Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Впервые построена модель димерного модуля оптогенетической системы на основе бактериальной фотоактивируемой аденилатциклазы bPAC. В модельную систему входят два фоторецепторных флавин-содержащих BLUF домена и два каталитических домена фермента аденилатциклазы (AC). При моделировании за основу была взята кристаллографическая структура, не содержащая молекул субстрата (аденозинтрифосфата (ATP)) в каталитических доменах, т.е. соответствующая апо-форме фермента. В нашей работе методами молекулярной механики и молекулярной динамики построена полноатомная трехмерная модель белкового комплекса bPAC, проведено встраивание молекул ATP в активные центры каталитических доменов AC обоих мономеров, а также построена светлая форма белка с таутомерной (имидной) формой критического аминокислотного остатка глутамина в хромофор-содержащей области BLUF доменов. По результатам расчётов показана неэквивалентность мономеров во всех трех модельных системах, что наиболее заметно проявляется в апо-форме, а также продемонстрированы различия в аминокислотном окружении кофакторов вследствие возбуждения системы. Результаты опубликованы в статье: Кулакова А.М., Хренова М.Г., Немухин А.В. «Структура и динамика фоторегулируемой аденилатциклазы», Известия Академии наук. Серия химическая, 2019, № 11, С. 1991-1996 (http://www.russchembull.ru/rus/index.php3?id=293&idi=4979&state=&rc=0&idp=0&action=showfull&type=%CF%EE%EB%ED%FB%E5%20%F1%F2%E0%F2%FC%E8). По результатам расчетов методами молекулярной динамики и квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) исследован механизм ферментативной реакции превращения аденозинтрифосфата в циклическую форму аденозинмонофосфата (ATP → cAMP), катализируемой аденилатциклазой млекопитающих. Построена модельная молекулярная система, для которой определены несколько структур фермент-субстратного комплекса, различающихся конформациями субстрата и координационными оболочками катионов магния. Показано, что обсуждаемые в литературе варианты реакционного механизма, инициированные некоторыми из этих структур, соответствуют путям с нереалистично высокими энергетическими барьерами. Выделена структура фермент-субстратного комплекса, инициирующая одностадийную реакцию с энергетическим профилем, полностью согласующимся с экспериментальными константами скорости. Расчеты показывают центральную роль сольватных оболочек катионов магния в механизме реакции, а также роль «протонных проводников» - ориентированных участков молекулярных групп, связанных водородными связями, в частности, молекул воды в координационной сфере магния. Результаты опубликованы в препринте статьи: Grigorenko B.L., Polyakov I.V., Nemukhin A.V. “Mechanisms of ATP to cAMP Conversion Catalyzed by the Mammalian Adenylyl Cyclase: A Role of Magnesium Coordination Shells and Proton Wires”, ChemRxiv, DOI: 10.26434/chemrxiv.9209180.v1 (https://chemrxiv.org/articles/Mechanisms_of_ATP_to_cAMP_Conversion_Catalyzed_by_the_Mammalian_Adenylyl_Cyclase_A_Role_of_Magnesium_Coordination_Shells_and_Proton_Wires/9209180). По результатам расчетов методами квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) предсказаны колебательные спектры для двух реакционных интермедиатов в реакции гидролиза гуанозинтрифосфата (GTP) комплексом Ras•GAP для природного белка Ras и белка с изотопной меткой 15N в боковой цепи аминокислотного остатка Gln61. Показано, что в область волновых чисел 1620-1750 см-1 попадают три колебательные полосы модельной системы. Две из них относятся к связанным колебаниям групп C=O и NH2 амидной формы Gln61 в структуре фермент-субстратного комплекса и мало чувствительны к изотопному замещению. Третья полоса, соотносимая с колебанием C=N имидной формы Gln61, смещается на величину до 20 см-1 при изотопном замещении, что должно уверенно регистрироваться в инструментальных исследованиях реакций ферментативного катализа методами время-разрешенной ИК-спектроскопии и позволит экспериментально проверить предсказанный методами моделирования механизм одной из важнейших биохимических реакций. Результаты представлены в статье: Григоренко Б.Л., Немухин А.В. «Теоретические колебательные спектры реакционных интермедиатов в активном центре гуанозинтрифосфат-связывающих белков», Журнал физической химии, 2020, принято в печать. По результатам расчетов методами квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ) установлен механизм реакции восстановления активного центра отравленной фосфорорганическим агентом фермента ацетилхолинэстеразы с использованием одного из новых реактиваторов. Результаты опубликованы в статье: Lushchekina S.V., et al. «6-methyluracil as peripheral site ligand-hydroxamic acid conjugates: Reactivation for paraoxon-inhibited acetylcholinesterase», European Journal of Medicinal Chemistry, 2020, 185, 111787; DOI: 10.1016/j.ejmech.2019.111787 (URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0223523419309390?via%3Dihub).

