МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И СОВРЕМЕННАЯ КРИСТАЛЛОХИМИЯ: КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ И СИНЕРГИЯ
МГУ имени , г. Москва, Россия,
ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН г. Москва, Россия.
В докладе рассматривается перспективность совместного применения методов молекулярного моделирования, в частности, комбинированного метода квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ), и современной кристаллохимии для решения задач биохимии, в том числе её биомедицинских приложений. При молекулярном моделировании биохимических процессов в качестве начального приближения при построении трехмерной полноатомной модельной системы выступают данные рентгеноструктурного анализа соответствующего белка. Наличие структур комплексов ферментов с ингибиторами или аналогами интермедиатов дает важные подсказки при изучении механизма химической реакции в активном центре. Развитие методов рентгеноструктурного анализа с временным разрешением делает возможным непосредственное сравнение структур интермедиатов реакции, которые можно зафиксировать в низкотемпературном эксперименте, с рассчитанными полнатомными трехмерными моделями соответствующих комплексов. Совершенно новым на сегодняшний день подходом применительно к большим биологическим системам является использование информации, полученной методами современной кристаллохимия, а именно отбор зависящих от электронной плотности дескрипторов для описания ключевых взаимодействий в активном центре фермента, отвечающих за проявление тех или иных свойств. В качестве таких дескрипторов могут применяться параметры критических точек (КТ) электронной плотности, полученные для водородных связей и нековалентных взаимодействий в стационарных точках ППЭ (минимумах или переходных состояниях). Эту информацию дают прецизионный рентгеноструктурный анализ и точные расчеты электронной плотности.
В докладе рассматриваются два сложных для описания цинк-зависимых фермента – матриксная металлопротеиназа и металло-бета-лактамаза. Матриксные металлопротеиназы (ММП) – ферменты человека, поддерживающие постоянство состава внеклеточного матрикса. Их чрезмерная активация приводит к развитию ряда заболеваний, в частности процессам метастазирования. Поэтому важной прикладной задачей является поиск ингибиторов этих ферментов. Знание механизма реакции в активном центре фермента позволило разработать новый класс ингибиторов на основе псевдоолигопептидов, содержащих кетометиленовый фрагмент вместо разрываемого пептидного фрагмента. Кетоны инертны в водных растворах, однако в результате связывания с активным центром каталитическая молекула воды проводит реакцию гидратации. Образованный таким образом кеталь координирует катион цинка активного центра, что приводит к блокировке каталитической функции. Для решения такой задачи достаточно минимальной структурной информации. Другой пример относится к изучению резистентности бактерий к ряду антибиотиков, и здесь нужны новые подходы. Будут представлены результаты анализа электронной плотности комплексов бактериального фермента металло-бета-лактамазы с антибиотиками цефалоспоринового ряда и продемонстрированы возможности методов, связанных с анализом ее характеристик для описания небольших различий в каталитических константах реакции гидролиза выбранных субстратов. Важно отметить, что рассматриваемые различия в константах скоростей соответствуют примерно 1.5 ккал/моль на энергетической шкале. Такая точность не достижима в рамках метода КМ/ММ, поэтому применение дескрипторов, основанных на электронной плотности, является перспективной альтернативой для ранжирования соединений, обладающих слабо различающимися свойствами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант N 18-03-00605).
