CC BY
81
УДК 577.3
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЛИКОФОРИНАА И 4-МЕТИЛ-2,6-ДИИЗОБОРНИЛФЕНОЛА В ПРОГРАММАХ AUTODOCK И НEXSERVER
Острикова О.И.
4-метил-2,6-диизоборнилфенол (диборнол) - перспективное лекарственное средство с гемореоло-гической активностью. Гликофорин А - один из белков мембраны эритроцитов, участвующий в агрегации и, возможно, опосредующий гемореологические эффекты диборнола.
Цель исследования - провести моделирование взаимодействия диборнола и гликофорина А с помощью компьютерных программ AutoDock и HexServer.
Материал и методы. В работе использованы трехмерные модели молекул диборнола и гликофорина А. Информация о трехмерной модели гликофорина А была получена из базы данных RCSB Protein Data Bank - 1AFO. Моделирование трехмерной модели молекулы 4-метил-2,6-диизоборнилфенол (диборнола) проведено с использованием PRODRG Server.
Результаты. Приведены результаты компьютерного моделирования взаимодействия диборнола с гли-кофорином А, выполненного с помощью программ HexServer и AutoDock. С учетом электростатических свойств молекулы гликофорина А оптимальным сайтом связывания является позиция в цепи А VAL83, в цепи В - ALA82, GLY83, GLY86, THR87. Энергия связи, определенная средствами AutoDock, составила -6,73 ккал/моль, HexServer--2,89 ккал/моль. Заряд молекулярного комплекса ди-
борнол-гликофорин А равен -4,126 (заряд нативной молекулы гликофорина А--4,003).
Заключение. Комплексное использование программ AutoDock и HexServer помогает существенно сократить временные и вычислительные ресурсы в процессе моделирования. Исследование выявило аминокислоты, которые могут играть ключевую роль во взаимодействии диборнола с гликофо-рином А: в цепи А - VAL83, в цепи В - ALA82, GLY83, GLY86, THR87. Проведенное исследование дало основания предполагать, что в результате подобного взаимодействия диборнол может препятствовать слипанию эритроцитов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: 4-метил-2,6-диизоборнилфенол (диборнол), гликофорин А, моделирование взаимодействия, AutoDock, HexServer.
Сибирский государстбенный медицинский университет, г. Томск
РЕЗЮМЕ
Введение
ED Острикова Ольга Ивановна, тел. 8-923-408-2879; e-mail: [email protected]
Реологические свойства крови имеют важное значение при ряде заболеваний. При патологических состояниях, связанных с ишемией органов и тканей, существенно ухудшаются вязкость цельной крови, агрегация форменных элементов и другие реологические свойства крови [1, 2]. Доказано активное участие реологических механизмов в нарушении кровообращения, реологическая окклюзия рассматривается в качестве инициирующего фактора «запуска» плазменных
коагуляционных механизмов, приводящих к фибрино-образованию и закупорке сосудов патологическими тромбо- и эритроцитарными агрегатами [3]. Действие лекарственных средств, эффективных в коррекции ишемических расстройств кровообращения, направлено в том числе на улучшение гемореологических свойств крови [4]. Ведущую роль в повышении вязкости крови играют эритроциты. Более 60% белков эритроцитарной мембраны представлено спектрином, гликофоринами и белком полосы 3 [5]. Спектрин располагается с внутренней стороны мембраны и не может принимать активное участие в процессах агрегации эритроцитов. Белок полосы 3 ответственен за деформируемость эритроцитов [6]. Сиаловые кислоты
гликофоринов придают мембране эритроцитов отрицательный заряд, обеспечивая взаимное отталкивание эритроцитов [7]. Большую часть гликофоринов эрит-роцитарной мембраны занимает гликофорин А. В связи с этим возникло предположение, что изменение вязкости крови в результате действия лекарственных средств может происходить за счет их взаимодействия с гликофорином А [8].
