CC BY
77Pli.vxios oHlic Aliu-
П П n.|M.M>U‘ll(4>44‘lltrr.net
УДК 577.32
ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРАТАЦИИ ПРИ СВЯЗЫВАНИИ ЛИГАНДОВ С МАЛЫМ
ЖЕЛОБКОМ ДНК
Костюков В.В., Евстигнеев М.П.
Севастопольский национальный технический университет e-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 11.03.2010
Методом молекулярной динамики изучены изменения ближайшего водного окружения при связывании с малым желобком ДНК десяти типичных препаратов, широко применяемых в клинической практике. Установлено, что для всех лигандов при их комплексообразовании с ДНК происходит высвобождение части связанной воды, как по отношению к свободной ДНК, так и к комплексу в целом. Проведен сравнительный анализ результатов расчетов с экспериментальными данными волюметрии и осмометрии.
Ключевые слова: малый желобок ДНК, гидратация, высвобождение воды, молекулярная динамика.
ВВЕДЕНИЕ
Препараты, связывающиеся с двуспиральной ДНК путем укладки в ее малый желобок (далее -«желобочники»), нашли широкое применение в клинической практике для химиотерапии раковых заболеваний [1,2]. Эффективность медикобиологического действия таких соединений во многом определяется их сродством к ДНК, т. е. узнаванием лигандом рецептора - молекулы нуклеиновой кислоты [3]. При этом важную роль в таком узнавании играет гидратная оболочка малого желобка ДНК, состоящая из цепочки высоко упорядоченных молекул воды с большими временами оседлой жизни т, соединенных между собой и с ДНК водородными связями - «хребет гидратации» (spine of hydration) [4,5]. Разрушение этой упорядоченной системы молекулой «желобочника» при
комплексообразовании является энтропийно выгодным. В то же время, значение т гидратной оболочки самого лиганда может возрасти на порядок при его связывании с ДНК по сравнению со свободным состоянием, что энтропийно невыгодно. Считается, что молекулы воды, непосредственно взаимодействующие с ДНК, играют ключевую роль в стабилизации комплексов «желобочников» с нуклеиновыми кислотами, в частности, за счет образования водных мостиков между лигандом и ДНК [6]. Кроме этого, гидратное окружение ДНК содержит и слабо связанную воду, непосредственно не взаимодействующую с ДНК и характеризуемую малыми т [7]. Считается, что ближайшая водная оболочка ДНК состоит из двух слоев молекул толщиной порядка r=4 А [8].
Несмотря на очевидную важность влияния водной среды на характеристики комплексообразования
«желобочников» с ДНК и сравнительно большой объем информации, накопленный к настоящему времени по данной проблеме, вопрос о перераспределении воды между гидратными оболочками свободных ДНК и лиганда, и их комплекса до сих пор остается нерешенным. Наиболее систематизированные исследования изменения гидратации при комплексообразовании лигандов рассматриваемой группы проводились двумя экспериментальными методами: волюметрии и
осмометрии, позволяющими получить изменение гидратации АМ при образовании комплекса (К) из свободных ДНК и Лиганда (Л), как
ДМ = Мк - Мднк - Мл, (1)
где МК, МдНК, МЛ - количества молекул воды, связанных с комплексом, свободной ДНК и свободным лигандом, соответственно
(гидратационные индексы).
Метод осмометрии, как правило, дает положительное значение АМ>0 [9,10] (т.е. происходит захват дополнительных молекул воды при комплексообразовании), в то время как волюметрия приводит к противоположному результату: АМ < 0 [11-13] (т.е. суммарное высвобождение молекул воды при комплексообразовании). Причины этого принципи-ального расхождения до сих пор не установлены, что в явном виде вскрывает неполноту современных представлений о роли воды при связывании «желобочников» с ДНК.