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
По результатам расчетов методами молекулярной динамики (MD), квантовой механики/молекулярной механики (QM/MM) и методами MD с потенциалами QM/MM установлен механизм ферментативной реакции превращения аденозинтрифосфата в циклическую форму аденозинмонофосфата (ATP → cAMP), катализируемой аденилатциклазами. Расчеты методом QM(DFT(PBE0-D3/6-31G*))/MM(AMBER) приводят к заключению, что в активном центре аденилатциклазы млекопитающих mAC реакция проходит по следующему одностадийному механизму с активационным барьером ~15 ккал/моль - перенос протона H3' на боковую цепь аспарагиновой кислоты через молекулу воды сопровождается нуклеофильной атакой O3' атома PA и разрывом связи PA- O3A. Результаты опубликованы [Grigorenko B.L., Polyakov I.V., Nemukhin A.V. “Mechanisms of ATP to cAMP Conversion Catalyzed by the Mammalian Adenylyl Cyclase: A Role of Magnesium Coordination Shells and Proton Wires”, Journal of Physical Chemistry B (IF=2,857, Q1), V. 124(3), P. 451-460 (2020); DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b07349]. Расчеты профиля энергии Гиббса методом QM(DFT(ωB97X-D3/6-31G**))/MM(CHARMM) MD для этой реакции в каталитических доменах бактериальной фотоактивируемой аденилатциклазы bPAC привели к аналогичным заключениям о механизме [Khrenova M.G., Kulakova A.M., Nemukhin A.V. “Light-Induced Change of Arginine Conformation Modulates the Rate of ATP to cAMP Conversion in the Optogenetic System bPAC”, архив препринтов открытого доступа по химии (https://chemrxiv.org) ChemRxiv, DOI: 10.26434/chemrxiv.13139723.v1]. Установлен механизм усиления ферментативной активности в каталитических доменах bPAC при фотовозбуждении BLUF доменов. Четырех-доменные комплексы bPAC были построены в темной и светлой формах. Светлая форма получена из темной заменой амидной функциональной группы боковой цепи Gln49 в BLUF доменах на имидную. Далее был выполнен динамический сетевой анализ комплексов bPAC методами классической молекулярной динамики и выделены пути передачи сигнала при фотовозбуждении от BLUF доменов до AC доменов. Наиболее важным результатом является вывод об изменении конформации аминокислотного остатка Arg278, расположенного на сигнальном пути около молекулы ATP. Расчеты профиля энергии Гиббса реакции ATP → cAMP методом QM(DFT(ωB97X-D3/6-31G**))/MM(CHARMM) MD в темном и светлом состояниях приводят к заключению, что конформационные изменения в структуре фермент-субстратного комплекса, вызванные переходом bPAC из темной формы в светлую при фотовозбуждении, объясняют наблюдаемый эффект ускорения реакции при освещении оптогенетического комплекса. Механизм реакции в светлом состоянии не меняется, форма энергетического профиля также похожа на полученный для темного состояния, но барьер активации снижается от 15 до 9 ккал/моль. Для модельной системы с точечной мутацией Tyr7Phe в фоторецепторном BLUF домене (с амидной формой Gln49) показано, что в этом случае обе конформации Arg278 присутствуют примерно в равном отношении, что согласуется с наблюдаемой экспериментально промежуточной между темным и светлым состояниями комплекса каталитической активности bPACTyr7Phe. Результаты представлены в рукописи [Khrenova M.G., Kulakova A.M., Nemukhin A.V. “Light-Induced