Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину
З використанням методiв молекулярного моделювання знайдено сполуки, якi мають високий рiвень передбачуваної спорiдненостi до мiозину i можуть бути конкурентними iнгiбiторами його АТФазної активностi. Compounds, having a high level of the predicted affinity to the myosin ATP-binding site, are found u...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8477 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину / П.О. Бориско, О.О. Судаков, Ю. I. Прилуцький // Доп. НАН України. — 2009. — № 4. — С. 184-188. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859951885671202816 |
|---|---|
| author | Бориско, П.О. Судаков, О.О. Прилуцький, Ю.І. |
| author_facet | Бориско, П.О. Судаков, О.О. Прилуцький, Ю.І. |
| citation_txt | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину / П.О. Бориско, О.О. Судаков, Ю. I. Прилуцький // Доп. НАН України. — 2009. — № 4. — С. 184-188. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | З використанням методiв молекулярного моделювання знайдено сполуки, якi мають високий рiвень передбачуваної спорiдненостi до мiозину i можуть бути конкурентними iнгiбiторами його АТФазної активностi.
Compounds, having a high level of the predicted affinity to the myosin ATP-binding site, are found using molecular modeling methods. The compounds may be potent inhibitors of ATP-ase activity of myosin.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:17:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
4 • 2009
БIОФIЗИКА
УДК 577.3
© 2009
П.О. Бориско, О. О. Судаков, Ю. I. Прилуцький
Застосування методiв молекулярного моделювання
для пошуку штучних iнгiбiторiв АТФазної активностi
мiозину
(Представлено членом-кореспондентом НАН України Д. М. Говоруном)
З використанням методiв молекулярного моделювання знайдено сполуки, якi мають
високий рiвень передбачуваної спорiдненостi до мiозину i можуть бути конкурентними
iнгiбiторами його АТФазної активностi.
Значну кiлькiсть захворювань опорно-рухової системи, таких як судоми, мiозити тощо,
можна вилiкувати, знизивши скоротливу активнiсть мiозину. Основним етапом реалiзацiї
м’язового скорочення на молекулярному рiвнi є зв’язування i подальший гiдролiз молекули
АТФ мiозином.
З лiтературних джерел вiдомо, що процес м’язового скорочення пов’язаний з утворен-
ням актомiозинового комплексу та наступними конформацiйними змiнами цього комплексу
за рахунок енергiї, яка вивiльняється при ферментативному розщепленнi АТФ мiозином,
тобто АТФазна активнiсть актомiозину або мiозину є такою характеристикою, за якою
можна судити про скоротливу активнiсть м’язiв [1]. Iснує багато доказiв того, що АТФаз-
на активнiсть пов’язана з процесом м’язового скорочення. В iнтактних м’язах iзометричне
напруження прямо пропорцiйне Mg 2+-АТФазнiй активностi [2].
За сучасними уявленнями, конформацiйнi змiни, що вiдбуваються в молекулi мiозину,
мають безпосереднє вiдношення до функцiонування мiозину як ферменту, що гiдролiзує
АТФ. На сьогоднi актуальними є питання про конформацiйнi змiни безпосередньо в актив-
ному центрi мiозину, а також про взаємне розташування дiлянок зв’язування субстрату
та металоакцепторних центрiв [3]. Для дослiдження структурних характеристик активно-
го центру мiозину використовували спiн-мiчений аналог АТФ та хiмiчний аналог Mg2+ —
парамагнiтний iон Мn2+. Встановлено, що при зв’язуваннi в активному центрi iонiв мар-
ганцю реалiзується потрiйний комплекс: “мiозин — двовалентний катiон — АТФ”. Виявлено
iснування двох типiв центрiв сильного зв’язування Мn2+ i те, що одна з металоакцептор-
них дiлянок розмiщена в активному центрi та функцiонує ефективно лише за наявностi
в реальнiй структурi АТФ.
