Аннотация результатов, полученных в 2014 году
(1) Точечные мутации в белке Ras по позициям Gly12 и Gly13 влияют на нормальный цикл Ras между неактивным и активным состояниями, соответственно, с включенными в белковую систему молекулами гуанозиндифосфата (GDP) или гуанозинтрифосфата (GTP), и могут быть связаны с онкологическими заболеваниями. Методами молекулярной динамики (МД) с потенциалами квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) исследовано влияние замен G12V и G13V на скорость реакции гидролиза GTP ферментом Ras в комплексе с ускорителем GAP. Модельная молекулярная система построена по мотивам кристаллической структуры PDBid 1WQ1. Оптимизация геометрических параметров комплекса Ras-GAP-GTP методом КМ/ММ и расчеты методом КМ/ММ-МД проведены с включением в квантовую часть большого фрагмента активного центра фермента. Показано, что для дикого типа Ras система флуктуирует около конформации, необходимой для эффективной химической реакции: при приближении подходящим образом ориентированной каталитической молекулы воды происходит разрыв связи фосфор-кислород в GTP. Динамика системы с мутантом G13V характеризуется повышенной подвижностью в области, включающей гамма-фосфатную группу GTP, каталитическую молекулу воды и боковые цепи Arg789 и Gln61, что должно замедлять ход химических преобразований. Конформационная динамика с мутантом G12V демонстрирует значительные смещения боковой цепи Gln61 и каталитической молекулы воды от благоприятного расположения в активном центре, что должно заметно снижать скорость реакции. Полученные результаты моделирования согласуются с недавними результатами кинетических исследований гидролиза GTP комплексом Ras-GAP. (2) На первой стадии изучения молекулярного механизма ксеноновой анестезии определены возможные места локализации ксенона в лиганд-связывающем домене NMDA рецептора, возникающие при взаимодействии ксенона с ароматическими аминокислотными остатками. Соответствующие структуры получены по результатам моделирования методами квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) и молекулярной динамики (МД). (3) Определение способов контроля активности матриксных металлопротеиназ (ММР) – цинк-зависимых ферментов, способных разрушать внеклеточные белки, представляет важную область онкологических исследований. Современные методы молекулярного моделирования применены для характеризации структурных элементов в цинк-содержащей области как для экспериментально проверенных ингибиторов, так и для новых вариантов пептидомиметиков. Результаты моделирования методами квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) и молекулярной динамики Кара-Парринелло с КМ/ММ потенциалами показывают, что при связывании лигандов формируются структуры, известные как «цинковые пальцы», в которых ион цинка координируется двумя остатками His и двумя остатками Cys.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
(1) Точечные мутации в белке Ras по позициям Gln61, Gly12 и Gly13 влияют на нормальный цикл между неактивным и активным состояниями, соответственно, с включенными в белковую систему молекулами гуанозиндифосфата (ГДФ) или гуанозинтрифосфата (ГТФ) и связаны с онкологическими заболеваниями. Методами молекулярной динамики с потенциалами QM(ab initio)/MM были рассчитаны профили свободной энергии для реакции гидролиза ГТФ до ГДФ белковым комплексом RasGAP для нативной формы Ras и мутанта Gly13Val. Полученные результаты согласуются с данными кинетических экспериментов, демонстрирующими уменьшение константы скорости ферментативной реакции на два порядка при данном замещении: рассчитанный активационный барьер возрастает на 3 ккал/моль при мутации Gly13Val. Основной причиной увеличения барьера является сдвиг «аргининового пальца» (Arg789 от GAP) от благоприятного для реакции расположения а активном центре фермента. Proteins: Structure, Function, Bioinformatics, V.83, PP. 1046-1053, 2015. (2) Для выяснения механизма реакции гидролиза ГТФ белковым комплексом RasGAP необходимо дать интерпретацию экспериментальным данным, согласно которым фермент сохраняет активность при замене Gln61 на нитроаналог глутамина NGln. Методами компьютерного молекулярного моделирования было показано, что как натуральная аминокислота глутамин Gln, так и ненатуральный нитроаналог NGln в аци-форме участвует в реакции гидролиза ГТФ на стадии перераспределения протонов и образования неорганического фосфата. Рассчитанные структуры и энергетические профили от фермент-субстратных комплексов до продуктов для нативной формы и мутанта Gln61NGln показывают, что данная замена не влияет на механизм реакции. Proteins: Structure, Function, Bioinformatics, V.83, PP.2091-2099, 2015. (3) Определение способов контроля активности матриксных металлопротеиназ (ММР) – цинк-зависимых ферментов, способных разрушать внеклеточные матриксные белки, представляет важную область онкологических исследований. Механизм ферментативного гидролиза пептидов матриксной металлопротеиназой-2 (MMP-2) исследован на атомном уровне методом QM/MM. Полноатомная трехмерная молекулярная модель построена на основе кристаллографической структуры PDB ID 1QIB, и в качестве субстрата рассмотрен олигопептид Ace-GlnGlyIle-Ala-Gly-Nme. Для расчетов энергетических профилей применены две компьютерные программы QM/MM и несколько вычислительных протоколов. Механизм включает четырехстадийную схему: нуклеофильную атаку, преобразование водородных связей, протонный перенос и разрыв связи C-N. Расчеты QM/MM предсказывают достаточно низкие барьеры для всех химических стадий в области 5-10 ккал/моль для разных функционалов плотности в квантовой части (PBE0, B3LYP, BB1K) и двух вариантов силовых полей (CHARMM и AMBER). Сделан вывод, что лимитирующей стадией ферментативного процесса в MMP-2 является выход продуктов, что подтверждено моделированием методом направленной молекулярной динамики. Journal of Computational Chemistry, V.36, PP.1621-1630, 2015.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
