БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.5, c.758-765
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.3
И ССЛЕДОВАНИЕ КОНФОР МАЦИОННЫХ СО СТОЯНИЙ СУБСТР АТОВ ИЗОФОР МЫ ЗА4 ЦИТОХР ОМА Р450
© 2008 г. М .А. Гришина, В.А. Потемкин, А.А. Погребной, Н.Н. Ившина
Челябинский государственный университет, 454021, Челябинск, ул. Бp. Кашириных, 129
E-m ail: m aria_grishina@ßsu. ru Поступила в p едакцию 24.08.07 г. После доработки 25.04.08 г.
В рамках алгор итма BiS/MC проведен мультиконформационный анализ субстратов изоформы 3А4 цитохр ома P450. И спользование данного подхода позволило опр еделить псевдоатомную модель рецептора, выделить конформеры, ответственные за связывание с изоформой 3А4. Обнаружено, что в большинстве случаев геометр ия связывающегося с изоформой конформер а значительно отличается от геометрии конформера, отвечающего глобальному минимуму. Показано, что, как правило, зеркальные антиподы («энантиоконформеры») характеризуются р азличными константами Михаэлиса. Определена количественная зависимость констант Ми-хаэлиса от параметров взаимодействия в модельных комплексах изоформы 3А4 с субстратами. Данная зависимость описывает экспер иментальную величину константы Михаэлиса с квадр атом коэффициента корреляции, равным 0,88, определенным при скользящем контр оле с исключением по одному.
Ключевые слова: субстраты изоформы ЗА4 цитохрома P450, конформационные состояния.
Цитохром Р450, являющийся терминальным компонентом монооксигеназной ферментной системы, пр инимает участие в метаболическом превращении многих чужеродных веществ, в том числе и лекарств. Компьютерные модели, описывающие взаимодействие изоформ цитохр ома с низкомолекулярными веществами, могут быть полезны для поиска лекарственных средств с определенными метаболическими свойствами. Поэтому целью настоящей работы является создание модели, описывающей взаимодействие изоформы ЗА4 цитохрома Р450 с ее субстратами. Предварительный анализ возможности метаболизма соединений на данной изофор ме с использованием различных методов распознавания образов (нейронные сети; дис-криминантный анализ и т.д.) показал, что для суб стр атов изоформы 3А4 характерна более высокая молекулярная масса (Мг = 200 - 448 г/моль) по сравнению с соединениями, не ме-таболизир ующимися данной изоформой (Мг = 131 - 294 г/моль). К роме того, для встраивания в полость рецептора важными являются размер и фор ма молекул. Было показано, что суб стр а-ты изоформы 3А4 должны обладать минимальным размером вдоль главной оси вращения, не
о
меньшим чем 4,68 - 8,00 А. Возможно, подобная геометрия обеспечивает наиболее эффективные контакты атомов молекул суб стр атов с атомами изофор мы 3А4, приводя к возможности их ме-
таболизма. Однако эти параметры не являются единственным условием проявления активности в отношении рассмотренной изоформы, поскольку качество распознавания субстратов изофор мы 3А4 пр и таком рассмотрении не превышает 70%. Поэтому нами был проведен более детальный анализ механизмов реакций метаболизма соединений на изоформе 3А 4 с р ассмот-рением взаимодействий в системе «рецептор-лиганд» и количественным описанием скорости их метаболизма.
Поскольку большая часть органических молекул существует в виде различных конформе-ров, при разработке прогностической модели для оценки метаболических свойств важно учитывать конформационное многообразие молекул субстратов. Связано это со следующими причинами. В зависимости от конформацион-ного состояния могут значительно меняться размеры структуры и фор ма, от которых в значительной степени будет зависеть возможность встраивания метаболизируемой структуры в полость фер мента. Так, напр имер, некоторые из возможных конформеров могут иметь размеры, пр евышающие размеры гемовой полости фермента. Кроме того, разные конфор-меры одного и того же соединения могут различаться распределениями электронной плотности, стерической доступностью центров связывания, что также в значительной степени будет
определять скорость их метаболизма. Поэтому в настоящей работе было проведено мульти-конформационное моделирование комплексов суб стр атов с изофор мой 3А4 и выявление кон-фор меров, ответственных за метаболизм субстратов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использован 3Б/4Б^8АЯ алгоритм Б18/МС [1], учитывающий конформаци-онную подвижность субстратов и изоформы. 3Б/4Б^8АЯ алгоритм Б18/МС основан на комбинации алгоритмов МиШОеп и Б18. Первый из них осуществляет поиск наиболее вероятных конфор меров соединений в заданном энер гети-ческом диапазоне, второй осуществляет построение модельного рецептора с найденными конформерами, определяет скорость метаболизма каждого из них.
Алгоритм МиШОеп является модификацией методов, представленных в работах [2,3]. В данном алгоритме используется геометрия конфор-мера, соответствующего глобальному минимуму потенциальной энергии (полная энер гия, рассчитанная в ММЗ). Для этой стр уктуры определяется гессиан, а также моды нормальных колебаний. Затем производится перемещение атомов молекулы с определенным шагом вдоль каждой колебательной моды в прямом и обратном направлениях до достижения максимума потенциальной энергии. После его преодоления производится минимизация энергии полученной структуры по геометрическим параметрам в варианте квазиньютоновского метода. Если отличие энергии вновь обнаруженного конфор-мера от глобального минимума ДЕ не превышает заданного пр едела, то конфор мер запоминается. Вероятность существования /-го конфор мера (р) определяется по формуле (1), в которой ЕК и ЕК - энергии (ММЗ) 1-го и _)-го конфор меров, К - число найденных конформе-ров рассматр иваемой молекулы:
ехр ( - ЕК / ЯТ) (1)
Рг = -.
