Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор , 7
1.1. Сигнальная система 7
1.2. G-Белок сопряженные рецепторы 9
1.3. Классификация глутаматных рецепторов 11
1.4. Семейство метаботропных глутаматных рецепторов 12
1.5. Пространственное строение mGIu рецепторов 15
1.6. Лиганды mGIu рецепторов 18
1.6.1. Агонисты I группы mGIu рецепторов 18
1.6.2. Агонисты II группы mGIu рецепторов 18
1.6.3. Агонисты III группы mGIu рецепторов 19
1.6.4. Антагонисты mGIu рецепторов 20
1.6.5. Неконкурентные антагонисты и аллостерические модуляторы 21
1.7. Модели активации и функционирования mGIu рецепторов 26
1.8. Распознавание и связывание лигандов mGIu рецепторами 29
1.9. Агонист-независимая активность mGIu рецепторов 30
1.10. Модуляция mGIu рецепторов катионами кальция 30
1.11. Димеризация и гликозилирование mGIu рецепторов и их роль в активации mGIu рецепторов 30
1.12. Передача сигналов mGIu рецепторами 32
1.12.1. Области, участвующие в сопряжении с G-белками и их активации.32
1.12.2. Влияние сплайсинг-варианта СКД на передачу сигнала 33
1.12.3. Передача сигнала mGIu рецепторами не через G-белки 34
1.12.4. Взаимодействие mGIu рецепторов с Homer- и RGS-белками 34
1.12.5. Фосфорилирование и его влияние на функционирование mGIu рецепторов, участие РКС в процессе десенситизации mGIu рецепторов 35
1.13. Заключение 37
Глава 2. Моделирование пространственной структуры mGIu рецепторов ..., 38
2.1. Теоретическое введение 38
2.1.1. Методы моделирования пространственных структур белков 38
2.1.2. Построение выравнивания аминокислотных последовательностей .39
2.2. Моделирование строения аминоконцевых доменов mGIu рецепторов и их лиганд-связывающих центров 40
2.3. Построение структуры димера АКД mGlul рецептора 48
2.4. Обсуждение взаимного положения двух мономеров АКД в экспериментально определенной структуре димера mGlul рецептора 51
2.5. Расчет варианта пространственной укладки и моделирование структуры доменов, богатых цистеиновыми остатками 52
2.6. Моделирование пространственной структуры трансмембранного домена mGlul рецептора 59
2.7. Моделирование пространственных структур С-концевых доменов 68
2.8. Построение полной структурной модели димера mGlul рецептора 71
Глава 3. Сравнительный анализ структурных особенностей лигандов и построение их фармакофорных моделей 74
3.1. Особенности строения лигандов 74
3.2. Построение фармакофорных моделей 77
3.2.1. Сравнение агонистов mGlu рецепторов внутри групп 77
3.2.2. Сравнение агонистов для различных групп mGlu рецепторов 80
3.2.3. Сравнение антагонистов mGlu рецепторов внутри групп 81
3.3. Влияние вариации структур лигандов на их активность 83
3.4. Анализ конформаций молекулы глутаминовой кислоты 84
3.5. Применимость сравнительного анализа строения лигандов 87
Глава 4. Сравнительный анализ строения лиганд-связывающих центров 87
4.1. Общие закономерности строения ЛСЦ mGlu рецепторов 87
4.2. Особенности взаимодействия лигандов с mGlu рецепторами 92
4.3. Качественное объяснение селективности лигандов на основании строения ЛСЦ mGlu рецепторов 98
4.4. Оценка взаимодействия лигандов с рецепторами 103
4.5. Количественный расчет и сравнение селективности лигандов 103
4.6. Объяснение модуляторного эффекта (коагонистического действия) ионов кальция (и других ионов металлов) 105
4.7. Сравнительный анализ ЛСЦ ТМД mGlu рецепторов 106
Глава 5. Изучение белок-лигандных взаимодействий, молекулярный докинг лигандов 108
5.1. Введение 108
5.2. Молекулярный докинг лигандов 110
5.2.1. Докинг лигандов с применением автоматического подхода ПО
5.2.2. Молекулярный докинг лигандов с применением ручного подхода.. 117
5.3. Оценочные функции 119
5.4. Подходы к направленному de novo конструированию лигандов 120
5.5. Применимость молекулярного докинга лигандов 121
