Моделирование конформационного равновесия и сольватации при связывании органических соединений с биологическими мишенями

• Автор: Зейфман, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 02.00.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 129 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Методы расчета свободной энергии связывания органических соединений с терапевтическими мишенями
111 Теоретические основы
112 Практическая реализация метода
113 Расчетошибок в методе ВСЭ
1.2. Методы анализа конформационного равновесия при связывании органических соединений с белками.
12 1 Расчеты методом двухтопологического ВСЭ
12 2 Расчет потенциала средней силы
12 3 Методы «усиленного» сэмплирования
12 4 Анализ существующих методов моделирования конформационной равновесия
1.3. Методы учета растворителя в расчетах свободной энергии связывания органических соединений с белками
13 1 Методы, основанные на неявном учете растворителя
13 2 Явный учет растворителя в расчетах свободной энергии
13 3 Анализ существующих методов учета сольватации при моделировании связывания белков с
лигандами
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Общие методы
2 11 Пакеты программ, использованные в работе
2 12 Подготовка трехмерных структур и топологических файлов лигандов
2 13 Параметры молекулярно-динамических расчетов методом ВСЭ
2.2. Расчёт относительной свободной энергии связывания лигандов с Syk-киназой и PARP методом ВСЭ
2 2 1 Конструирование моделей трехмерной структуры белков
2 2 2 Расчет относительной свободной энергии различных лигандов Syk-киназы и PARP в
растворе методом ВСЭ
2 2 3 Расчет относительной свободной энергии различных лигандов Syk-киназы и PARP в белке
методом ВСЭ
2.3. Расчет относительной свободной энергии конформеров лигандов Syk-киназы методом ВСЭ
2 3 1 Подготовка топологических файлов для расчетов изменения свободной энергии
конформеров
2 3 2 Расчет свободной энергии конформеров методом ВСЭ
2 3 3 Перебор конформаций лигандов Syk-киназы при расчете заселенности методом ВСЭ
2.4. Анализ корректности расчетов методом ВСЭ
2 4 1 Определение погрешностей расчетов методом ВСЭ
242 Определение RMSD атомов белка
2 4 3 Определение свободной энергии перехода при различной длине траектории
2 4 4 Анализ лиррелиции карт плотности воды
2.5. Экспериментальное определение эффективности связывания соединений с Syk-киназой и PARP
2.6. Синтез новых ингибиторов Syk-киназы
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Конформационное равновесие лигандов Syk-киназы
3 11 Теоретические основы учета свободной энергии конформационной фокусировки в расчетах энергии связывания
3 12 Методология расчета свободной энергии конформационного перехода методом ВСЭ
3 13 Проверка методики расчета свободной энергии конформационной фокусировки на
примере N-метилформамида
3 14 Особенности конформационной фокусировки ингибиторов Syk-киназы
3 15 Расчет конформационного равновесия ингибиторов Syk-киназы
3 16 Расчет свободной энергии связывания ингибиторов Syk-киназы методом ВСЭ
3 17 Расчет свободной энергии связывания ингибиторов Syk-киназы методом ВСЭ с учетом
конформационного равновесия

3.2. Явный учёт сольватации комплекса белок-лиганд в расчётах методом ВСЭ
3.2.1. Расчёт свободной энергии связывания ингибиторов РАКР методом ВСЭ
3.2.2. Расчёт корреляции карт плотности воды для определения степени сэмплирования молекул растворителя
3.2.3. Временная корреляции карт плотности воды в белке в расчётах связывания ингибиторов РАЯР
3.2.4. Изучение особенностей сольватации комплекса РАКР с лигандом РАКР_Ы
3.2.5. Учёт альтернативных вариантов сольватации комплекса белок-лиганд в расчетах методом ВСЭ
3.3. Дизайн новых ингибиторов Бук-киназы с учётом конформационной фокусировки и сольватации комплекса белок-лиганд
3.3.1. Выбор модификаций структуры МТ-
3.3.2. Расчёты свободной энергии конформационной фокусировки предложенных ингибиторов Бук-киназы
3.3.3. Расчёт относительной свободной энергии связывания новых ингибиторов Бук-киназы методом ВСЭ
3.3.4. Сопоставление результатов расчетов методом ВСЭ и предварительных структурных гипотез
3.3.5. Синтез и экспериментальная проверка активности новых ингибиторов Бук-киназы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ВСЭ - возмущение свободной энергии
КФ - конформационная фокусировка
PARP - поли(АДФ-рибоза)-полимераза (poly-(ADP-riboso)-polymerase) Syk - селезёночная тирозинкиназа (spleen tyrosine kinase)
МД - молекулярная динамика

В первой группе методов отсутствуют какие-либо ограничения на степень сэмплирования молекул растворителя; в некоторых методах даже наоборот вводится предположение, что связанные молекулы воды не обмениваются в ходе молекулярной динамики с окружающей средой. Во второй группе методов на основании молекулярнодинамических вычислений определяется степень сэмплирования молекул растворителя и, если она недостаточная, рассматриваются варианты её улучшения.
1.3.2.1. Определение сайтов сольватации динамикой Монте-Карло большого канонического ансамбля (GCMC)
Одним из способов увеличения степени сэмплирования погруженных молекул воды является применение метода Монте-Карло для большого канонического ансамбля (GCMC, Grand-Canonical Monte Carlo). В данном подходе, в отличие от классического метода Монте-Карло, в котором изменяются только координаты атомов, дополнительно модифицируется также и количество тех или иных молекул (например, молекул растворителя), и на каждом шаге принимается решение о добавлении или исключении новой молекулы из расчётов. Одна из первых работ, в которой использовался данный метод, была посвящена определению сайтов гидратации гиалуроновой кислоты [69]. Авторам удалось успешно предсказать позиции 2 из 4 кристаллографических молекул воды, и также получить значительную заселённость для позиции между двумя оставшимися кристаллографическими молекулами растворителя.
Дальнейшее развитие для сэмплирования воды метод GCMC получил в работах Ру [70; 71]. Предложенная им модель представляет собой сочетание явного и неявного подходов к учёту растворителя. Молекулы воды, находящиеся в достаточно небольшом по размеру активном сайте белка, учитываются явным образом, в то время как остальные молекулы воды (а также большая часть белка) учитываются неявно методом потенциала средней силы. Подобное описание позволяет достичь значительно большей эффективности расчётов по сравнению с полностью явным описанием всей системы; тем не менее, поскольку «внутренние» молекулы воды не могут свободно обмениваться со средой, расчёты проводятся методом GCMC, который позволяет внутренним молекулам воды «появляться» и «исчезать» в ограниченном пространстве. В работе [70] валидность данного метода была сначала продемонстрирована для заполнения водой кубической ячейки со стороной 18,856 А. За 2 миллиона шагов динамики Монте-Карло была достигнута постоянная концентрация молекул воды, соответствующая ожидаемому значению (п=224 молекулы в ячейке). Затем данный метод был применён для определения позиций молекул воды в калиевом канале KcsA. Несмотря на достаточно большой размер