Целью настоящей работы является исследование методами молекулярного моделирования изменения водного окружения при комплексообразовании лигандов с малой канавкой ДНК с акцентом обсуждения на сформулированную выше проблематику высвобождения/захвата воды. Задача решается для десяти типичных «желобочников»,
используемых в медицинской практике при лечении PDB ID 2GVR, DAPI (б) 432D, DB293 (в) 2I2I,
раковых, вирусных и бактериальных заболеваний [2]. дистамицин А (г) 2JT7, DB75 (фурамидин, д) 227D,
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Пространственные структуры «желобочников» (рис. 1) взяты из Protein Data Bank [14] (беренил (а),
Хоекст33258 (е) GDL026, нетропсин (ж) 101D, пентамидин (з) 1D64, пропамидин (и) 1PRP, SN6999 (к) 144D).
HiN
h2n
+
Г я
, х nh2 HV v ,ч
J/ V /7 ‘
N—N=N—" С
nh2
Vy"'
Me о
N
I
Me О
nh2
N [
Me О
ж
H2Nn
»
H,N
\ /
o-(CH:)3~o
^nh2 \0/
\ H3C-®WbN-(0)--i-fl-
- 4 ' '—J 0
N—\( 4 ) N'Qlj
и к
Рис. 1. Структурные формулы исследуемых лигандов
б
а
г
з
Поскольку исследуемые лиганды проявляют наибольшее сродство к АТ-сайтам ДНК, занимая приблизительно 4 пары оснований при укладке в малый желобок [15], в качестве рецептора был выбран несамокомплементарный додекамер ДНК
d(CGCA4GCG)/(CGCT4GCG). Пространственная
структура дуплекса В-ДНК построена с помощью программы HyperChem В.0 (Hypercube, Inc., Toronto, Canada). Конформация додекамера соответствовала В-форме ДНК. Пространственная структура
комплексов лиганд-ДНК построена методом молекулярной механики с помощью программы X-
PLOR, версия 3.1 [16], с учетом известного из литературных данных числа межмолекулярных водородных связей [6]. Значения ван-дер-ваальсовых радиусов и зарядов для атомов ДНК, использованных в настоящей работе, а также параметры атом-атомных взаимодействий соответствуют силовому полю AMBER для нуклеиновых кислот [17]. Атомные заряды лигандов вычислялись при помощи пакета Gaussian03W методом Мерца-Коллмана на уровне теории MP2/6-31G* [18].
Явное задание водного окружения производилось с помощью молекул воды модели TIP3P [19],
размещенных в боксе, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда с длинами ребер 54^30x30 А (1бб3 молекулы). Нейтрализация зарядов фосфатов ДНК осуществлялась 22 ионами Na+, размещенными на расстояниях б А от атомов фосфора на биссектрисах углов О1Р-Р-О2Р [20].
Расчет конформационной динамики лигандов, ДНК и их комплексов в процессе теплового движения выполнен с помощью программы X-PLOR. Оптимизация геометрии систем осуществлялась путем минимизации потенциальной энергии методом сопряженных градиентов. На первом этапе минимизации атомы растворенных веществ фиксировались, что позволяло ближайшим к ним молекулам воды релаксировать к равновесным положениям. Второй этап проводился без каких-либо ограничений на движение атомов системы.
После минимизации потенциальной энергии выполнялась процедура МД по алгоритму Verlet с временным шагом Дt=2фс и использованием алгоритма SHAKE при постоянной температуре Т=29В К. В процессе моделирования МД фиксировалась внешняя водная оболочка для препятствования выходу молекул воды в вакуум. Свободный (нефиксированный) водный слой соответствовал толщине ближней гидратной оболочки, т.е. бимолекулярному слою в r^4 А [В]. Суммарное время эволюции составляло 1 нс. Координаты всех атомов записывались каждую 1 пс.
Гидратные оболочки ДНК, «желобочников» и их комплексов анализировались двумя способами:
1. Вода, образующая Н-связи с молекулами растворенных веществ (сильно связанная). Средние количества молекул воды, формирующих водородные связи с гидрофильными атомами (N, O) молекул ДНК и лиганда (гидратационные индексы N),
рассчитывались по траекториям теплового движения в течение последних 40 пс МД. Наличие водородной связи фиксировалось, если расстояния между электроотрицательными атомами молекул и атомами кислорода (водорода) воды не превышали 3.2 (2.4) А, соответственно [21,22]. Также вычислялось изменение площади поверхности, доступной растворителю (solvent-accessible surface area, SASA). SASA представляет собой площадь геометрического места центра пробной сферы с радиусом, равным ван-дер-ваальсовому радиусу молекулы воды (1.4 А), при ее движении по ван-дер-ваальсовой поверхности молекулы растворенного вещества или комплекса [23]. Расчет SASA проводился при помощи программы HyperChem В.0 (Hypercube, Inc., Toronto, Canada).