Глава 6. Автоматический докинг баз данных органических структур 121
6.1. Введение 121
6.2. Подготовка данных и проведение расчетов 122
6.3. Распознавание активных лигандов и обогащение баз данных 128
6.4. Использование структурных генераторов для создания баз данных 132
6.5. Расположение лигандов в междольной полости mGIu рецепторов 132
6.6. Эффективность виртуального скрининга в случае mGIu рецепторов 133
Глава 7. Молекулярный докинг потенциальных лигандов mGIu рецепторов ,.Л34
7.1. Направленная модификация известных лигандов 134
7.2. Направленная модификация селективного антагониста AIDA 138
7.3. Производные триангуланов... 142
7.4. Производные бицикло[3.3.1]нонанов и бицикл о [2.2.1]гсптанов 145
7.5. Структурные модификации для увеличения селективности лигандов 146
7.6. Выводы о возможных вариациях структур лигандов 147
Глава 8. Молекулярно-динамические расчеты 148
8.1. Теоретическое введение 148
8.2. Оценка свободных энергий связывания для лиганд-рецепторных комплексов 150
8.3. Расчеты положения антагонистов в ЛСЦ mGIu рецепторов 152
8.4. МД расчеты процессов схлопывания АКД mGlul рецептора 157
8.5. Сравнение схем расчета дальнего электростатического взаимодействия при МД моделировании процессов схлопывания АКД mGlul рецептора 164
8.6. Влияние лиганда на динамическое поведение АКД на начальных стадиях его открытия и закрытия 167
8.7. МД моделирование поведения димера АКД mGlul рецептора 169
8.8. Направленная молекулярная динамика 173
8.9. МД расчеты лиганд-рецепторных комплексов (при ограниченном размере
моделируемых областей) для сравнительного анализа поведения лигандов в
ЛСЦ разных подтипов mGIu рецепторов 176
8.10. МД расчеты фрагмента липидного бислоя и димера ТМД в нем 179
Глава 9. Модель функционирования mGIu рецепторов 181
9.1. Описание модели 181
9.2. Влияние меж- и внутридоменных взаимодействий на эффективность передачи сигнала и функционирование mGlu рецепторов; модель для
объяснения различий в эффективности и селективности лигандов 186
Глава 10. Исследование качества экспериментально определенных структур и построенных моделей 18S
Глава 11. Расчетная часть 191
11.1. Используемое в работе программное обеспечение 191
11.2. Использованные вычислительные ресурсы и затраты компьютерного времени 191
11.3. Типичные ошибки при проведении молекулярного моделирования 192
Заключение 193
Выводы 193
Список литературы
- Классификация глутаматных рецепторов
- Построение выравнивания аминокислотных последовательностей
- Сравнение агонистов mGlu рецепторов внутри групп
- Качественное объяснение селективности лигандов на основании строения ЛСЦ mGlu рецепторов
Введение к работе
Направленный дизайн новых высокоэффективных биологически активных веществ рассматривается как одна из важных проблем современной органической химии. Актуальным направлением в рамках этой проблемы является конструирование новых лигандов рецепторов глутаматэргической системы, занимающей ключевое место в функционировании центральной нервной системы (ЦНС, все сокращения в тексте работы поясняются в приложении II) человека. Глутаматэргическая система включает рецепторы двух типов - ионотропные (iGlu) и метаботропные глутамат-ные рецепторы (mGlu). Рецепторы mGlu, открытые немногим более десяти лет назад, участвуют в процессах тонкой регуляции функционирования ЦНС и могут служить в качестве важных биомишеней для лечения нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера, Паркинсона и др.). Поэтому молекулярное моделирование механизма функционирования метаботропных глутаматных рецепторов с целью направленного дизайна эффективных и селективных лигандов приобретает важное значение, открывая возможность исследования особенностей функционирования ЦНС и оказания направленного воздействия на нее.