(1) Компьютерное моделирование структуры и динамики активного центра карбоксилэстеразы печени (CES1) — основного фермента метаболизма у человека лекарственных препаратов, содержащих сложноэфирную группу, позволило объяснить наблюдаемый экспериментально эффект снижения скорости гидролиза осельтамивира (лекарственный препарат «Тамифлю®») при замене Gly143Glu (нумерация позиций аминокислотных остатков по структуре PDB ID 2H7C). Методами молекулярной механики был осуществлен докинг субстрата осельтамивир в структуры нативного фермента CES1 и мутанта Gly143Glu, и эволюция фермент-субстратных комплексов анализировалась методами молекулярной динамики. Для структуры белка было использовано силовое поле CHARMM36, а для молекулы субстрата — силовое поле Charmm General Force Field. Показано, что при эволюции фермент-субстратного комплекса вдоль молекулярно-динамической траектории положение субстрата в активном сайте нативного фермента поддерживается стабильно в состоянии, необходимом для протекания реакции гидролиза. Для мутантной формы фермента Gly143Glu продуктивное расположение молекулярных групп в фермент-субстратном комплексе нарушается за счет образования солевого мостика между боковой цепью Glu143 и аминогруппой лиганда. Публикация: ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК, Серия химическая, 2016, № 6, 1592-1607. (2) Изучение химических преобразований в активных центрах холинэстераз — ферментов центральной нервной системы человека, необходимо для поиска путей устранения последствий действия на них фосфорорганических отравляющих веществ. С использованием методов молекулярной динамики сопоставлены конформационные изменения вдоль траекторий для систем, моделирующих комплексы бутирилхолинэстеразы с субстратами, для нативного фермента BChE и двух мутантов, Ala328Cys и Ala328Asp. Первый вариант сохраняет каталитическую активность фермента, второй — нет. Результаты показывают, что потеря каталитической активности при замене Ala328Asp объясняется перестройкой системы водородных связей таким образом, что остаток Asp в позиции 328 взаимодействует посредством водородной связи с остатком His438 из каталитической триады фермента. Как следствие, нарушается структура активного центра фермента. Получены результаты расчетов методом квантовой механики/молекулярной механики энергетических профилей реакции гидролиза ковалентно-связанного аддукта бутирилхолинэстеразы с фосфорилированным остатком каталитического серина (реакции реактивации BChE) для нативного фермента и мутанта Gly117His. Для описания квантовой подсистемы использованы варианты PBE0/6-31G* и BB1K/6-31G**, для ММ-подсистемы — силовое поле AMBER. Показано, что наблюдаемое экспериментально увеличение скорости гидролиза при замене Gly117His обязано значительному снижению активационного барьера на первой стадии реакции — от фермент-субстратного комплекса до интермедиата. Публикации: (a) CHEMICO-BIOLOGICAL INTERACTIONS, 2016, DOI: 10.1016/j.cbi.2016.04.007, Available on-line 7 April 2016. (b) CHEMICO-BIOLOGICAL INTERACTIONS, 2016, DOI: 10.1016/j.cbi.2016.02.010, Available on-line 17 February 2016. (3) Компьютерное моделирование реакций в активном центре цинк-зависимой аспартоацилазы (ASPA) необходимо для объяснения причин нарушения концентрационного уровня N-ацетил-аспартата (NAA) в тканях мозга человека при болезнях, имеющих молекулярно-полиморфную природу. По результатам расчетов методом квантовой механики/молекулярной механики (КМ(PBE0/6-31G*)/MM(AMBER)) для химических превращений в активном центе фермента при гидролизе NAA и методами молекулярной динамики для стадий формирования фермент-субстратного комплекса и выхода продуктов построен энергетический профиль полного каталитического цикла ASPA для нативного фермента. Показано, что с рассчитанными энергиями стационарных точек на поверхности свободной энергии можно оценить константу скорости ферментативной реакции в хорошем согласии с экспериментальными данными. Проанализировано влияние на энергетический профиль реакции значимых мутаций фермента, Lys213Glu, Tyr231Cys, Glu285Ala, Phe295Ser. Показано, что наиболее драматические изменения связаны с заменой Glu285Ala (значительное увеличение энергии активации реакции), что объясняет физиологические проявления болезни Канаван у людей с этой полиморфной заменой. Публикации: (a) JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B, 2016, V.120, #18, 4221-4231. (b) ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2016, том 86, № 6, с. 524–532. (4) Изучение деталей гидролиза олигопептидов в активном центе матриксной металлопротеиназы-2 (ММР-2) человека необходимо для разработки эффективных ингибиторов фермента, играющего важную роль в сдерживании роста опухолей. По результатам расчетов профилей потенциальной энергии методом квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) и профилей свободной энергии методами молекулярной динамики с потенциалами КМ/ММ сопоставлены механизмы гидролиза олигопептида Ace-Gln-Gly-Ile-Ala-Gly-Nme в активном центре фермента MMP-2 для нативной формы и мутанта Glu116Asp. Показано, что качественно детали механизма реакции с нативной формой фермента и мутанта совпадают, но активационный барьер на первой стадии процесса – нуклеофильной атаки молекулы воды на субстрат, выше в случае мутанта. Причиной повышения энергетического барьера является замена в фермент-субстратном комплексе каталитически активного аминокислотного остатка по 116 позиции– введение более короткой молекулы Asp в мутанте вместо Glu. Публикация: JOURNAL OF COMPUTATIONAL CHEMISTRY, 2016, V.37, PP.1801-1809.