Change of Arginine Conformation Modulates the Rate of ATP to cAMP Conversion in the Optogenetic System bPAC”, архив препринтов открытого доступа по химии (https://chemrxiv.org) ChemRxiv, DOI: 10.26434/chemrxiv.13139723.v1]. Методами молекулярного моделирования, включающими методы молекулярной механики (MM), молекулярной динамики (MD) и квантовой механики/молекулярной механики (QM/MM) характеризован механизм ковалентного ингибирования онкогенного варианта гуанозинтрифосфат-связывающего белка (ГТФазы) KRasG12C с соединением ARS-853 и характеризованы каналы нековалентного ингибирования KRasG12C соединениями ARS-853 и ARS-1620. Цикл активации/дезактивации ГТФаз суперсемейства Ras основан на переключении между двумя состояниями системы – с включенной в белковую матрицу молекулой или гуанозинтрифосфата (GTP), или гуанозиндифосфата (GDP). Переход от GTP-содержащей формы происходит при реакции гидролиза GTP. Интенсивные экспериментальные поиски подавления активации (т.е. перевода неактивной GDP-содержащей формы мутанта KRasG12C в активную GTP-содержащую форму) привели к созданию аллостерических ингибиторов из группы ARS, из которых соединения ARS-1620 и ARS-853 наиболее перспективны в современных клинических испытаниях. Молекула соединения ARS-853 состоит из реакционной части (warhead), ответственной за ковалентное присоединение к аминокислотному остатку Cys12 фермента, групп, ответственных за эффективную молекулярную стыковку соединения с белком (фрагментов для гидрофобного кармана), и соединяющего фрагмента (linker). На основе координат тяжелых атомов кристаллических структур методами молекулярного моделирования построены модельные системы комплексов KRasG12C-GDP с ARS-853 и ARS-1620. Методами молекулярной динамики был рассчитан профиль свободной энергии для диссоциации ARS-853 из связывающего кармана на поверхности белка. Методом QM(PBE0-D3/cc-pVDZ)/MM был рассчитан профиль химической реакции взаимодействия ARS-853 с KRasG12C-GDP. По совокупности результатов был построен полный профиль свободной энергии Гиббса для реакции ингибирования фермента соединением ARS-853 и определен весь набор кинетических констант. Численным решением дифференциальных уравнений химической кинетики оценена зависимость наблюдаемой скорости реакции от концентрации ARS-853. Полученные результаты моделирования хорошо коррелируют с экспериментальными данными. Результаты опубликованы [Khrenova M.G., Kulakova A.M., Nemukhin A.V. “Proof of concept for poor inhibitor binding and efficient formation of covalent adducts of KRASG12C and ARS compounds”, Organic & Biomolecular Chemistry (IF = 3,564, Q1) 2020, 18, 3069-3081; DOI: 10.1039/d0ob00071j]. Соединение ARS-1620 из той же серии, что и ARS-853, отличается фрагментами линкера и гидрофобного участка. Нековалентное взаимодействие ARS-1620 с KRasG12C-GDP было исследовано методами молекулярной динамики и молекулярного докинга, что позволило оценить константу диссоциации комплекса KRasG12C-GDP- ARS-1620. Результаты опубликованы [Кулакова А.М., Захарова Т.М., Мулашкин Ф.Д., Терехова Е.О., Хренова М.Г. «Определение константы диссоциации комплекса ARS-1620 с белком KRasG12C методами молекулярного моделирования», Вестник Московского университета, Серия 2, Химия, 2020, Т. 61, №2, С. 8-12].