Экспериментальные данные о воздействии низкомолекулярных лигандов на mGlu рецепторы довольно обширны, однако зачастую и противоречивы. До сих пор отсутствуют надежные данные о пространственном строении mGlu рецепторов и их лигандсвязывающих центров за исключением определенной с помощью рентгено-структурного анализа структуры димера аминоконцевых доменов mGlul рецептора.
Цель данной диссертационной работы заключалась в моделировании строения и функционирования mGlu рецепторов, а также компьютерном дизайне их потенциальных лигандов. В ходе работы построены пространственные модели лиганд-связываю-щих доменов всех известных в настоящее время подтипов mGlu рецепторов; доменов, участвующих в связывании неконкурентных лигандов - аллостерических модуляторов передачи сигнала, а также двух доменов, участвующих в работе рецептора - домена, богатого цистеиновыми остатками и С-концевого домена; проведены расчеты лиганд-рецепторных взаимодействий для рецепторов всех подтипов, а также молеку-лярно-динамические расчеты лиганд-рецепторных комплексов всех подтипов mGlu рецепторов.
В работе впервые проведено построение полной структурной модели функцио-
нирования димера mGlu рецептора; впервые проведены оценки вариантов пространственных укладок для доменов, богатых цистеиновыми остатками и С-кон-цевых доменов. Впервые для всех восьми подтипов mGlu рецепторов проведен сравнительный анализ строения лиганд-связывающих центров, лиганд-рецепторных взаимодействий для большого числа известных агонистов и антагонистов; анализ молекулярно-динамического поведения лиганд-рецепторных комплексов. Предложена более корректная по сравнению с имеющейся в литературе методология построения выравнивания аминокислотных последовательностей (и структурных моделей) трансмембранных доменов G-белок-сопряженных рецепторов за счет использования при построении множественных выравниваний аминокислотных последовательностей информации, полученной на основании метода эволюционного следа. Предложена модель, объясняющая различную эффективность и селективность лигандов по отношению к разным подтипам mGlu рецепторов (в том числе и при одинаковом строении лиганд-связывающих центров), учитывающая ряд внутри- и междоменных взаимодействий. Обобщены и на основании расчетов сформулированы общие требования, которым должны удовлетворять потенциальные лиганды mGlu рецепторов. В работе проведен виртуальный скрининг баз данных известных органических соединений, а также баз данных, полученных при использовании структурных генераторов. Основной акцент был сделан на поиске и дизайне новых структур физиологически активных лигандов, что лежит на стыке органической и биоорганической химии.
Для удобства пользования в номера рисунков (таблиц) включены номера главы и раздела, а через дефис приведен порядковый номер рисунка (таблицы) в данном разделе. Обозначения и сокращения поясняются в приложении П.
Перед изложением полученных результатов, приведем краткий обзор литературных результатов, посвященных mGlu рецепторам.
