Моделирование механизмов реакций ферментативного катализа в активном сайте холинэстераз комбинированными методами квантовой и молекулярной механики

• Автор: Лущекина, Софья Владимировна
• Шифр специальности: 02.00.15
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с. : ил.

Оглавление
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ХОЛИНЭСТЕРАЗЫ

1.1 Физиологическая функция ацетилхолинзетеразы

Классическая каталитическая функция АХЭ

Неклассические функции АХЭ.

АХЭ эритроцитарный антиген.

Молекулярный полиморфизм АХЭ.

1.2 Заболевания, связанные с АХЭ.

Болезнь Альцгеймера

Миастенический синдром.
1.3 Структура и каталитический механизм действия АХЭ
Структура АХЭ
Механизм гидролиза ацетилхолина в ак тивном центре АХЭ.
1.4 Компьютерное моделирование реакций АХЭ.
Молекулярнодинамическое моделирование.
Молекулярный докинг
Моделирование реакции гидролиза
1.5 Бутирилхолинэстераза.
Функция БХЭ
Сравнение строения БХЭ и АХЭ.
Особенности катализа БХЭ.
Роль БХЭ в терапии болезни Альцгеймера.
Взаимодействие с фосфорорганическими соединениями
Молекулярный полиморфизм БХЭ.
Атипичная БХЭ, роль Аэр
Гидролиз кокаина.
1.6 Заключение.
ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИЙ ГИДРОЛИЗА СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ХОЛИНЭСТЕРАЗАМИ
2.1 Выбор кристаллофафической структуры
Ацетил холинэстераза.
Бутирилхолинэсгсраза.
2.2 Добавление атомов водорода.
2.3 Положение молекулы субстрата.
Молекулярный докинг
Положение ацетилхолина в АХЭ.
Положение сукцинилихолина в БХЭ
Молекулярнодинамическое моделирование.
2.4 Добавление молекул воды
2.5 Комбинированный метод квантовой и молекулярной механики
2.6 Выделение квантовой подсистемы.
Система АХЭацетилхолин
Система БХЭсукцинилхолин
2.7 Локализация минимумов на ППЭ системы.
Система АХЭ ацетилхолин.
Система БХЭсукцинилхолин
Расчет энергетических барьеров реакции.
Колебательный анализ в стационарных точках.
2.8 Заключение
ГЛАВА 3 РЕАКЦИЯ ГИДРОЛИЗА АЦЕТИЛХОЛИНА В
АКТИВНОМ САЙТЕ АХЭ
3.1 Геометрические конфигурации стационарных точек.
Ферментсубстратный комплекс.
Первое переходное состояние
Тетраэдрический интермедиат стадии ацилирования
Сравнение с аналогами тетраэдрического интермедиата
Ацил ферментный ком плекс
Второе переходное состояние
Тетраэдрический интермедиат стадии деацилирования
Продукты реакции.
3.2 Энергетический профиль реакции ацетилхолина и АХЭ
3.3 Обсуждение механизма реакции гидролиза ацетилхолина, катализируемого АХЭ.
Стадия ацилирования
Стадия деацилирования
Возможность двухпротонного механизма.
Роль С1и2 в реакции гидролиза ацетилхолина АХЭ.
3.4 Влияние выбора квантовой подсистемы на точность расчетов.
3.5 Заключение.
ГЛАВА 4 КОРРЕЛЯЦИИ МЕЖДУ СКОРОСТЬЮ ГИДРОЛИЗА НЕЗАРЯЖЕННЫХ СУБСТРАТОВ, КАТАЛИЗИРУЕМОГО АХЭ, И ИХ
СТРУКТУРОЙ
4.1 Экспериментальные данные.
4.2 Расчет с использованием малой квантовой подсистемы
4.3 Расчет с использованием большой квантовой подсистемы
4.4 Соответствие экспериментальных и расчетных данных
4.5 Изучение взаимодействия незаряженных субстратов с гидрофобным сайтом АХЭ.
4.6 Заключение.
ГЛАВА 5 ВЛИЯНИЯ ПОЛИМОРФНОЙ МОДИФИКАЦИИ БХЭ НА МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ ГИДРОЛИЗА СУКЦИНИЛХОЛИНА
5.1 Анализ ферментсубстратного комплекса БХЭсукцинилхолин. .2
Молекулярный докинг
Молекулярнодинамическое моделирование.
5.2 Геометрические конфигурации стационарных точек.
Ферментсубстратный комплекс.
Тетраэдрический интермедиат стадии ацилирования
Ацилфермент
5.3 Энергетический профиль и оценка влияния полиморфной модификации БХЭ на механизм реакции гидролиза сукцинилхолина
