Введение к работе
Термин «молекулярное моделирование» является общим названием для теоретических и вычислительных методов химии, биологии и наук о материалах, направленных на воспроизведение, симуляцию поведения молекул. Молекулярное моделирование упрощает изучение системы, описывая ее на атомном уровне с использованием законов классической физики. Такой подход дает возможность симулировать поведение систем, включающих тысячи атомов, и широко используется для изучения биологических макромолекул. Настоящая работа сфокусирована на применении методов молекулярного моделирования в биокатализе для изучения взаимодействий фермента с низкомолекулярными веществами - субстратами и ингибиторами. Рассматривается стохастический метод молекулярного докинга, обеспечивающий быстрый поиск возможных статичных конформаций субстрата или ингибитора в активном центре, и метод молекулярной динамики, позволяющий проследить эволюцию фермент-субстратного или фермент-ингибиторного комплекса во времени. В качестве объектов исследования были выбраны важные с точки зрения фундаментальной энзимологии ферменты формиатдегидрогеназа (ФДГ) и поли(АГ)Р-рибозо)-полимераза (ПАРП).
Актуальность проблемы. ФДГ представляет собой удобный объект для изучения механизма переноса гидрид-иона в активном центре МАГ)+-зависимых дегидрогеназ методами вычислительной химии. Фермент используется также на практике для регенерации коферментов в процессах ферментативного синтеза оптически активных соединений. Разработка эффективных катализаторов для восстановления коферментов на основе ФДГ по-прежнему актуальна. Биологическая роль ПАРП человека заключается в репарации ДНК, регуляции концентрации NAD+ и активации генов, ответственных за воспалительную реакцию. Фармакологическое ингибирование ПАРП может повышать эффективность действия противоопухолевых препаратов, препятствовать клеточному некрозу и подавлять различные воспалительные процессы. На данный момент известен ряд ингибиторов ПАРП, однако их фармакокинетические и токсичные свойства недостаточно изучены.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось использование методов молекулярного моделирования, а именно молекулярного докинга, классической молекулярной динамики, управляемой молекулярной динамики и гибридной квантово-механической/молекулярно-механической молекулярной динамики, для решения следующих задач:
изучения механизма образования фермент-субстратного комплекса ФДГ;
разработки процедуры поиска новых ингибиторов ПАРП.
Научная новизна и практическая значимость работы. В результате моделирования уточнен механизм образовании фермент-субстратного комплекса ФДГ с участием отдельных остатков активного центра. Впервые охарактеризовано связывание субстрата в активном центре открытой конформаций ФДГ; описан механизм транспорта субстрата в активный центр ФДГ через субстратный канал. Разработана методика скрининга новых ингибиторов ПАРП с использованием
построенной модели фермента; для экспериментальной проверки активности рекомендован ряд потенциальных ингибиторов из компьютерной библиотеки соединений.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на международных конференциях: «Biocatalysis in Non-Conventional Media» (2008), «Постгеномные методы анализа в биологии, лабораторной и клинической медицине» (2010), «Ломоносов» (2008, 2010, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах, 5 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания экспериментальной части, результатов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 91 ссылку. Работа изложена на 96 страницах текста, содержит 14 таблиц и 40 рисунков.