Классификация глутаматных рецепторов
Глутаматные рецепторы представляют собой большую группу рецепторов, активируемых глутаматом, и образуют нейромедиаторную систему возбуждающих аминокислот (і-глутаминовая и L-аспарагиновая кислоты), являющуюся основной системой передачи синаптического возбуждения в ЦНС и играющую ключевую роль во многих нормальных и патологических процессах. Глутаматные рецепторы подразделяются на две большие группы - метаботропные (mGlu) и ионотропные (iGlu) [25, 26], каждая из которых включает в себя различные подтипы (рис. 1.3-1). iGlu рецепторы осуществляют быструю передачу сигнала, в то время как mGlu являются G-белок сопряженными и выполняют модуляторную роль в ЦНС, участвуя в процессах топкой регуляции ее функционирования. iGlu рецепторы были разделены на три группы (и получили соответствующие названия) на основании их чувствительности к следующим лигандам (рис. 1.1-2): NMDA (Ы-метил- -аспартат), КЛ (каиновая кислота), АМРА (а-амино-З-гидрокси-5-метилизоксазолпропионовая кислота (2-амино-3-(3-гидрокси-5-метил-4-изоксалил)пропионовая кислота)) [27, 28]. Передача нервного возбуждения в iGlu рецепторах обеспечивается за счет регуляции тока ионов Са3+ в клетку. В настоящее время идентифицированы 4 подтипа АМРА рецепторов (GtuRl-GluR4), 5 каинат-связывающих подтипов (GIuR7, КА1 и КА2 проявляют высокое сродство к каинату, a GluR5 и GluR6 - низкое [29]), 7 подтипов NMDA рецепторов (NR1, NR2A-NR2D) [30-32] и недавно открытые NR3A [33, 34] и NR3B [33, 35, 36]. Восемь подтипов mGlu рецепторов отличаются друг от друга механизмом передачи сигнала и чувствительностью к действию различных агонистов (раздел 1.6) [8, 37-39]. С учетом а.к.п. (идентичность около 70% внутри группы и 40% между группами), механизма передачи сигнала (активация рецепторов I группы приводит к увеличению гидролиза PIP (рис. 1.1-2) [37; 38; 40-46]; активация рецепторов II и III групп приводит к снижению активности АЦ и уровня цАМФ, но отличаются между собой по фармакологическим свойствам [39; 47-49]) и селективности агонистов (I группа mGlu рецепторов в наибольшей степени активируется квисквалатом (Quis) [50-52], II группа LY379268 и LY389795 [53], а Ш группа - -АР4 [54, 55], рис. 1.6-1-1.6-3), восемь подтипов mGlu рецепторов можно разделить на три группы: I группа mGlu рецепторов включает mGlul и mGlu5 подтипы (и их варианты сплайсинга), II группа
До середины 80-х годов предполагали, что глутамат действует как нейромедиа-тор исключительно посредством iGlu рецепторов [58]). В середине 80-х годов появилось сообщение о том, что глутамат индуцирует хлорные токи в ооцитах лягушек после инъекции мРНК из мозга крысы [59]. В этой же работе было показано, что некоторые агонисты глутаматных рецепторов стимулируют фосфоинозитидный (PI) гидролиз. В результате гидролиза мембранного фосфатидилинозитдифосфата (PIP) образуются инозиггрифосфат (IP) и диацилглицерины [59-61]. Естественно возник вопрос о специфичности глутаматных рецепторов, сопряженных с IP. Поначалу казалось, что этот процесс реализуется за счет давно известных рецепторов [59]. Первые сомнения в этом появились после сообщения о том, что один из токсинов пауков, способный блокировать нейрональные ответы на квисквалат и каинат, не блокировал глутамат-индуцированное образование IP [59, 62], хотя давно было известно, что такие нейромедиаторы как допамин (DA, рис. 1.1-2), норадреналин (NA), ацетилхолин (ACh) и модуляторные пептиды действуют через рецепторы, сопряженные с G-белка-ми и вызывают в клетке запуск системы вторичных мессенджеров.
Исследования нового класса глутаматных рецепторов на ооцитах показали нали чиє глутамат-индуцированной стимуляции IP-цикла квисквалат-чувствительными рецепторами, отличными от известных ранее АМРА рецепторов. Полученные результаты позволили предположить существование в нейронах совершенно иного, нового типа глутаматных рецепторов, сопряженных с обменом фосфатид и линозитола, для которых характерны: 1) активация Z-глутаматом, иботенатом, квисквалатом и (l/f,35)-ACPD (рис. 1.1-2); 2) нечувствительность к действию других агонистов глутаматных рецепторов - NMDA, АМРА и каината; 3} отсутствие эффекта при действии антагонистов рецепторов NMDA, АМРА и каинатного типов.
Эти рецепторы получили название "метаботропных", так как их активация приводит не к изменению проводимости мембраны в результате открытия канала, а к активации внутриклеточного метаболизма через G-белки. Показано, что in situ они, помимо стимулирования PI гидролиза, также влияют на уровень цАМФ, оказывают модулирующее влияние на различные ионные каналы (например, К+ и Са2+) [62]. В то время как iGlu рецепторы осуществляют быструю синаптическую передачу, mGlu рецепторы выполняют модуляторные функции и вызывают долговременные изменения в деятельности клетки.