184 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №4
Наша мета — застосовуючи методи молекулярного моделювання, знайти речовини, якi
з найбiльшою вiрогiднiстю iнгiбуватимуть АТФазну активнiсть мiозину, зменшуючи, таким
чином, силу скорочення м’яза.
Методика розрахункiв. Для передбачення фармако-кiнетичних властивостей до-
слiджуваних речовин була використана модифiкована програма QikProp з пакета Schrodin-
ger [4, 5]. Усi процедури докiнгу проводили за допомогою програмного пакета QXP/Flo+ [6].
Для докiнгу вибрана 3-D структура S1 фрагмента мiозину (PDB код 1KWO, роздiльна
здатнiсть вiдбитка рентгена 3,8 Å). Для створення моделi сайта зв’язування бiлка мiшенi
використовували вбудованi iнструменти програмного пакета QXP/Flo+.
Вiдбiр оптимальних результатiв проводили як за геометричними показниками положен-
ня лiганду в центрi зв’язування комплексу “бiлок — лiганд”, так i за енергетичними показни-
ками, використовуючи вбудованi в програмi QXP функцiї розрахунку енергiї зв’язування
в комплексi “бiлок — лiганд”.
Результати та їхнє обговорення. АТФазний центр (нуклеотидзв’язуюча кишеня)
формується 25 та 50 кДа-доменами [7]. Активна кишеня у вiдкритiй конформацiї, коли вiд-
сутнiй субстрат, досягає глибини 1,3 нм, довжини 1,5 нм на поверхнi голiвки та 1,3 нм на днi
кишенi. Основу нуклеотидзв’язуючого центру формує α-спiраль з амiнокислотних залишкiв
Lys 18-Ile 199. Важливою складовою АТФ-зв’язуючого центру є досить консервативна дi-
лянка, яка мiстить двi дисульфiднi групи Cys 707 (705) та Cys 697 (695). Цi високореактивнi
групи не входять безпосередньо до складу активного центру, а знаходяться в складi двох
α-спiралей His 688-Asp 698 та Val 700-Arg 708, якi проходять пiд АТФ-зв’язуючим центром.
Важливiсть цих груп полягає в тому, що в присутностi АТФ вони можуть формувати ди-
сульфiдний зв’язок, який служить пасткою для субстрату в активному центрi мiозинової
АТФази. Ковалентна зшивка мiж ними також призводить до мiцного утримання в актив-
ному центрi продуктiв АТФазної реакцiї, тобто до iнгiбування АТФази.
Для вiдбору потенцiйних iнгiбiторiв АТФазної активностi мiозину використано базу
з 400000 комерцiйно доступних органiчних сполук. З метою виявлення лiкоподiбних речо-
вин [8] серед доступних проводили попереднє фiльтрування. Для передбачення фармакокi-
нетичних властивостей використовували програму QikProp з пакета Schrodinger [4, 5], у ре-
зультатi чого база речовин — потенцiйних iнгiбiторiв — була зменшена i становила 122435
структур. До подальшого дослiдження долучали лише тi речовини, що вiдповiдали таким
критерiям:
– молекулярна маса 6 500;
– коефiцiєнт розподiлу на межi фаз октанол \ вода (LogP) [9] 6 5;
– кiлькiсть донорiв водню 6 5;
– кiлькiсть акцепторiв водню 6 10;
– обертальнi зв’язки 6 10;
– доступна для полярного розчинника площа поверхнi молекули 170 Å2.
Враховуючи структурно-функцiональну подiбнiсть АТФ-зв’язуючого сайта мiозину та
кiназ, для подальшого фiльтрування потенцiйних iнгiбiторiв використовували кiназнi струк-
турнi фiльтри, що дозволило зменшити кiлькiсть речовин до 70000 сполук [10].
