Введение к работе
Актуальность темы. Основной парадигмой современного дизайна лекарственных средств является направленное воздействие на определённую биологическую мишень в организме человека. Крайне актуальной и до конца не решённой проблемой остаётся моделирование связывания лигандов с белковыми мишенями известной структуры. На сегодняшний день наиболее точным методом расчёта прочности связывания лигандов с терапевтическими мишенями является метод возмущения свободной энергии (ВСЭ), основанный на молекулярно-механическом описании полноатомной системы белок-лиганд с явным учётом молекул растворителя. Данный подход является наиболее эффективным вычислительным методом оптимизации лекарственных кандидатов, поскольку позволяет учесть ряд факторов (например, подвижность белка, конформационное равновесие лиганда и сольватацию системы), которые игнорируются в методах QSAR и молекулярного докинга, но зачастую определяют различие в связывании близких по структуре соединений.
Точность метода ВСЭ определяется корректностью молекулярно- механического силового поля и качеством сэмплирования системы. Предметом исследования настоящей работы являлись подходы к улучшению сэмплирования при использовании стандартных параметров силового поля.
Проблема недостаточного сэмплирования чаще всего возникает при моделировании комплекса органического вещества с терапевтической мишенью. Важную роль в динамике этой системы играют молекулы воды, контактирующие с атомами белка и лиганда, так как их подвижность зачастую оказывается существенно ограниченной из-за образования водородных связей либо из-за стерических затруднений. В то же время, недостаточное сэмплирование этих мостиковых молекул в некоторых случаях может приводить к ошибкам в несколько ккал/моль, что является неприемлемым при оптимизации лекарственных кандидатов. Для решения данной проблемы предложено большое количество различных подходов, цель которых главным образом сводилась к определению прочности связывания отдельных мостиковых молекул воды. В то же время, ни в одной из известных работ не был проведён систематический анализ стабильности сольватации комплекса белок-лиганд. Подобный анализ, с одной стороны, позволил бы оценить корректность расчётов свободной энергии и выявить альтернативные варианты расположения мостиковых молекул воды, а с другой - помог бы определить основные сайты сольватации и предложить направления для дальнейших модификаций лигандов. Таким образом, разработка методологии оценки временной стабильности сольватации комплекса белок-лиганд при расчётах методом ВСЭ является актуальной и не решённой на сегодняшний день проблемой.
Недостаточность сэмплирования может возникать и в ходе молекулярной динамики свободного лиганда в воде при наличии у него медленно переходящих друг в друга конформаций. Пренебрежение конформацинонным равновесием лиганда может вносить в итоговую энергию связывания значительную ошибку (порядка нескольких ккал/моль). Решению этой, а также схожей проблемы медленных конфор- мационных переходов в белках посвящено большое количество теоретических работ. Тем не менее, в большинстве случаев предложенные методы отличаются низким быстродействием и сложностью практической реализации, хотя и позволяли существенно уменьшить ошибку расчётов свободной энергии связывания. Создание универсального и эффективного способа анализа конформационного равновесия лиган- да и белка позволило бы не только повысить точность метода ВСЭ, но и выявить дополнительные направления модификации структуры лиганда с целью снижения конформационной энергии.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы состояла в создании методологии учёта вкладов конформационного равновесия и сольватации в свободную энергию образования комплекса белок-лиганд для направленного дизайна и синтеза новых биологически активных соединений. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
-
Создание эффективного метода расчёта конформационного равновесия органических соединений с явным учётом растворителя;
-
Разработка метода выявления и учёта (в свободной энергии связывания) различных сольватационных состояний комплекса белок-лиганд, находящихся в динамическом равновесии;
-
Направленный дизайн новых ингибиторов Syk-киназы и поли(АДФ-рибоза)- полимеразы (PARP) с использованием разработанных методов;
-
Синтез новых ингибиторов Syk-киназы и сопоставление экспериментальных данных по активности с результатами моделирования.
Научная новизна. Впервые предложен подход к моделированию конформаци- онного равновесия органических соединений с явным учётом растворителя, основанный на расчётах методом ВСЭ с использованием равновесного значения двугранного угла в качестве реакционной координаты. Разработанный способ применим как для небольших органических молекул, так и для белков, и характеризуется высокой точностью (погрешность получаемых значений свободной энергии составляет 1 кДж/моль). Рассчитываемые значения относительной заселённости конформеров могут использоваться для учёта конформационного равновесия при моделировании связывания лигандов с терапевтическими мишенями, а также могут представлять отдельный практический интерес для структурной органической химии. Применение предложенного метода показало, что заселённости связывающихся с белком кон- формеров в серии ингибиторов могут существенно (в 10-50 раз) отличаться друг от друга, и, таким образом, вносить значительный вклад в итоговое значение свободной энергии связывания. При этом относительные доли конформеров, рассчитанные в вакууме, существенно отличались от заселённостей в воде, что указывало на значительно влияние растворителя на конформационное равновесие.
Впервые предложен метод выявления альтернативных сольватационных состояний комплекса белок-лиганд, основанный на определении корреляции сольватаци- онных карт системы. Практическое применение метода показало, что прочность комплексов PARP-ингибитор, рассчитанная по альтернативным сольватационным состояниям, может отличаться на 4-5 кДж/моль, и, таким образом, вносить существенный вклад в точность расчётов. Стоит отметить, что стандартные критерии (временная зависимость координат атомов белка или энергии системы) не позволили определить изменения структуры воды в ходе расчётов исследованных систем.
Практическая значимость. На основе результатов, полученных с применением разработанных методов, был проведен направленный синтез новых ингибиторов Syk-киназы 2,4-диариламиноазинового ряда. Синтезированные соединения проявили ингибирующую активность в наномолярном диапазоне концентраций и являются перспективными кандидатами для терапии некоторых заболеваний, таких как ревматоидный артрит и неходжкинская лимфома.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: V Российский симпозиум «Белки и пептиды» (Петрозаводск, Россия, 8-12 августа 2011), XX Российский Национальный Конгресс «Человек и лекарство» (Москва, Россия, 15-19 апреля 2013)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в международных научных журналах и 2 тезиса в сборниках докладов научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунка и таблицы.
Список цитируемой литературы включает 106 наименований.
Сокращения, принятые в тексте. ВСЭ - возмущение свободной энергии, КФ - конформационная фокусировка, PARP - поли(АДФ-рибоза)-полимераза (poly- (ADP-riboso)-polymerase), Syk - селезёночная тирозинкиназа (spleen tyrosine kinase).
![Влияние размера макроцикла трет-бутилкаликс[n]аренов на селективность и эффективность связывания паров органических соединений](/i/i/4429/297974.png "Влияние размера макроцикла трет-бутилкаликс[n]аренов на селективность и эффективность связывания паров органических соединений Якимов Алексей Вадимович")