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Все выполненные на этапе 2021 г. работы полностью согласуются с заявленными целями проекта - «развитие и применение методов моделирования строения и свойств биомолекулярных систем, включающих ферменты и другие компоненты оптогенетических модулей, на основе квантово-химических и молекулярно-динамических суперкомпьютерных расчетов». (1) Запланированные на 2021 г. работы по моделированию активации-дезактивации ферментов, относящихся к гуанозинтрифосфат-связывающим белкам (ГТФазам) выполнены. Для белкового комплекса Arl3-RP2, катализирующего реакцию гидролиза гуанозинтрифосфата, методами молекулярной динамики с потенциалами квантовой механики/молекулярной динамики (КМ/ММ МД) рассчитаны профили энергии Гиббса для элементарных стадий реакции, что позволило установить механизм сложного биомолекулярного процесса. Малая ГТФаза Arl3, катализирующая реакцию GTP → GDP в комплексе с активирующим белком RP2 составляет важную часть зрительного цикла человека. Для моделирования механизма реакции, была построена модельная система по мотивам кристаллической структуры Arl3-RP2 с аналогом субстрата. После выбора координат реакций на элементарных стадиях вдоль реакционного пути GTP + H2O → GDP + Pi, рассчитаны соответствующие энергетические профили, используя методы зонтичной выборки и зонтичного интегрирования. Расчеты методом КМ/ММ МД проведены с помощью интерфейса программы молекулярной динамики NAMD и программы квантовой химии TeraChem. Потенциалы КМ(DFT)/MM рассчитаны с атомно-центрированными базисными наборами 6-31G** и с двумя гибридными функционалами PBE0-D3 и ωB97x-D3 теории функционала электронной плотности, которые описывают большую квантовую подсистему. Результаты расчетов профилей свободной энергии сопоставлены с результатами расчетов методом КМ/ММ на поверхности потенциальной энергии с аналогичным описанием квантовой подсистемы. Найдено, что результаты обоих подходов, КМ/ММ и КМ/ММ МД, согласуются с механизмом гидролиза GTP, в котором каталитический аминокислотный остаток глутамина (в этом белке – Gln71) активно участвует в реакции. В обоих подходах выделяются две стадии реакции – разрыв фосфорно-кислородной связи в молекуле GTP в сочетании с образованием неорганического фосфата Pi и регенерация фермента. Расчеты методом КМ/ММ МД согласуются с реакционным профилем, полученным методом КМ/ММ, хотя немного корректируют профиль на первом шаге от фермент-субстратного комплекса. Этот реакционный путь можно обозначить как путь-I. Кроме этого, моделирование методом КМ/ММ МД приводит к другому механизму (путь-II) на стадии регенерации фермента. Путь-II лучше согласуется с экспериментальными кинетическими данными для комплекса дикого типа Arl3-RP2, в то время как путь-I объясняет роль мутации Glu138Gly в белке-ускорителе RP2, приводящей к снижению скорости гидролиза. Результаты работы опубликованы: Khrenova M.G., Kulakova A.M., Nemukhin A.V. «Light-Induced Change of Arginine Conformation Modulates the Rate of Adenosine Triphosphate to Cyclic Adenosine Monophosphate Conversion in the Optogenetic System Containing Photoactivated Adenylyl Cyclase», Journal of Chemical Information and Modeling (American Chemical Society, Q1, IF=4,956), 2021, 61, 1215−1225; DOI: 10.1021/acs.jcim.0c01308 (published: March 08, 2021). https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jcim.0c01308 (2) На этапе 2021 г. были выполнены расчеты энергетических профилей отдельных элементарных стадий химических реакций, происходящих в белке Venus66azF – потенциальной оптогенетической системе. Это исследование ранее не планировалось, и моделирование методами КМ/ММ было выполнено по предложению научной группы из университета Кардиффа (Уэльс), в которой белок были изготовлен и характеризован экспериментально. В экспериментах был синтезирован белок типа зеленого флуоресцентного белка, в котором на месте традиционного аминокислотного остатка Tyr66 находится остаток ненатуральной аминокислоты p-азидо-L-фенилаланина. В этом варианте (Venus66azF) белок бесцветный, но после УФ облучения в результате каскада химических реакций (проходит стадия окисления хромофора, и от азида отщепляется молекула азота) формируется способный к желтой флуоресценции хромофор. В ходе экспериментов была получена богатая информация о химических реакциях и соответствующих реакционных интермедиатах в этой системе. В частности, предположительно была зафиксирована структура белка до стадии окисления, т.