Використання вбудованих iнструментiв програмного пакета QXP/Flo+ для створення
моделi сайта зв’язування бiлка мiшенi — S1 фрагмента мiозину (PDB код 1KWO, роздiльна
здатнiсть рентгенiвського вiдбитка 3,8 Å), дало змогу, зокрема, видалити молекули води та
долучити до розрахункiв тiльки амiнокислоти в радiусi 5 Å вiд лiганду та наступний за ними
шар. Вибранi амiнокислоти вiдiграють головну роль у зв’язуваннi з природним лiгандом
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №4 185
Рис. 1. Модель взаємодiї метилового естеру 4-(3,4-дигiдрокси-фенiл)-6-метил-2-тiоксо-1,2-дигiдро-пiримi-
дин-5-карболової кислоти з амiнокислотами каталiтичного сайта S1 фрагмента мiозину. Пунктиром пока-
зано ключовi водневi зв’язки, подвiйними стрiлками — електростатичну взаємодiю
та екранують решту бiлка на рiвнi, достатньому для того, щоб враховувати тiльки їх. З
урахуванням даних лiтератури [11] було проведено протонування необхiдних амiнокислот
моделi сайта зв’язування бiлка. Усi гiдроксильнi групи бiчних радикалiв — Tyr 132, Tyr 126,
Tyr 113, Thr 183, Glu 184, було депротоновано, a NH2, вiдповiдно, протоновано — Lys 677,
Lys 188, Lys 182.
Застосований нами докiнг з рухомим лiгандом та нерухомим сайтом бiлка за алгоритмом
систематичного докiнгу SDOCK+ [12] засвiдчив значний рiвень кореляцiї енергетичних па-
раметрiв iз середнiм квадратичним вiдхиленням рентгенiвських даних у разi вiдповiдного
набору тренiнгових сполук. Максимальна кiлькiсть крокiв при пошуку потенцiйних iнгiбi-
торiв АТФазної активностi мiозину становила 300. Подальше фiльтрування проводили за
геометричними показниками положення лiганду в центрi зв’язування комплексу “бiлок — лi-
ганд” та за енергетичними показниками, використовуючи вбудованi в програмi QXP функцiї
розрахунку енергiї зв’язування в комплексi “бiлок — лiганд” (рис. 1).
Кiнцеве фiльтрування проводили за допомогою програмного пакета multy_rmsd, роз-
робленого О.О. Судаковим у лабораторiї паралельних обчислень радiофiзичного факуль-
тету КНУ iм. Тараса Шевченка.
Ми використали фiльтри за найближчим атомом, водневими зв’язками та “Out coeffi-
cient” фiльтр.
Фiльтр за найближчим атомом дозволяє знайти тi лiганди, якi геометрично знаходяться
найближче до бiлка.
Для виявлення водневих зв’язкiв мiж бiлком та дослiджуваним лiгандом спиралися на
класичнi геометричнi ознаки H-зв’язування — вiдстань мiж атомами А i В та кут H-зв’язу-
вання AHВ для H-зв’язку AH. . . B. Будь-який водневий зв’язок визначається коефiцiєнтом
сили зв’язку, що може бути розрахований за формулою
pH = Ae
−
rA1−rH
RH e
−
rA2−rH
RH e− cos φ,
де rA1 та rA2 — координати першого та другого акцепторiв водню вiдповiдно; rH — коорди-
нати атома водню; RH — максимальна довжина водневого зв’язку; φ — кут мiж зв’язками
“акцептор 1” — “атом водню” та “атом водню” — “акцептор 2”.
“Out coefficient” фiльтр вилучає сполуки, в яких значна частина лiганду знаходиться
поза геометричними межами сайта зв’язування, що збiльшує iмовiрнiсть руйнування комп-
186 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №4
лексу “лiганд — бiлок”. “Out coefficient” визначається як спiввiдношення кiлькостi атомiв
лiганду, доступних для зв’язування iз стороннiми молекулами (напр., розчинник), до за-
гальної кiлькостi атомiв лiганду.