Одним из перспективных соединений с гемореоло-гическим механизмом действия является 4-метил-2,6-диизоборнилфенол (диборнол) [2, 9, 10]. В работе предпринята попытка компьютерного моделирования взаимодействия диборнола с гликофорином А [8]. Его результаты могут помочь выяснить на механизм гемо-реологического действия диборнола.
Цель исследования — провести моделирование взаимодействия гликофорина А и диборнола с помощью компьютерных программ AutoDock и HexServer.
Материал и методы
В работе использованы трехмерные модели молекул гликофорина А и диборнола. Информация о трехмерной модели гликофорина А получена из базы данных RCSB Protein Data Bank - 1AFO [11]. Для докинга применялись программы AutoDock и HexServer [12].
Докингом называется процесс «подстыковки» ли-ганда в лиганд-связывающий центр (ЛСЦ) рецептора с целью поиска наиболее выгодных положений и ориен-таций лигандов в ЛСЦ и выявления факторов, изменение которых может привести к улучшению лиганд-рецепторного взаимодействия. Поскольку определение пространственных структур комплексов лиганд-рецеп-тор с помощью различных физико-химических методов для всех лигандов невозможно, задачей докинга является предсказание связывания химических соединений с рецепторами на основании только виртуального эксперимента.
Существует множество алгоритмов проведения молекулярного докинга. Их главная задача — нахождение глобального минимума энергии взаимодействия между лигандом и белком с помощью исследования всего доступного для лиганда пространства системы. В настоящей работе энергией связывания считали наименьшее значение изменения свободной энергии Гиб-бса при переходе пары лиганд-рецептор из несвязанного состояния в связанное [13].
Моделирование лиганд-рецепторных взаимодействий осуществлялось при помощи программы AutoDock 4.0 в составе программного комплекса MGL Tools 1.4.5 [14]. При проведении докинга использовали генетический алгоритм, который позволяет воспроизводить строение комплексов более точно, чем при примене-
нии методологии моделируемого отжига, используемого в HexServer. Высокая скорость расчета достигается благодаря использованию не пространственной структуры белка в явном виде, а предварительно вычисленных так называемых карт электростатических потенциалов [15]. Для многократного запуска программы AutoDock в автоматическом режиме были написаны дополнительные управляющие скрипты.
HexServer в отличие от AutoDock не имеет программного интерфейса, поэтому чтобы зрительно оценить результаты докинга необходима отдельная программа. Но неоспоримым плюсом HexServer является то, что он учитывает электростатические поля молекулы и позволяет определить наиболее возможный эпитоп для взаимодействия. AutoDock позволяет провести более детальный анализ взаимодействия [14]. Моделирование трехмерной модели молекулы диборнола (4-метил-2,6-диизоборнилфенол), играющего роль лиганда, было проведено с использованием PRODRG Server [16] в формате "\pdb.
Результаты
Произведен расчет энергии взаимодействия диборнола (лиганд) с ЛСЦ гликофорина А с с помощью программы HexServer. В процессе докинга была проведена 1000 попыток найти лучшее соответствие уникальной конформации лиганда и активного центра с учетом электростатических взаимодействий. Каждой попытке соответствовали 2,5 млн различных конфор-маций лиганда. По результатам каждой попытки отбиралась одна наиболее энергетически выгодная кон-формация с наименьшим значением свободной энергии связывания. Таким образом, по завершении расчетов получена 1000 наилучших конформаций для каждой пары рецептор-лиганд. С учетом электростатических свойств молекулы гликофорина А оптимальным сайтом связывания является позиция в цепи A VAL83, в цепи В - ALA82, GLY83, GLY86, THR87.
Наименьшая энергия в данном сайте связывания составила —2,89 ккал/моль по результатам моделирования с использованием HexServer (рис. 1). Заряд молекулярного комплекса диборнол-гликофорин А снизился до —4,126 (заряд нативной молекулы гликофорина А составил -4,003).