2. Ближайшая водная оболочка. Количества молекул воды, попадающих в нее, определялись также в процессе МД при помощи процедуры AROUND, если атомы кислорода молекул воды попадали в слой толщиной r=4 А вокруг молекул растворенных веществ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты расчета изменения гидратации, обусловленной сильно связанной водой, т. е. молекулами воды, непосредственно
взаимодействующими с гидратно-активными центрами лиганда, ДНК и их комплекса, представлены в табл.1. Отметим, что в работе [24] для сильно связанной воды в случае свободной молекулы нетропсина получено значение N = 11.9, а для дистамицина Nn = 11.2, что хорошо согласуется с данными табл. 1.
Таблица 1.
Расчетные параметры сильно-связанной воды
ДНК+ N AN A, S2 AA S A
Лиганд ДНК Комплекс
Беренил В.9 164 165 -7.7 -694
DAPI В.б 164 -В.9 -621
DB293 9.4 162 -11.3 -754
Дистамицин 12.2 160 -16.4 -1061
DB75 (Фурамидин) 7.9 163 -В.б -бВ3
Хоекст3325В 7.9 15В -14.1 -925
Нетропсин 13.0 166 -11.2 -В92
Пентамидин 7.7 162 -9.4 -В19
Пропамидин В.0 165 -б.В -В19
SN6999 3.7 156 -11.5 -915
Принципиальным выводом, вытекающим из анализа полученных результатов, является отрицательно значение индекса ДМ,
свидетельствующего о суммарном эффекте вытеснения воды при образовании комплекса. Данный вывод находится в согласии с результатами молекулярного моделирования, проведенного
другими авторами по некоторым из рассматриваемых лигандов [24,25], а также для класса ДНК-интеркалирующих лигандов [22], и качественно соответствует выводам метода волюметрии [11-13] о вытеснении воды при комплексообразовании. Как и следовало ожидать, этот результат идет вразрез с выводами метода осмометрии для того же набора
лигандов [9,10] и демонстрирующего захват молекул воды. Не вдаваясь пока в детали обсуждения этой проблемы, укажем на единственное имеющееся объяснение, высказанное в работе [9], и предполагающее, что два рассматриваемых метода учитывают разную по степени связывания с
комплексом и реагентами воду: преимущественно сильно-связанную воду - в волюметрии, и в равной степени сильно- и слабо-связанную воду - в
осмометрии.
Различие в степени связанности воды может быть учтено методами молекулярного моделирования путем расчета гидратационных индексов в пределах заданной толщины гидратного слоя г, который для молекулы ДНК и ее комплексов с малыми
молекулами оценивается на уровне г=4 А [8]. К сожалению, для рассматриваемых лигандов расчеты АИ методами МД для г=4 А в литературе
отсутствуют, в связи с чем корректность переноса использованной в настоящей работе методики расчета АИ на гидратный слой г=4 А была верифицирована по отношению к опубликованным в работе [24] данным МД по изменению гидратационных индексов нетропсина и дистамицина в пределах слоя г=2.45 А при связывании с ДНК.
Авторы [24] использовали существенно иной подход к расчету гидратационных индексов,
заключающийся в оценке числа молекул воды в ближайшем гидратном слое толщиной 2.45 А с учетом радиальной плотности распределения молекул.
