Молекулярное моделирование комплексов АТФ-белок с

УДК 517.9
Т.В. Пырков*1,2, Ю.А. Косинский2, Р.Г. Ефремов2
1
Московский физико-технический институт (государственный университет)
2
Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А.
Овчинникова РАН
*e-mail: pyrkov@nmr.ru
МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ АТФ-БЕЛОК С
УЧЕТОМ ГИДРОФОБНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
АТФ является субстратом во многих биохимических реакциях в живой клетке.
Изучение связывания этого лиганда с белком играет важную роль для понимания
механизма функционирования ферментов [1,2]. Некоторые аспекты данного процесса
могут быть исследованы с помощью метода молекулярного докинга.
Указанный метод позволяет при наличии пространственной структуры белкамишени предсказывать образование комплекса с лигандами. Алгоритм докинга
заключается в поэтапной генерации разнообразных положений лиганда в системе
координат белка. При этом для каждой конформации лиганда производится оценка
межмолекулярных взаимодействий, и на основе наилучших из них генерируются
новые варианты. Так как в процессе докинга оценка межмолекулярных
взаимодействий производится много раз, то для экономии вычислительных ресурсов
она должна быть упрощенной. Стандартные функции оценки [3], используемые в
программах докинга, как правило, позволяют определить верное положение лиганда в
центре связывания, однако их недостатком является большое число некорректных
конформаций лиганда с более выгодными значениями функции оценки.
В данной работе с целью повышения эффективности отбора конформаций
лигандов, полученных с помощью докинга, предлагается использовать специальную
функцию ранжирования, разработанную для оценки взаимодействий АТФ с белком
[4]. Для определения наиболее характерных межмолекулярных взаимодействий в
комплексах АТФ-белок было проведено исследование пространственной структуры 40
таких комплексов, доступных в Protein Data Bank (тренировочный набор). Было
выявлено, что наибольшую роль в молекулярном узнавании АТФ играют стэкинг и
гидрофобные взаимодействия аденинового основания с белком. Для описания
гидрофобных взаимодействий был использован эмпирический метод молекулярного
гидрофобного потенциала. На основе линейной комбинации перечисленных
межмолекулярных взаимодействий была создана новая функция ранжирования
решений докинга.
Проверка эффективности предлагаемого метода была проведена на тестовом
наборе из 10 дополнительных кристаллографических структур комплексов АТФ-белок.
Тестирование было также проведено на примере комплекса АТФ – Са-АТФаза [5]. В
последнем случае докинг АТФ производили для набора конформеров рецептора,
сгенерированных с помощью молекулярной динамики. При этом конформация
боковых цепей остатков белка в молекулярной динамике может быть неоптимальной
для взаимодействий с лигандом, что ведет к снижению эффективности стандартных
функций оценки. В обоих случаях эффективность отбора правильной геометрии
комплекса по предложенной функции ранжирования была выше, чем по стандартной
функции, часто используемой в докинге. Последняя, в частности, не учитывает стэкинг
и гидрофобные взаимодействия.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (04-04-48875-a, 05-0449283-а, 06-04-49194-а) и Федерального агентства по науке и инновациям РФ
(государственный контракт 02.467.11.3003 от 20.04.2005, грант “Ведущие научные
школы” № 4728.2006.4).
Литература
1.
Mao L., Wang Y., Liu Y., Hu X. Molecular determinants for ATP-binding in proteins: A
data mining and quantum chemical analysis // J. Mol. Biol. 2004. V. 336. P. 787.
2.
Efremov R.G., Kosinsky Yu.A., Nolde D.E., Tsivkovsky R., Arseniev A.S. Lutsenko S. Molecular modeling of the nucleotide-binding domain of Wilson’s disease protein: location
of the ATP-binding site, domain dynamics and potential effects of the major disease mutations // Biochem. J. 2004. V. 382. P. 293.
3.
Kitchen D.B., Decornez H., Furr J.R., Bajorath J. Dcoking and scoring in virtual screening for drug discovery: Methods and applications // Nat. Rev. Drug. Discov. 2004. V. 3.
P. 935.
4.
Pyrkov T.V., Kosinsky Yu.A., Arseniev A.S., Priestle J.P., Jacoby E., Efremov R.G. Complementarity of hydrophobic properties in ATP-protein binding: A new criterion to rank
docking solutions // Proteins 2006. V. 65. in press.
5.
Toyoshima C., Nomura H., Tsuda T. Lumenal gating mechanism revealed in calcium
pump crystal structures with phosphate analogues // Nature 2004. V. 432. P. 361.