£ехр( - ЕК/ЯТ) ] = 1
Биологическая активность А вещества определяется как суперпозиция вкладов активностей конфор меров А г:
к
^ = Xa pi i = 1
(2)
Для определения вкладов активности кон-фор меров и их ориентации при связывании с рецептор ом используется алгоритм Б18/МС [1]. В основе данного алгоритма лежит пр едполо-жение о комплементарности поля биологически активных стр уктур полю рецептор а, с которым они взаимодействуют. Для определения поля каждого из конформеров предложено использование кулоновского фУ и ван-дер-ваальсового потенциалов фУр^, наводимых на точку т поверхности конформера:
N
4m =
(3)
i = 1
N
Ч
VDW
=- 2 X V
i = 1
23r3
im r 6 ' im
(4)
где N - число атомов рассматриваемой стр уктуры; qi - заряд атома i; Rim - расстояние от точки т до атома i; k - коэффициент пересчета в единицы С И; Vim - глубина минимума потенциальной энергии в соответствии с потенциалом Леннард-Джонса; ri - ван-дер-ваальсов радиус атома i. Расчет величин Vim и ri проводится в рамках модели MERA [4].
Определение потенциалов поля пр оизводит-ся для пер вого из конформер ов выборки. Полученные потенциалы позволяют определить характеристики псевдоатома (пробной сферы) с центром в точке т (заряд qm и радиус rm), который обеспечивает максимальную компле-ментарность рассматриваемому конформеру в данной точке поля. Набор таких псевдоатомов является псевдоатомной моделью рецептора. Характеристики каждой пробной сферы т можно вычислить по фор мулам:
qm =
-Ч^- r = 3^ N i'mJ
Zk
R~
VDW
N 2V
- 23X 2Vim
i = 1
i = 1
R6
im
Затем в комплементарном поле в рамках симплексного или квазиньютоновских методов производится оптимизация ориентации второго конформера выборки до достижения минимума совокупной вероятности контакта Р его атомов со всеми точками модельного рецепто ра. П ри этом производится подстройка фор мы сайта рецептор а к биологически активной структур е путем придания модельному рецептор у дина-
м
Р = 1 " П(1 - Pm), где Рт = ехр
т = 1
( Е ^
т
- ЯТ
V
N
Ет=Ъ
( кМп
Я,
- 2 V,,
(Гт + Г)6 ТГ (Гт + Г)12М5)
Я 6_
■ + V.
я 12
г = 1
считывается вклад в активность каждого из конфор меров:
К К
А = ^Рг(а + ЬЕ + ср) = а + Ер1(ЬЕ + о¥). (6)
г = 1
г = 1
Рис. 1. Зеркально противоположные конформеры иринотекана.
мической формы, способной сжиматься и растягиваться, обтекая форму конформера.
В найденной ориентации уточняется ком-плементар ное поле рецепто ра путем добавления потенциалов поля второго конформера к имеющимся:
Фт = Фт+Фт';
= ФVDW + ФVDW' тт тт т"т
Потенциалы поля второго конформера Фт и Фт^' вычисляются аналогично потенциалам первого конформера по формулам (3,4). Аналогичная процедура осуществляется для тр етьего, четвертого и всех последующих конфор меров.
По окончании процедуры о риентации определяются параметр ы взаимодействий псевдоатомов модельного рецепто ра с каждым из конфор меров. В качестве параметров взаимодействий могут быть использованы энергии взаимодействия, рассчитанные по уравнению (5), и силы. Далее определяется уравнение взаимосвязи биологической активности от параметров взаимодействия конформеров с модельным рецептором (6). По найденному уравнению р ас-
В данной работе при построении модели использовалась выбор ка из 27 суб стр атов изо-формы 3А4 цитохрома Р450, для которых из литературных данных известны значения констант Михаэлиса [5-29], характеризующие скорость метаболизма. Для каждого соединения выборки проведен мультиконформационный анализ в силовом поле ММ3 с использованием алгоритма МиШОеп [30]. Осуществлен поиск конфор меров, конформационная энергия (р ас-считанная в рамках метода ММЗ) котор ых отличается от энергии конформера, соответствующего глобальному минимуму, не более чем на 12 кДж/моль. Поскольку ср еди рассмотр енных суб стр атов имеются молекулы с хир альными центрами, для которых из литературных источников известны значения констант Михаэлиса, определенные для рацемата (напр имер, галопе-ридол, оксибутинин), проведен мультиконфор-мационный анализ обоих возможных стерео-изомеров рацемата. Для нехир альных конформеров, не имеющих плоскости симметрии, рассмотрены оба зеркальных антипода, которые могут значительно отличаться по способности встраивания в хиральную полость изоформы 3А4 цитохрома Р450 (рис. 1). Поэтому для рассмотренной выборки проведен анализ 287 структур, в число которых входят зеркальные антиподы всех наиболее вероятных конформе-ров. В случа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.