этом предполагается, что существует некая аналогия между рассматриваемой проблемой и биологической эволюцией, что стараются подчеркнуть, привлекая такие термины как «ген», «генотип», «хромосома», и т.д. Основная идея ГА