Розглянемо результати проведеного докiнгу на прикладi метилового естеру4-(3,4-ди-
гiдрокси-фенiл)-6-метил-2-тiоксо-1,2-дигiдро-пiримiдин-5-карболової кислоти (4-(3,4-Dihyd-
roxy-phenyl)-6-methyl-2-thioxo-1,2-dihydro-pyrimidine-5-carboxylic acid methyl ester).
Дослiджувана речовина формує чотири водневi зв’язки в активному центрi бiлка. Дов-
жина водневого зв’язку мiж гiдроксильною групою в параположеннi та Tyr 113 становить
1,92 Å, а мiж гiдроксилом у метаположеннi та Tyr 132 — 1,53 Å. Карбонiльна група утворює
два водневi зв’язки: з амiногрупами Tyr 126 та Arg 127 з кутом мiж ними 49,85◦. Довжина
цих зв’язкiв становить 2,19 та 2,31 Å вiдповiдно. Спостерiгається електростатична взаємо-
дiя мiж залишком Arg 128 та складноефiрною групою, що знаходяться на вiдстанi 3,87 Å
одне вiд одного.
Мiж сiркою та амiдною групою Asn 237 на вiдстанi 3,12 Å вiдбувається електростатична
взаємодiя. Також цей тип взаємодiї спостерiгається мiж гiдроксилом в параположеннi та
амiдною групою Asn 185, що знаходяться на вiдстанi 4,24 Å одне вiд одного.
На нашу думку, вiдiбранi речовини доцiльно дослiдити щодо їхнього впливу на реакцiю
гiдролiзу АТФ мiозином, паралельно з їхнiм тестуванням на рядi спорiднених ферментiв
(iнших АТФаз, кiназ тощо). При цьому передбачається пiдтвердити високу специфiчнiсть
вибраних iнгiбiторiв та вилучити тi, що матимуть токсичний вплив при застосуваннi речо-
вин як фармакологiчних препаратiв.
Таким чином, у результатi проведеного молекулярного моделювання отримано 82 спо-
луки, якi мають високий рiвень передбачуваної спорiдненостi до мiозину i, на нашу думку,
можуть бути конкурентними iнгiбiторами його АТФазної активностi. Подальшi дослiджен-
ня мають включати синтез та тестування in vitro аналогiв найактивнiших сполук з метою
їхньої подальшої оптимiзацiї.
Автори щиро вдячнi канд. бiол. наук М.О. Платонову (Iнститут молекулярної бiологiї та
генетики НАН України) за допомогу в проведеннi розрахункiв, обговорення результатiв та кон-
сультацiї.
1. Jeneson J. A., Westerhoff H.T., Kushmerick M. J. A metabolic control analysis of kinetic controls in ATP
free energy metabolism in contracting skeletal muscle // Amer. J. Physiol. Cell Physiol. – 2000. – 279,
No 3. – P. C813-C832.
2. Westerblad H., Lännergren J., Allen D.G. Slowed Relaxation in Fatigued Skeletal Muscle Fibers of Xenopus
and Mouse Contribution of [Ca2+]i and Cross-bridges // J. Gen. Physiol. – 1997. – 109, No 3. – P. 385–399.
3. Bertazzon A., Tsong T.Y. Study of effects of pH on the stability of domains in myosin rod by high-
resolution differential scanning calorimetry // Biochemistry. – 1990. – 10, No 29. – P. 6453–6459.
4. Duffy E.M., Jorgensen W.L. Prediction of Properties from Simulations: Free Energies of Solvation in
Hexadecane, Octanol, and Water // J. Amer. Chem. Soc. – 2000. – 122. – P. 2878–2888.
5. Jorgensen W. L., Duffy E.M. Prediction of Drug Solubility from Monte Carlo Simulations // Bioorg. Med.
Chem. Lett. – 2000. – 10. – P. 1155–1158.