е. с молекулой кислорода в хромофор-содержащей области. Нами были выполнены расчеты методом КМ/ММ для серии элементарных стадий от системы с молекулярным кислородом около не созревшего хромофора до интермедиата с гидроксипероксильной группой, ковалентно пришитой к хромофору. Для каждого интермедиата были также рассчитаны оптические спектры возбуждения, сопоставленные с экспериментальными данными. Полученная совокупность экспериментальных и теоретических данных позволила сформулировать определенные выводы о механизме стадии окисления при формировании хромофоров широкого класса флуоресцентных белков – важнейших маркеров в живых системах. Результаты совместной работы нескольких коллективов опубликованы: Auhim H.S., Grigorenko B.L., Harris T.K., Aksakal O.E., Polyakov I.V., Berry C., Gomes G.P., Alabugin I.V., Rizkallah P.J., Nemukhin A.V., Jones D.D. "Stalling chromophore synthesis of the fluorescent protein Venus reveals the molecular basis of the final oxidation step", Chemical Science (Royal Society of Chemistry, Q1, IF=9.825), 2021, 12, 7735-7745; DOI: 10.1039/d0sc06693a (published: April, 2021). https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d0sc06693a (3) Были выполнены исследования механизма химической реакции ковалентного ингибирования основной протеазы вируса SARS-CoV-2. Методы молекулярного моделирования были применены для дизайна потенциального ковалентного ингибитора и метолом КМ/ММ был рассчитан профиль химической реакции присоединения ингибитора к каталитическому остатку цистеина фермента. Актуальность работ по исследованию компонентов коронавируса не требует обоснования. Основная протеаза SARS-CoV-2, а именно, фермент класса цистеиновых протеаз с названием Mpro, рассматривается как возможная мишень терапевтического лечения COVID-19. Новым направлением в поиске ковалентных ингибиторов Mpro является предложение использовать реагенты, содержащие ароматические группы, способные присоединяться к остатку цистеина по реакции нуклеофильного ароматического замещения SNAr. По результатам суперкомпьютерного молекулярного моделирования реакции взаимодействия соединения, построенного из бензоизотиазолонового (BZT) фрагмента и 5-фтор-6-нитро-пиримидин-2,4(1Н,3Н)-диона (FNP), с основной протеазой Mpro вируса SARS-CoV-2 можно заключить, что данная реакция с лимитирующим энергетическим барьером не более 9 ккал/моль возможна, и образующийся ковалентно-связанный аддукт может необратимо блокировать функционирование фермента, и следовательно, и вируса. Реакция проходит по механизму нуклеофильного ароматического замещения SNAr с образованием стабильного интермедиата – комплекса Мейзенхаймера. Анализ структур и электронной плотности в области интермедиата показывает, что в этом комплексе разорвана связь с уходящей группой и образована ковалентная связь между реактантами. Полученные результаты, дающие представление о молекулярном механизме ингибирования основной протеазы вируса SARS-CoV-2, являются базой создания новых ингибиторов цистеиновых протеаз, включая протеазу MPro. Результаты работы доложены на XXVII Симпозиуме «Биоинформатика и компьютерное конструирование лекарств» (Москва, 5-7 апреля 2021 г., Немухин А.В., пленарный доклад) и опубликованы - Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Лущекина С.В., Варфоломеев С.Д. «Суперкомпьютерное моделирование ковалентного ингибирования основной протеазы вируса SARS-CoV-2», Известия Академии наук. Серия химическая, 2021, № 11, 2084 - 2089 (опубликовано: октябрь 2021).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