Согласно [24], изменение числа молекул в гидратной оболочке лиганда ДМЛ составили 10.2 и 7.3 для нетропсина и дистамицина, соответственно. Нами получены соответствующие величины изменения гидратации для нетропсина ДМЛ=16.3, а для дистамицина ДМЛ=12.7. Различие в абсолютных
значениях ДМЛ является следствием использования как различных методов расчета, так и разных моделей молекулы воды (модель ТІР3Р, учитывающая водородные атомы в явном виде, - в настоящей работе, и модель БРС [26], в которой атомы водорода задаются неявно, - в работе [24]). Однако отношение индексов ДМЛ для нетропсина и дистамицина практически идентично в двух методах: 1.4 по [24] и
1.3 - в настоящей работе, что свидетельствует о взаимном качественном соответствии результатов
моделирования, полученных различными авторами. Это позволяет применить использованную нами методику для расчета изменения гидратации в
ближайшем гидратном слое ДНК толщиной 4 А.
Результаты расчета изменения гидратации ближайшего гидратного слоя ДНК представлены в табл.2.
Таблица 2.
ДНК+ N ДМ Мк-Мднк
Лиганд ДНК Комплекс
Беренил 55.8 349 -65.5 -9.6
БАРІ 51.6 352 -58.4 -6.8
БВ293 59.8 350 -68.2 -8.5
Дистамицин 80.3 348 -90.6 -10.3
БВ75 (Фурамидин) 55.7 358 350 -64.2 -8.5
Хоекст33258 68.7 352 -75.0 -6.3
Нетропсин 75.9 351 -83.5 -7.7
Пентамидин 65.8 342 -82.5 -16.6
Пропамидин 61.4 348 -88.7 -10.0
БК6999 78.1 346 -88.7 -12.7
Несмотря на то, что прямое сравнение абсолютных значений индексов ДМ, полученных из МД и волюметрии, по-видимому, имеет малое значение (см. обсуждение ниже), отметим, что в работе [13] полное изменение гидратации при комплексообразовании Хоекст33258 с ДНК составило ДМ=-55, в то время как в настоящей работе получено, на наш взгляд, достаточно близкое значение ДМ=-75 (см. табл.2). Отметим также, что, согласно результатам работы [25], при усреднении по МД для пропамидина при связывании с ДНК удаляется Мк-МдНК=7-8 молекул воды, а БАРІ ЛК-МдНК=5-6 при г=3...7 А и слабо зависит от величины г и времени моделирования, что находится в соответствии с полученными нами данными (см. табл. 2).
Вновь, вытекающим из анализа данных табл.2 принципиальным выводом является отрицательное значение индекса АИ. Это означает, что методы МД приводят к суммарной дегидратации лиганда, ДНК и их комплекса как на уровне сильно-связанной воды, так и на уровне воды, образующей ближайшую гидратную оболочку ДНК. Косвенно, этот результат дает основание усомниться в озвученном выше допущении о том, что именно различие типа измеряемой в методах волюмерии и осмометрии воды влияет на знак измеряемого индекса АИ. Следуя гипотезе, выдвинутой авторами [13] для объяснения характера изменения гидратного слоя ДНК при связывании с Хоекст33258, можно предположить, что изменение гидратации при комплексообразовании лигандов носит кооперативный характер.
Кооперативность не учитывается в методах молекулярного моделирования, следовательно, результат табл.2 не может содержать ничего иного, кроме вполне ожидаемого эффекта дегидратации: АИ<0. Однако подчеркнем, что гипотеза кооперативности изменения гидратного слоя при связывании с лигандами до сих пор не получила экспериментального подтверждения.