В 1991 году был клонирован крысиный mGlula [40, 63] рецептор, не имеющий сколько-нибудь значительной идентичности а.к.п. с известными в то время GPCR. В итоге было выделено 8 подтипов и несколько вариантов изо форм, являющихся результатами альтернативного сплайсинга генов mGlu рецепторов и существенно различающихся по природе и размеру их С-копца (рис. 1.4-1)) [8, 37, 38, 64]. А клонирование крысиного mGlu2 рецептора, показало, что воздействие на рецептор может приводить к ингибированию АЦ (как и PI) с помощью вторичных мессенджеров [37].
При изучении эффектов активации mGlu рецепторов в различных областях ЦНС было показано, что эти рецепторы могут быть как пост-, так и пресинаптическими. При действии на последние агонисты постсинаптических mGlu рецепторов действуют как антагонисты, т.е. ингибируют выброс глутамата-медиатора [47]. В табл. 1.4-1 собраны данные о локализации и распределении подтипов mGlu рецепторов в тканях организма.
Построение выравнивания аминокислотных последовательностей
Характер расположения ЛСЦ в mGlu рецепторах поднял вопрос о механизме их активации. Для семьи A GPCR ("родопсиноподобные") лиганд связывается внутри области, образованной а-спиралями ТМД [162], приводя к изменению их взаимных положений и к активации рецептором G-белка, С помощью меченых агонистов было показано воздействие гуанина (связывающегося с G-белками и вызывающего диссоциацию комплекса рецептора с G-белком) на связывание агонистов mGlu рецепторами, что свидетельствует о динамическом взаимодействии АКД и ТМД, несмотря на их удаленность друг от друга. Все предложенные к настоящему времени механизмы активации mGlu рецепторов подразумевают изменение конформации внеклеточного АКД (активная конформация которого стабилизируется при связывании агониста и активирует ТМД рецептора [74, 87]), заключающегося в приближении его к ТМД (рис. 1.7-1) [163], что, однако, не согласуется с результатами исследований для химерного CaR рецептора (mGlul l_592/CaR613"1078) [164]. В то же время модель непрямой активации mGlu рецептора плохо согласуется с наличием частичной агонистической активности, наблюдаемой для некоторых агонистов mGlu рецепторов [165, 166] или для случаев неконкурентных антагонистов, проявляющих обратную агонистическую активность [167]. Такая модель активации mGlu рецепторов позволяет учитывать наличие неконкурентных антагонистов — отсутствие их связывания с сайтами связывания агонистов было показано в работах [93, 168, 169], а исследования химерных рецепторов (mGlul/mGlu5 и CaR/mGIu) показали КЛЕОЧЄВОЄ влияние ряда а.к.о., находящихся внутри ТМД, на фармакологическую специфичность этих лигандов [87, 169, 170]. Было показано, что Thr815 и А1а818 в VII а-спирали ТМД mGlul рецептора необходимы для проявления активности CPCCOEt, связывание которого с ТМД блокирует передачу сигнала при активации АКД [87]. Для взаимодействия МРЕР с рецептором критическими являются а.к.о., расположенные в III и VII а-спиралях mGlu5 рецептора [169]. Наличие неконкурентного антагонизма также было показано для CaR рецептора (класс С) [171].
На основании принципа действия БПБ для передачи сигнала всеми GPCR, имеющими АКД, был предложен механизм росянки ("Венской мухоловки") [21, 92], предполагающий наличие у БПБ четырех форм - свободных закрытой и открытой, субстрат-связанных открытой и закрытой (рис. 1.7-1). В mGlu рецепторах этот механизм подразумевает равновесие между открытой и закрытой формами АКД. Предполагается, что агонист (нейромедиатор), взаимодействуя с открытой формой, сдвигает равновесие в сторону закрытой формы, вызывая передачу сигнала. При взаимодействии же с антагонистами происходит стабилизация открытой формы рецептора или отсутствует стабилизация закрытой формы, что препятствует схлопыванию АКД [96].