(1) Продолжая работы предыдущих этапов проекта по исследованию механизма усиления каталитической активности в ферментативном домене аденилатциклазы (АС) оптогенетической системы bPAC при облучении фоторецепторного BLUF домена были построены структуры димерного комплекса (BLUF-AC)2 при различных вариантах состава мономеров. По результатам расчетов методом классической молекулярной динамики по программе NAMD с силовым полем CHARMM36 сопоставлялись динамические свойства комплексов, включающих темное или светлое (фотоактивированное) состояние BLUF домена, а также варианты каталитического домена АС с наличием или отсутствием субстрата аденозинтрифосфата в активном центре. Визуализация, обработка траекторных расчетов и динамический сетевой анализ, с помощью которого можно проследить, по каким аминокислотным остаткам полипептидной цепи передается сигнал после возбуждения фоточувствительного центра в BLUF домене до активного центра в каталитическом домене проводились с помощью программы VMD. По результатам протяженных молекулярно-динамических расчетов оптогенетической системы - димерного белка bPAC показано, что характеристики мономеров различны в процессе эволюции по времени. Отличия наблюдаются для геометрических параметров, в частности, для углов между фоторецепторным доменом и каталитическим доменом в каждом мономере. Динамический сетевой анализ показывает, что пути передачи сигналов от фоторецепторного домена до каталитического центра в состояниях, облучённых светом, отличаются от тёмных состояний. На сигнальные пути также влияет то, какой именно мономер находится в светлом или тёмном состоянии. Кулакова А.М., Хренова М.Г., Немухин А.В. «Неэквивалентность мономеров в димерной структуре фоторегулируемой аденилатциклазы», Биофизика, 2022, 67, №6, 1101-1108; DOI: 10.31857/S0006302922060072. (2) Работы по моделированию ферментативной активности гуанозинтрифосфат-связывающих белков (ГТФаз) составляют существенную часть запланированных в заявке исследований. На этапе 2022 г. решалась задача о роли точечной замены аминокислотного остатка Gly12, формально не входящего в активный центр малой ГТФазы - фермента Ras, на каталитическую активность белкового комплекса Ras-GAP. Моделирование свойств фермента Ras в комплексе с белком-ускорителем GAP представляет важнейшую задачу для биомедицинских исследований, поскольку замена аминокислотного остатка глицина в позиции 12 на валин (G12V) в белке человека Ras является одной из наиболее распространенных среди онкологических пациентов, несмотря на то, что по данным рентгеноструктурного анализа комплекса Ras(GTP)-GAP аминокислотный остаток в позиции 12 находится в стороне от активного центра. Для выяснения причины замедления каталитической активности G12VRas-GAP по сравнению с нативным вариантом белка Ras был использован анализ реакционных конформаций фермент-субстратных (ES) комплексов, проведенный методом молекулярной динамики с потенциалами теории квантовой механики/молекулярной механики (КМ/ММ МД). Более конкретно, сопоставлялось соотношение реакционных и нереакционных ES комплексов для нативной системы Ras-GAP и варианта G12VRas-GAP. В качестве критериев отнесения конформаций к реакционным выбирались подходящие геометрические параметры. При расчетах методом КМ(PBE0-D3/6-31G**)/MM(CHARMM) МД по программам TeraChem и NAMD к квантовой подсистем были отнесены фосфатные группы GTP, аминокислотные остатки Gly/Val12, Gly13, Lys16, Ser17, Thr35, Ile36, Ala59, Gly60, Gln61 и катион магния от Ras, три молекулы воды и боковая цепь Arg789 от белка-ускорителя GAP; всего 112 атомов, не считая атомов водорода, добавляемых на границе КМ- и ММ-подсистем. Показано, что расположение молекулярных групп в активном центре фермента существенно меняется при замене остатка глицина в позиции 12 на валин (G12V), что