Таким образом, результаты настоящей работы свидетельствуют о суммарном высвобождении воды при комплексообразовании «желобочников» с ДНК, что принципиально согласуется с методом волюметрии, но не согласуется с методом осмометрии. Следует отметить, что расхождение результатов этих двух методов ранее уже неоднократно отмечалось (см., например, работу [27]) лишь на количественном, но не на качественном уровне, в частности, по отношению к реакциям внутримолекулярной трансформации или связыванию с биорецептором малых лигандов. Считается, что осмометрия недооценивает вклад сильно-связанной воды и переоценивает вклад слабо-связанной воды, что может быть методически скорректировано [27]. Однако вновь акцентируем внимание на то, что в случае «желобочников» (настоящая работа) и
интеркаляторов [22], мы имеем дело с принципиальным расхождением результатов этих методов по отношению к знаку АИ. В работе [22] нами было сделано предположение, что применение метода осмометрии к ДНК-связывающимся лигандам может быть некорректным. Одним из допущений метода осмометрии является отсутствие взаимодействия осмолита как с ДНК, так и с лигандом, причем прямых экспериментальных подтверждений этому не существует, за исключением выводов об отсутствии взаимодействия ДНК-осмолит, основанных на косвенном сравнительном анализе (см., например, [9,28]). Если учесть, что в структуру типичного осмолита входят группы, способные к водородному связыванию, то как минимум взаимодействие лиганд-осмолит оказывается вполне возможным. Следовательно, суммарное изменение числа молекул воды в процессе комплексообразования в методе осмометрии может включать в себя добавку от изменения гидратации самого осмолита, не учитываемой в традиционной осмометрии. Однако более фундаментальным, на наш взгляд, основанием для критики метода осмометрии является вытекающий из него сам факт дополнительного захвата воды при комплексо-образовании, что означает энтропийную
невыгодность процесса в целом и противоречит устоявшейся концепции гидрофобного эффекта от ДНК-связывания данного класса лигандов.
До сих пор речь шла о суммарном эффекте изменения гидратации лиганда, ДНК и их комплекса в реакции взаимодействия. Метод волюметрии позволяет оценить также и число молекул, высвобождающихся из гидратной оболочки ДНК при связывании лиганда без учета гидратации самого
лиганда. В терминах молекулярного моделирования это аналогично индексу Ик-Иднк (см. табл.2). Отметим, что величины Ик-Иднк для сильно связанной воды (табл. 1, данные не приведены) не являются физически значимыми, т. к. их величины имеют тот же порядок, что и их флуктуации в процессе МД (2...4 молекулы)). В работах [12,13] методом волюметрии было установлено, что Ик-Иднк для связывания Хоекст3325В соответствует захвату примерно 21 молекулы воды, в то время как связывание нетропсина соответствует
высвобождению 20-40 молекул воды в зависимости от типа нуклеиновой кислоты. Как следует из табл.2, разница Ик-Иднк всегда отрицательна, т.е. предполагает высвобождение воды для всех лигандов, причем этот вывод согласуется с уменьшением расчетной площади поверхности, доступной для растворителя (ASASA, см. табл.1). К сожалению, указанное несоответствие в рамках настоящей работы не может быть адекватно интерпретировано. Отметим лишь, что не только методика обработки, но даже и интерпретация волюметрических данных в настоящее время еще не до конца отработаны и существенно зависимы от используемой модели. В качестве примера приведем мнение авторов работы [11], использующих для интерпретации данных волюметрии по связывании лигандов с ДНК представление о том, что вклад полярной и неполярной областей взаимодействующих молекул в суммарный молярный объем, измеряемый в волюметрии, существенно различен и может носить компенсационный характер. В традиционной методике, использованной авторами цитируемых нами работ по волюметрическому исследованию реакций Лиганд-ДНК [11-13], данное различие не учитывается и, следовательно, может давать погрешность определения гидратации. Помимо этого отметим, что оценка изменения конфигурационной энтропии, вытекающая из волюметрических данных [13], приводит к пренебрежимо малому ее значению, в то время как в литературе господствует представление о том, что вклад конфигурационной энтропии для «желобочников» существенен и достигает сотни Дж/моль-К [29]. Таким образом, методы волюметрии и осмометрии, по-видимому, требуют дальнейшего усовершенствования как минимум по отношению к ДНК-связывающимся лигандам. Во всяком случае интерпретация результатов применения этих методов к измерению гидратации ДНК-связывающихся лигандов должна учитывать их внутреннюю несогласованность.
ВЫВОДЫ
Основной результат настоящей работы заключается в установлении факта высвобождения молекул воды как непосредственно связанных с гидратно-активными центрами лиганда и ДНК, так и воды из ближайшей гидратной оболочки лиганда и ДНК, при комплексообразовании лигандов-
желобочников в малую канавку ДНК. Показано, что для серии типичных «желобочников» высвобождение имеет место не только на уровне полного изменения гидратации, но и на уровне изменения гидратации ДНК без учета лиганда. Впервые установлено, что изменение гидратации на уровне ДНК частично не согласуется с результатами метода волюметрии, и полностью согласуется с этим же методом, но на уровне полного изменения гидратации. Сделано предположение о том, что методы осмометрии и волюметрии, дающие диаметрально
противоположные результаты по отношению к гидратации лиганд-ДНК, требуют критического пересмотра традиционно используемых в этих методах методиках как минимум по отношению к классу ДНК-связывающихся лигандов.