Для этого же сайта связывания производился расчет взаимодействия с использованием AutoDock. В процессе докинга было проведено 100 попыток найти лучшее соответствие уникальной конформации лиганда и активного центра в районе, найденном с помощью HexServer. Каждой попытке соответствовали 2,5 тыс. различных конформаций лиганда. Учет взаимодействия проводился в условиях вакуума с очищенной
Острикова О.И.
Молекулярное моделирование взаимодействия гликофорина А и 4-метил-2,6-диизоборнилфенола...
от примесей и молекул воды молекулой гликофорина А. Энергия связи в программе АШюЭоск составила -6,73 ккал/моль, заряд молекулярного комплекса ди-борнол-гликофорин А--4,126 (рис. 2).
Рис. 1. Результат моделирования взаимодействия гликофорина А и диборнола с использованием НехБегуег: белая большая молекула - гликофорин А; серая малая молекула - диборнол
Рис. 2. Результат моделирования взаимодействия гликофорина А и диборнола в программе АшоЭоск: белая большая молекула -гликофорин А; серая малая молекула - диборнол
При проведении докинга выше и ниже выявленного сайта связывания в программе АиШЭоск были получены значения энергии +6,56 и -1,55 соответственно, это подтверждает, что найденный сайт является оптимальным.
Обсуждение
Программа АиШЭоск позволяет произвести расчеты взаимодействия в конкретной области молекулы в рамках «жесткого» докинга. Этот процесс потребует очень большого количества времени и огромных вычислительных мощностей, если неизвестен сайт связывания. Однако большое количество настраиваемых параметров докинга и точность вычислений являются преимуществами данной программы. Программа Нех-
Server позволяет загрузить молекулы в формате *.pdb, указать возможный угол расположения центров молекул до начала расчетов, а также определить необходимость использования электростатических свойств молекул. Первоначально возможность связывания молекулы диборнола с гликофорином А не была подтверждена и носила характер рабочей гипотезы. Моделирование в программе HexServer позволило определить предполагаемый сайт связывания диборнола с гликофорином А. Выяснилось, что он образован аминокислотой VAL83 цепи А и аминокислотами ALA82, GLY83, GLY86, THR87 цепи В молекулы гликофорина А.
Последующий анализ взаимодействия диборнола в районе указанных выше аминокислот в программе AutoDock позволил получить данные об энергии связи. Наименьшая энергия связи обнаружена в том же месте и была характерна для той лее конформации диборнола, что были определены с помощью HexServer. Этот факт дополнительно убеждает в адекватности определения активного центра для связывания диборнола в структуре гликофорина А.
Заключение
Комплексное использование программ AutoDock и HexServer помогает существенно сократить затраты временных и вычислительных ресурсов в процессе моделирования.
На созданной компьютерной модели 4-метил-2,6-ди-изоборнилфенола показано, что при его взаимодействии с гликофорином А образуются связи с различными аминокислотами. Исследование выявило аминокислоты, которые могут играть ключевую роль во взаимодействии диборнола с гликофорином А: в цепи А — VAL83, в цепи В - ALA82, GLY83, GLY86, THR87.
Известно, что гликофорин А несет на себе значительный отрицательный заряд и величина этого заряда обеспечивает интенсивность электростатического отталкивания эритроцитов. Проведенное исследование показало, что образующийся комплекс диборнол-гликофорин А обладает отрицательным зарядом большей величины, чем интактный гликофорин А. Это дает основания предполагать, что в результате подобного взаимодействия диборнол может препятствовать слипанию эритроцитов.
Литература
1 .Кателъницкий ИМ. Динамика микроциркуляторных нарушений у больных облитерирующим атеросклерозом в зависимости от степени ишемии нижних конечностей после реконструктивных операций на магистральных артериях //Атеросклероз и дислипидемии. 2013. № 2. С. 27-30.
2. Логвинов C.B., Плотников М.Б., Жданкина A.A. и др. Структурные нарушения хороидоретинального комплекса глаза при тотальной транзиторной ишемии головного
мозга и их коррекция // Морфология. 2011. Т. 40, № 6. С. 43-47.
3. Алиев О.И. Фармакологическая коррекция синдрома повышенной вязкости крови при сердечно-сосудистой патологии: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. Томск, 2004. 48 с.