6. McMartin C., Bohacek R. S. QXP: powerful, rapid computer algorithms for structure-based drug design //
J. Comput. Aided Mol. Des. – 1997. – 11, No 4. – P. 333.
7. Ingraham R.H., Swenson C.A. Stability of the Ca2+-specific and Ca2+ – Mg2+ domains of troponin C.
Effect of pH // Eur. J. Biochem. – 1983. – 132, No 1. – P. 85–88.
8. Lipinski C. A., Iombardo F., Dominy B.W., Feeney С. J. Experimental and computational approaches to
estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings // Adv. Drug Delivery
Rev. – 1997. – 23. – P. 3–25.
9. Cronin D., Mark T. The Role of Hydrophobicity in Toxicity Prediction // Current Computer – Aided
Drug Design. – 2006. – 2, No 4. – P. 405–413.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №4 187
10. Dubinina G.G., Chupryna O.O., Platonov M.O. et al. In silico design of protein kinase inhibitors: successes
and failures // Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry. – 2007. – 7, No 2. – P. 171–188.
11. Houdusse A., Cohen C. Structure of the regulatory domain of scallop myosin at 2 angstrom resolution //
Structure. – 1996. – 4. – P. 21–32.
12. Lorber D.M., Shoichet B.K. Flexible ligand docking using conformational ensembles // Protein Science. –
1998. – 17, No 4. – P. 938–950.
Надiйшло до редакцiї 01.09.2008Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
P.O. Borysko, O.O. Sudakov, Yu. I. Prylutsky
Search for inhibitors of myosin ATP-ase activity using molecular
modeling
Compounds, having a high level of the predicted affinity to the myosin ATP-binding site, are found
using molecular modeling methods. The compounds may be potent inhibitors of ATP-ase activity
of myosin.
188 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №4
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8477 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:17:08Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бориско, П.О. Судаков, О.О. Прилуцький, Ю.І. 2010-06-01T09:08:11Z 2010-06-01T09:08:11Z 2009 Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину / П.О. Бориско, О.О. Судаков, Ю. I. Прилуцький // Доп. НАН України. — 2009. — № 4. — С. 184-188. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8477 577.3 З використанням методiв молекулярного моделювання знайдено сполуки, якi мають високий рiвень передбачуваної спорiдненостi до мiозину i можуть бути конкурентними iнгiбiторами його АТФазної активностi. Compounds, having a high level of the predicted affinity to the myosin ATP-binding site, are found using molecular modeling methods. The compounds may be potent inhibitors of ATP-ase activity of myosin. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Біофізика Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину Search for inhibitors of myosin ATP-ase activity using molecular modeling Article published earlier |
| spellingShingle | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину Бориско, П.О. Судаков, О.О. Прилуцький, Ю.І. Біофізика |
| title | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину |
| title_alt | Search for inhibitors of myosin ATP-ase activity using molecular modeling |
| title_full | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину |
| title_fullStr | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину |
| title_full_unstemmed | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину |
| title_short | Застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів АТФазної активності міозину |
| title_sort | застосування методів молекулярного моделювання для пошуку штучних інгібіторів атфазної активності міозину |
| topic | Біофізика |
| topic_facet | Біофізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8477 |
| work_keys_str_mv | AT boriskopo zastosuvannâmetodívmolekulârnogomodelûvannâdlâpošukuštučnihíngíbítorívatfaznoíaktivnostímíozinu AT sudakovoo zastosuvannâmetodívmolekulârnogomodelûvannâdlâpošukuštučnihíngíbítorívatfaznoíaktivnostímíozinu AT prilucʹkiiûí zastosuvannâmetodívmolekulârnogomodelûvannâdlâpošukuštučnihíngíbítorívatfaznoíaktivnostímíozinu AT boriskopo searchforinhibitorsofmyosinatpaseactivityusingmolecularmodeling AT sudakovoo searchforinhibitorsofmyosinatpaseactivityusingmolecularmodeling AT prilucʹkiiûí searchforinhibitorsofmyosinatpaseactivityusingmolecularmodeling |