На рис. 1.7-2 представлены (а) трехкомпонентная модель аллостерической модуляции: лиганды А и В, связываясь с различными сайтами рецептора, приводят к двойным комплексам AR и RB и к тройному - ARB; (б) модель активации рецептора, основанная на двух формах: рецептор существует в неактивном (R) и активном (R ) состояниях, лиганд А может связываться с любой из этих форм, приводя к комплексу AR или AR [172, 173]. Их комбинирование дает аллостерическую модель, основанную на двух формах (в), согласно которой свободный рецептор существует в неактивной (R) и активной (R ) формах, а лиганды связываются с различными сайтами -лиганд А связывается с ортостерическим сайтом, а В - с аллостерическим.
BAir Рис. 1.7-2. (а) трсхкомпонснтная модель аллостерической модуляции рецептора, (б) модель активации рецептора, основанная на двух формах (R и R ), (в) трехшмпонентиая, основанная на двух формах модель аллостерической модуляции. К. константа ассоциации А f[AR]/([A][R])); L, константа изомеризации ([R ]/ R]); М, константа ассоциации В ([RB1/([RJ[BD); а, эффективность А: отношение сродства А к R и R (([RJ[AR ])/([R ][AR])); 3, эффективность В: отношение сродства В к R и R (([R][R 8])/([R ][RB])); у, кооператнв-ноеть связывания А и В: отношение сродства А к BR и R, или В к AR и R (([R][ARB])/([AR][RB])); 5, кооперативность активации А и В: отношение сродства А к BR и В, или В к AR и AR (([R ][AR][RB][AR B])/([R][AR ][R B][ARB])).
На рис. 1.7-3 приведены модели функционирования рецепторов класса С в зависимости от уровня сложности рассматриваемой системы: (1) для системы, состоящей только из ЛСД (В); (ІЇ) модель, описывающая состояния ЛСД рецептора (В) и эффекторпого домена (EJ при связывании лигапда с ЛСД. (III) модель, описывающая состояния рецептора в случае учета связывания модулятора с доменом Е, Эффектом передачи сигнала является отношение числа рецепторов с активированным Е (Н ) к их общему числу.
Сравнение агонистов mGlu рецепторов внутри групп
На втором этапе в соответствии с приведенным на рис. 2.5-1 выравниванием а.к.п. (после определения белка-шаблона ШО [251]) с помощью программного комплекса Sybyl 6.9 [278] мы проводили построение пространственной структуры белка, оптимизацию геометрии модели методами скорейшего спуска и сопряженного градиента (силовое поле Tripos [278]), а также молекулярно-динамнческих расчетов по методологии моделируемого отжига, для улучшения качества построенной модели (корректировки ориентации боковых цепей а.к.о. и ее укладки в пространстве).
Следует отметить, что для ДБЦО mGIu рецепторов не проявляются закономерности расположения мотивов, богатых цистеиновыми остатками, характерные для ДБЦО других (функционально отличных) белков (табл. 2.5-2), В целом, для ДБЦО всего класса С GPCR (за исключением некоторых представителей GABA (ГЛМК)-ре-цепторов, образующих гетеродимеры [202]), наблюдается следующая закономерность расположения девяти консервативных цистеиновых остатков: S-X[-C-X2-PC-Xn.i4-СС\У-хгС-х2-С-Хц-С-хгС-Х5-Р-Хб-С (заглавными буквами обозначены консервативные а.к.о., а х, означает фрагмент, состоящий из любых і а.к.о.). Для кальций-чувствительного рецептора (hCaR) экспериментально было определено отсутствие образования дисульфидных связей внутри ДБЦО [288] и цистиновой связи между ДБЦО и АКД. Исследования этих же авторов показали, что мутация любого из девяти Cys остатков на Зет приводит к потере рецептором функциональности [194] (в настоящее время для hCaR определены две природные мутации (C582Y и C549R), приводящие к патологиям функционирования рецепторной системы). В то же время замещение 20 из 53 нецистеиновых а.к.о. в hCaR на соответствующие из Fugu hCaR не привело к ухудшению функционирования рецептора, а мутации 40 из 53 нецистеиновых а.к.