А.Ваизова O.E., Венгеровский А.И., Алифирова В.М. Эффективность пентоксифиллина при эндотелиальной дисфункции у больных атеросклеротической дисциркуля-торной энцефалопатией // Неврол журн. 2005. № 2. С. 41-44.
5.Панюшева Е.С., Бодрягина A.M., Сонина М.В. и др. Исследование структурно-функционального состояния эритроцитов методом атомно-силовой спектроскопии. URL: www.scienceforum.ru/2013/pdf/3697.pdf
(¡.Нагорнов Ю.С., Гноевых В.В., Смирнова А.Ю., Портно-6а Ю.А. Математическая модель эритроцитов для расчета их упругих свойств и морфологии // Соврем, проблемы науки и образования. 2013. № 2. URL: http://www. science- education.ru/pdf/2013/2/14.pdf
7.Физиология человека / под ред. В.М. Смирнова. М.: Медицина, 2002. С. 209-217.
8. Иржак А.И. Состав и функции крови // Сорос, образовав журн. 2001. Т. 7, № 2. С. 11-19.
9.Плотников М.Б., Иванов И.С., Смольякова В.И. и др. Антиоксидантная активность производного о-изоборнил-фенола при ишемии головного мозга у крыс // Вопр. биолог., мед. и фарм. химии. 2010. № 5. С. 23-25. 10.Плотников М.Б., Чернышева Г.А., Смольякова В.И. и др. Нейропротекторные эффекты и механизмы действия ди-борнола при ишемии головного мозга // Вестн. РАМН. 2009. № 11. С. 12-17. 11.1AFO. URL: http://rcsb.org/pdb/flles/lAFO.pdb
12. HexServer. URL: http://hexserver.loria.fr
13.Горемыкин К.В., Ивлев И.В., Королева Ю.А. и др. Исследование взаимодействия лигандов с аденозиновыми рецепторами типа а?ь in silico // Вестн. Новосибирского гос. ун-та. Серия: Биология, клинич. медицина. 2010. Т. 8, № 1. С. 11-16.
14. Morris G.M., Huey R., Olson A.J. Using AutoDock for ligand-receptor docking // Curr. Protoc. Bioinformatics. 2008. V. 11, № 3. P. 34-37.
15.Bursulaya B.D., Totrov M., Abagyan R., Brooks C.L. Comparative study of several algorithms for flexible ligand docking // J. Comput. Aided. Mol. Des. 2003. V. 17, № 11. P. 755-763.
16. PRODRG Server. URL: http://davapcl.bioch.dundee.ac.uk
Поступила в редакцию 24.12.2013 г. Утверждена к печати 09.10.2014 г.
Острикова Ольга Ивановна — аспирант кафедры фармакологии СибГМУ (г. Томск). ED Острикова Ольга Ивановна, тел. 8-923-408-2879; e-mail: [email protected]
COMPUTER SIMULATION OF GLICOPHORIN A
AND 4-METHYL-2,6-DIISOBORNILFENOL INTERACTION BY AUTODOCK AND HEXSERVER PROGRAMS
Ostrikova O.I.
Siberian State Medical University, Tomsk, Russian Federation ABSTRACT
4-methyl-2,6-diisobornilphenol (dibornol) - a promising drug with a hemorheological activity. Glyco-phorin A is one of erythrocyte membrane proteins involved in the aggregation and possibly mediating rheological effects of dibornol.
Objective: to conduct a modeling of the interaction dibornol and glycophorin A by AutoDock and HexServer programs.
Material and methods. We used three-dimensional models of molecules dibornol and glycophorin A. Information on the three-dimensional model of glycophorin A was received from the database RCSB Protein Data Bank - 1AFO. Modeling the three-dimensional model of a dibornol (4-methyl-2,6-diisobornilfenol) was modeling by PRODRG Server.