Литература
1. Yang X.-L., Wang A. H.-J. Structural studies on atom-specific anticancer drugs acting on DNA // Pharmacol. Therap. - 1999. -Vol.83. - P.181-215.
2. Reddy B.S.P., Sondhi SM, Lown J. W. Synthetic DNA minor groove-binding drugs // Pharmacol. Therap. - 1999. - Vol.84. - P. 1-111
3. Neidle S. DNA minor-groove recognition by small molecules // Nat. Prod. Rep. - 2001. - Vol.18. - P. 291-309.
4. Kubinec M.G., Wemmer D.E. NMR evidence for DNA bound water in solution // J. Am. Chem. Soc.-1992.-Vol.114.-P. 87398740.
5. Liepinsh E., Otting G., Wuthrich K. NMR observation of individual molecules of hydration water bound to DNA duplexes: direct evidence for a spine of hydration water present in aqueous solution // Nucleic Acids Res.-1992.-Vol.20.-P. 6549-6553.
6. Nguen B., Neidle S., Wilson D.W. A role for water molecules in DNA-Ligand minor groove recognition // Acc. Chem. Res. -2009. - Vol.42. - P.11-21.
7. Denisov V.P., Carlstrom G., Halle B. Kinetics of DNA hydration // J. Mol. Biol.-1997.-Vol.268.-P. 118-136.
8. Chalikian T. V., Sarvazyan A.P., Breslauer K.J. Hydration and partial compressibility of biological compounds // Biophys. Chem.-1994.-Vol.51.-P. 89-109.
9. Degtyareva N.N., Wallace B.D., Bryant A.R., Loo K.M., Petty J.T. Hydration Changes Accompanying the Binding of Minor Groove Ligands with DNA // Biophys. J. - 2007. - Vol.92. - P. 959-965.
10. Sidorova N.Y., Rau D.C. The osmotic sensitivity of netropsin analog binding to DNA // Biopolymers.-1995.-35, N 4.-P. 377384.
11. Shi X., Macgregor R.B.J. Volume and hydration changes of DNA-ligand interactions // Biophys. Chem. - 2007. - Vol.125. -P. 471-482.
12. Chalikian T.V., Plum G.E., Sarvazyan A.P., Breslauer K.J. Influence of Drug Binding on DNA Hydration: Acoustic and Densimetric Characterizations of Netropsin Binding to the Poly( dAdT)-Poly(d AdT) and Poly( dA)-Poly( dT) Duplexes and the Poly( dT).Poly( dA)-Poly( dT) Triplex at 25 °C // Biochemistry. -1994. - Vol. 33. - P. 8629-8640.
13. Han F., Taulier N., Chalikian T.V. Association of the Minor
Groove Binding Drug Hoechst 33258 with d(CGCGAATTCGCG)2: Volumetric, Calorimetric, and
Spectroscopic Characterizations // Biochemistry. - 2005. -Vol.44. -P. 9785-9794.
14. Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissig H., Shindyalov I. N., Bourne P.E. The protein data bank // Nucleic Acids Res. - 2000. - Vol. 28. - P. 235-242.
15. Nelson SM., Ferguson L.R., Denny W.A. Non-covalent ligand/DNA interactions: minor groove binding agents // Mutat. Res. - 2007. - Vol.623. - P.24-40.
16. Brunger A.T. X-PLOR. A system for X-ray crystallography and NMR. - Yale: Univ. Press, 1992. - 382 p.
17. Cornell W.D., Cieplak P.,. Bayly C.I, Gould I.R., Merz K.M.J., Ferguson D.M., Spellmeyer D.C., Fox T., Caldwell J.W., Kollman P.A. A second generation force field for the simulation of proteins, nucleic acids, and organic molecules // J. Am. Chem. Soc. - 1995. - Vol. 117. - P. 5179-5197.