о. в ДБЦО hCaR. на соответствующие из mGlul привело лишь к ослаблению рецепторной функции [289]. Согласно данным работы [288] функциональной ролью цистеиновых остатков является обеспечение нужной укладки ДБЦО, Поэтому в соответствии с вышеперечисленными экспериментальными результатами (а также данными для ДБЦО других рецепторов, см. ниже) наиболее вероятной нам представляется координация цистеиновыми остатками ионов металлов, например Zn1+, однако экспериментальные данные на этот счет для mGlu рецепторов пока отсутствуют (недавно появились данные о возможном аллостерическом ингибировании ионами Zn + работы рецепторов GAB Ад [290]). Так, в структурах ДБЦО ряда белков из PDB (например, имеющего отличную от mGlu рецепторов сигнатуру С-Хг-С-хц-С-хз-С-Хд-С-Хг-С) наблюдается тетраэдрическая координация ионов Zn2+, обеспечиваемая либо только цистеиновыми, либо одновременно цистеиновыми и гистидиновыми а.к.о. (совместная координация наблюдалась в пяти случаях из восьми, табл. 2.5-2). Аминокислотное выравнивание (рис. 2.5-1) демонстрирует отсутствие консервативных а.к.о, His в ДБЦО mGlu рецепторов, что позволяет сделать вывод об их неучастии в координировании ионов Zn2+. В построенной нами модели ДБЦО (рис. 2.5-2), цистеиновые остатки имеют возможность располагаться группами по четыре, экспонируя боковые цепи внутрь домена, структура ДБЦО при этом стабилизируется за счет координации ионов металла (Zn +). Несмотря на димеризацию АКД [76] и, по-видимому, димериза-цию ТМД [291], образование дисульфидной связи между двумя ДБЦО маловероятно (наши структурные модели свидетельствуют об отсутствии такого взаимодействия).
Анализ экспериментальных и расчетных данных позволил нам сделать следующие выводы относительно функциональной роли ДБЦО: (I) ДБЦО выполняет функцию "редуктора", уменьшающего смещения N-коицов а-спиралей ТМД при информационных изменениях АКД. Как следует из данных рентгеноструктурного анализа (РСА), смещение одного из С-концов димера АКД при схлопывании одного из мономеров, должно составлять около 45 А [76], тогда как столь значительные перемещения а-спиралей ТМД невозможны (ДБЦО имеет длину около 40 А). Это свидетельствует о не совсем точной интерпретации экспериментальных данных в литературе, поскольку РСА проводили для усеченной формы димера АКД (см. выше); (II) ДБЦО выступает посредником при передаче сигнала от АКД к ТМД, в то же время механическое воздействие ДБЦО, по-видимому, оказывает влияние на взаимные положения АКД в димере, тем самым воздействуя на АКД, что приводит к открытию закрытых лигандсвязанных и свободных форм АКД; (III) ДБЦО выполняет функцию "амортизатора", препятствующего взаимодействию АКД с поверхностью мембраны и ТМД
Качественное объяснение селективности лигандов на основании строения ЛСЦ mGlu рецепторов
Изучение структур лигандов mGlu рецепторов (глава 1), позволило выявить следующие особенности их строения.
(I) общим для большинства лигандов является: (1) наличие аминокислотной части и дистальной карбоксильной (или биоизостерной ей) группы; (2) наличие гидрофобного линкера; (3) -конфигурация заместителей у Са атома; в некоторых случаях биоактивны рацематы, но отсутствуют лиганды с биоактивной только R конфигурацией заместителей у Са атома.
(II) Для агонистов: (1) расстояния между аминокислотной и дистальной карбо ксильной группами (или биоизостером последней) меньше определенного порогового значения, составляющего для большинства лигандов около 6 А (табл. 3.1-1); (2) отсутствие заместителя у Са атома; (3) общий заряд 0 имеет ряд агонистов I группы (гидроксипроизводные фенилглицинов) и S-homo-AMPA (агонист III группы) [49]; (4) общий заряд -1 характерен для большинства агонистов 1 и II групп; (5) общий заряд 2 характерен для большинства агонистов 111 группы; (6) конформации лигандов, имеющих глутаматный каркас, соответствуют вытянутой (аі іти -анти) конформации глутамата.