Results. This paper presents the results of computer modeling of interaction dibornol and glycophorin A by HexServer and AutoDock programs. We used the electrostatic properties of the molecule glycophorin A, site of interaction is position chain A VAL83, chain B - ALA82, GLY83, GLY86, THR87.
The energy of binding was -6.73 kcal/mol by AutoDock program, HexServer--2.89 kcal/mol. The
charge of the molecular complex dibornol-glycophorin A decreased to -4.126 (the charge of the native molecule glycophorin A--4.003).
Острикова О.И.
Молекулярное моделирование взаимодействия гликофорина А и 4-метил-2,6-диизоборнилфенола..
Conclusion. Integrated use of the program AutoDock and HexServer helps significantly reduce the time and computational resources in the modeling. The study identified the amino acids that may play a key role in the interaction with dibornol glycophorin A. This study has given us reason to believe that as a result of such interaction dibornol may prevent adhesion of red blood cells.
KEY WORDS: 4-methyl-2,6-diisobornilphenol (dibornol), glycophorin A, modeling of interaction, AutoDock,
Bulletin of Siberian Medicine, 2014, vol. 13, no. 5, pp. 62-66
References
1. Katelnitsky I.I. Atherosclerosis and dyslipidemia, 2013, no. 2, pp. 27-30 (in Russian).
2. Loginov S.V., Plotnikov M.B., Zhdankina A.A. et al. Morphology, 2011, vol. 40, no. 6, pp. 43-47 (in Russian).
3. Aliyev O.I. Pharmacological correction of high blood viscosity syndrome in cardiovascular disease. Dis. Dr. med. sci. Tomsk, 2004. 48 p. (in Russian).
4. Vaizova O.E. Journal of Neurology, 2005, no. 2, pp. 41-44 (in Russian).
5. Panyusheva E.S., Bodryagina A.M., Sonin M.V., Ivanova I.A., Stolbovskaya O.V. The study of structural and functional status of red blood cells by atomic force spectroscopy. URL: www.scienceforum.ru/2013/pdf/3697.pdf (in Russian).
6. Nagornov J.S., Gnoevoy V.V., Smirnov A.U., Portnova Y.A. Mathematical model of red blood cells for the calculation of their elastic properties and morphology. URL: http://www. science- education.ru/pdf/2013/2/14.pdf (in Russian).
7. Smirnov V.M. Human Physiology. Moscow, Medicina Publ., 2002. 608 p. (in Russian).
8. Irzhak L.I. Soros Educational Journal, 2001, vol. 7, no. 2. pp. 11-19 (in Russian).
9. Plotnikov M.B., Ivanov I.S., Smolyakova V.I. The biological, medical and pharmaceutical chemistry, 2010, no. 5, pp. 23-25 (in Russian).
10. Carpenters M.B., Chernyshev G.A., Smolyakova V.I. Journal of Medical Sciences, 2009, no. 11, pp. 12-17 (in Russian).
11.1AFO. URL: http://rcsb.org/pdb/files/lAFO.pdb
12. HexServer. URL: http://hexserver.loria.fr
13. Goremykin K.V., Ivlev I.V., Koroleva Yu.A., Ryzhov S.V., Shilov B.V., Serebrov V.Yu., Sazonov A.E. Journal of the Novosibirsk State University. Series: Biology, Clinical Medicine, 2010, vol. 8, no. 1, pp. 11-16 (in Russian).
14. Morris G.M., Huey R., Olson A.J. Using AutoDock for ligand-receptor docking. Curr. Protoc. Bioinformatics, 2008, vol. 11, no. 3, pp. 34-37.
15. Bursulaya B.D., Totrov M., Abagyan R., Brooks C.L. Comparative study of several algorithms for flexible ligand docking. J. Cornput. Aided. Mol. Des., 2003, vol. 17, no. 11, pp. 755-763.
16.PRODRG Server. URL: http://davapcl.bioch.dundee.ac.uk
Ostrikova Olga I. (H), Siberian State Medical University, Tomsk, Russian Federation. ED Ostrikova Olga I., Ph. +7-923-408-2879; e-mail: [email protected]