приводит к снижению доли реакционных конформаций в реакции гидролиза GTP. Важным методическим результатом работы является заключение о необходимости использования атомно-центрированных базисов и гибридных функционалов при расчетах потенциалов в методе КМ(DFT)/MM МД по программам TeraChem-NAMD. Сравнение с результатами предшествующих расчетов более низкого уровня точности по программе CP2K с использованием смешанного базиса плоских волн и гауссовых функций и обобщенно-градиентного функционала BLYP показывает, что применение методики менее высокого уровня точности приводит к заметным искажениям в рассчитанных распределениях ансамблей фермент-субстратных комплексов. Хренова М.Г., Поляков И.В., Немухин А.В. «Молекулярная динамика фермент-субстратных комплексов в гуанозинтрифосфат-связывающих белках», Химическая физика, 2022, 41 (6), 66-72; DOI: 10.31857/S0207401X22060061. (3) Были выполнены исследования механизма химической реакции ковалентного ингибирования кармофуром основной протеазы MPro вируса SARS-CoV-2. Фермент MPro относится к классу цистеиновых протеаз, ковалентное ингибирование которого можно осуществить за счет химической реакции присоединения подходящей молекулы к остатку цистеина Cys145 каталитического центра. Способность молекулы кармофура образовывать ковалентно-связанный аддукт с MPro была показана экспериментально, но механизм химической реакции ранее не был исследован. По результатам моделирования методами КМ/ММ были впервые характеризованы элементарные стадии реакции взаимодействия кармофура с каталитическим остатком цистеина MPro. Показано, что первой стадией является перенос протона от Cys145 к другому участнику каталитической диады His41 с образованием интермедиата реакции с ионной парой Cys-/His+. Вторая стадия (от интермедиата с ионной парой до продукта) определяет скорость реакции. Общий вид профиля энергии реакции согласуется с экспериментальным результатом о возможности ковалентного ингибирования кармофуром основной протеазы вируса SARS-CoV-2 – активационный барьер соответствует условиям реакции при комнатных температурах, а энергетический эффект реакции согласуется с образованием стабильного ковалентного аддукта. Сопоставление результатов расчетов профилей энергии реакции методом КМ/ММ с использованием программ NWChem и Q-Chem показало, что для обеспечения воспроизводимости результатов расчетов методом КМ/ММ пользователям программных пакетов необходимо сообщать при публикации материалов значительно больше деталей о вводимых в программы данных, чем это обычно принято. Для качественных оценок механизмов реакций, а также для прогнозирования перспективных ковалентных ингибиторов ферментов обнаруженные проблемы реализаций метода КМ/ММ не являются критичными. Giudetti G., Polyakov I., Grigorenko B.L., Faraji S., Nemukhin A.V., Krylov A.I. «How Reproducible Are QM/MM Simulations? Lessons from Computational Studies of the Covalent Inhibition of the SARS-CoV 2 Main Protease by Carmofur», Journal of Chemical Theory and Computation (Q1, IF = 6,006), 2022, 18, 5056-5067; DOI: 10.1021/acs.jctc.2c00286. (4) Кроме запланированного на 2022 г. исследования реакции MPro с кармофуром были также выполнены расчеты методом КМ/ММ механизмов химических реакций ковалентного ингибирования MPro другими соединениями – нирматрелвиром и двумя модифицированными вариантами известного нековалентного ингибитора X77. Показано, что реакции этих трех соединений с каталитическим аминокислотным остатком Cys145 фермента проходят по разным механизмам. Согласно полученным результатам все рассмотренные соединения должны эффективно ингибировать основную протеазу вируса SARS-CoV-2. Grigorenko B.L., Polyakov I., Giudetti G., Faraji S., Krylov A.I., Nemukhin A.V. «Simulations of the Covalent Inhibition of the SARS-CoV-2 Main Protease: Four Compounds and Three Reaction Mechanisms», ChemRxiv, Published August 2022. DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-8lr3v).