5.4 Заключение.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Существует ряд свидетельств того, что помимо этой классической каталитической функции, ацетилхолинэстераза обладает целым рядом т. Ацетилхолинэстераза ключевой компонент холинэргических синапсов центральной нервной системы и иервномышечиых синапсов. Передача сигналов между нейронами и от нейронов к мышечным клеткам происходит в нервных окончаниях синапсах с помощью сигнальных веществ, нейромедиаторов трансмитгеров. Нейромедиатор ацетилхолин уксуснокислый эфир холина, образующийся в цитоплазме аксонов из ацетилКоА и холина под действием фермента ацетилхолинтрасферазы. Нейромедиатор накапливается в синаптических везикулах, в каждой везикуле содержится примерно 0 молекул ацетилхолина. При передаче сигнала потенциал действия достигает пресинаптической мембраны, что вызывает открывание потенциалуправляемых Са2каналов. Ионы Са проникают из внеклеточного пространства в клетку, их уровень в синапсе резко увеличивается, что инициирует процесс экзоцитоза. Синаптические везикулы выделяют содержимое ацетилхолин в синаптическую щель. Молекулы ацетилхолина диффундируют через синаптическую щель, связываются с постсинаптическими рецепторами и активируют их 1, 3. Длительность синаптических токов составляет порядка 1мс, чтобы действие синаптических медиаторов соответствовало этому времени, ацетилхолин расщепляется ацетилхолинэстеразой 1. АХЭ считается одним из самых быстрых из известных ферментов 4, 5. Этот фермент имеет высокое число оборотов Аса1См1. М1с1 6, что гарантирует быстрое удаление сигнального вещества и обеспечивает готовность синапса к новому циклу передачи возбуждения. Продукты гидролиза, холин и уксусная кислота, активно захватываются пресинаптической частью синапса и используются для повторного синтеза ацетилхолина. Соединения, блокирующие остаток серина в активном центре ацетилхолинэстеразы, в первую очередь, фосфорорганические соединения ФОС пролонгируют действие ацетилхолина и действуют как нейротоксины. Множество инсектицидов направлено на блокирование АХЭ насекомых, так же действуют боевые отравляющие вещества. Помимо центральной нервной системы, АХЭ локализована в симпатических и парасимпатических ганглиях, моторные окончания двигательных нейронов, потовые железы, в лимфатической системе и эмбриональных тканях. Помимо основной каталитической функции, АХЭ принимает участие в разнообразных физиологических процессах, часть из которых активно исследуются благодаря их связи с тяжелыми нервными и нервномышечными заболеваниями человека, другие пока изучены только на
примере животных. АХЭ экспрессируется во всех эукариотах, включая растения 8, 9. Первой выявленной неклассической функцией АХЭ была се роль в росте аксонов и формировании синапсов , и росте злокачественных опухолей . Было установлено на примере Не1оЬс1еа изепаНэ , что АХЭ появляется в эмбрионе до развития холинэргической системы передачи нервного импульса, что указывает на некаталитическую роль АХЭ в клеточном развитии и росте нейронов, также АХЭ обнаруживается в нейронах, не входящих в холинэргическую систему . Присутствие АХЭ в кроветворных клетках вызвало предположение о ее кроветворной активности у позвоночных , . Рецепторы ацетилхолина обнаруживаются также в лимфоцитах, выделенных из тимуса, лимфатических узлов, селезенки и периферической крови. Ацетилхолинтрансфераза, фермент, синтезирующий ацетилхолин, так же обнаружена в лимфоцитах, происходящих из различных тканей иммунной системы. Из этого был сделан вывод, что парасимпатическая нервная система может играть роль во взаимном влиянии иммунной и нейрогуморальной систем. Стимуляция Тлимфоцитов активирует лимфатическую холинэргическую систему, чему свидетельствует увеличенный синтез и выброс ацетилхолина, повышенная активность ацетилхолинэстеразы и повышенная экспрессия мРНК, кодирующей ацетилхолинтрансферазу и рецепторы ацетилхолина. Таким образом, иммунная система контролируется не только цитокинами, но и независимой экстранейрональной лимфатической холинэргической системой . Интересен тот факт, что АХЭ является эритроцитарным антигеном человека, т. УТ.