18. Gaussian, Inc., 2004. Gaussian 03. Gaussian, Wallingford, CT.
19. Jorgensen W., Chandrasekhar J., Madura J. D., Impey R., Klein M. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water // J. Chem. Phys. - 1983. - Vol. 79. - P. 926-935.
20. Reddy S.Y., Leclerc F., Karplus M. DNA Polymorphism: A Comparison of Force Fields for Nucleic Acids // Biophys. J.-2003.-Vol.84.-P. 1421-1449.
21. Teplukhin A.V., Poltev V.I., Chuprina V.P. Dependence of the hydration shell structure in the minor groove of the DNA double helix on the groove width as revealed by Monte Carlo simulation // Biopolymers. - 1991. - Vol.31. - P. 1445-1453.
22. Костюков В.В., Хомутова Н.М., Евстигнеев М.П. Изменение гидратации при комплексообразовании ароматических лигандов с ДНК: моделирование методом молекулярной динамики // Биополимеры и клетка - 2010. -Т. 26. - С. 36-44.
23. Lee B., Richards FM. The Interpretation of Protein Structures: Estimation of Static Accessibility // J. Mol. Biol. - 1971. -Vol.55. - P. 379-400.
24. Dolenc J., Oostenbrink C., Koller J., van Gunsteren W.F. Molecular dynamics simulations and free energy calculations of netropsin and distamycin binding to an AAAAA DNA binding site // Nucleic Acids Res.-2005.-Vol.33. - P. 725-733.
25. Shaikh S.A., Ahmed S.R., Jayaram B. A molecular thermodynamic view of DNA-drug interactions: a case study of 25 minor-groove binders // Arch. Biochem. Biophys. - 2004. -Vol.429 - P. 81-99.
26. Berendsen H.J.C., Postma J.PM., van Gunsteren W.F., Hermans J. Interaction models for water in relation to protein hydration // In Pullman B. (ed.), Intermolecular Forces. Reidel, Dordrecht, The Netherlands, 1981. - P. 331-342.
27. Shimizu S. Estimating hydration changes upon biomolecular reactions from osmotic stress, high pressure, and preferential hydration experiments // Proc.Natl.Acad.Sci.-2004.-Vol.101. - P. 1195-1199.
28. Qu X.G, Chaires J.B. Hydration Changes for DNA Intercalation Reactions // J. Am. Chem. Soc.-2001.-Vol.123.-P. 1-7.
29. Dolenc J., Baron R., Oostenbrink C., Koller J., van Gunsteren W.F. Configurational entropy change of netropsin and distamycin upon DNA minor-groove binding // Biophys. J. - 2006. - Vol.91. -P.1460-1470.
ЗМІНА ГІДРАТАЦІЇ ПРИ ЗВ'ЯЗУВАННІ ЛІГАНДІВ З МАЛИМ ЖОЛОБКОМ ДНК Костюков В.В., Євстигнєєв М.П.
Методом молекулярної динаміки вивчено зміни найближчого водного оточення при зв'язуванні з малим жолобком ДНК десяти типових препаратів, що широко застосуються у клінічній практиці. Встановлено, що для всіх лігандів при їх комплексоутворенні з ДНК відбувається вивільнення частини зв'язаної води, як по відношенню до вільної ДНК, так і до комплексу в цілому. Проведено порівняльний аналіз результатів розрахунків з експериментальними даними волюметрії та осмометрії.
Ключові слова: малий жолобок ДНК, гідратація, вивільнення води, молекулярна динаміка.
CHANGES IN HYDRATION ON LIGAND BINDING WITH DNA MINOR GROOVE Kostjukov V.V., Evstigneev M.P.
The changes in the nearest water environment upon binding with a DNA minor groove of ten typical drugs that are widely used in clinical practice, were investigated by molecular dynamics. It was found that for all the ligands studied, during their complexation with DNA a release of bound water occurs either with respect to free DNA and to the complex as a whole. A comparative analysis of simulation results with experimental data of volumetry and osmometry was performed.
Key words: DNA minor groove, hydration, water release, molecular dynamics.