(Ill) Для антагонистов: (1) наличие заместителя (в том числе объемного) у Са атома лиганда при расстоянии между аминокислотной и дистальной карбоксильной группами (или биоизостером последней) меньше порогового значения (составляющего около 6 А); а при расстоянии больше порогового возможно отсутствие заместителя; (2) общий заряд-1 характерен для антагонистов I группы и ряда антагонистов II и III групп; (3) общий заряд -2 характерен для ряда антагонистов II и III групп, поскольку они имеют либо вместо ДКГ фосфоновую группу (что объясняется большим размером кармана связывания ДКФ по сравнению с рецепторами I группы), либо имеют две ДКГ; (4) наличие либо глутаматного фрагмента (или жесткого линкера) и объемного заместителя, либо только жесткого линкера; (5) для лигандов без объемных заместителей связи глициновый фрагмент - линкер и дистальная кислотная функция - линкер лежат на одной прямой (для антагонистов I группы); (6) для 4-карбокси фенил глицинов (антагонисты I группы) имеет место копланарное расположение бензольного кольца и дистальной карбоксильной группы. Введение заместителей в 3 и 5 положения бензольного кольца приводит к нарушению копланарности и появлению агонистической активности. Так, (5)-4-карбокси-3-гидрокси фени л глицин является антагонистом mGlul и частичным агонистом mGIu5 подтипа [135].
Относительно ориентации антагонистов в междольном пространстве первоначально существовала точка зрения об их связывании подобно распорке между двумя долями [97, 308]. Однако нами на основании расчетов было показано, что они занимают положение, сходное с положением агонистов [309], что подтвердилось экспериментальными данными [105]. Более подробно ориентация лигандов в ЛСЦ будет обсуждаться в главе 8.
Еще одним подходом для сравнительного анализа строения лигандов является фармакофорный подход, поскольку приведенная выше информация о строении лигандов недостаточна для полного описания их различного действия на разные подтипы mGlu рецепторов. Табл. 3.1-1. Расстояния между фармакофорными группами для агонистов (левый столбец) и антагонистов (правый столбец) .
Фармакофорный подход подразумевает совмещение пространственных структур лигандов с целью выявления областей и функциональных групп, ответственных за проявление лигандами активности, с целью их модификации для воздействия на активность. Интересно отметить существовавшее в литературе расхождение относительно возможности [310] и невозможности [308] наложения фармакофорных групп агонистов и антагонистов. Как уже указывалось выше, лиганды mGlu рецепторов имеют разное строение, однако характерным для них является наличие аминокислотной части и дистальной кислотной функции. На всех рисунках в данной главе красными сферами показаны атомы кислорода, синими - атомы азота, оранжевыми — атомы фосфора. Дополнительная информация дана в подписях к рисункам. Все расчеты сделаны с помощью программного комплекса Sybyl 6.6-6.9.
Сравнение агонистов mGlu рецепторов внутри групп На рис. 3.2.1-1 показаны совмещенными двенадцать структурно различных агонистов mGlu рецепторов I группы, для которых наблюдается варьирование положений ДКФ. Совмещение структур пяти "квисквалат-подобных" лигандов (рис. 3.2.1-2) демонстрирует различия положений пятичленных колец (нижняя часть рисунка) для Quis, селективного агониста рецепторов I группы (обоих подтипов) и E-CBQA, Z-CBQA, являющихся селективными агонистами mGlu5 подтипа (слабо действующих на mGlul подтип). Отметим, что ЛСЦ mGlul и mGlu5 подтипов имеют идентичный состав. На рис. 3.2.2-3 приведены структуры агонистов рецепторов I группы, но принадлежащих разным структурным классам.
![Молекулярный дизайн, синтез и комплексообразующие свойства макроциклических рецепторов на основе функционализированных каликс[4]аренов](/i/i/4364/201437.png "Молекулярный дизайн, синтез и комплексообразующие свойства макроциклических рецепторов на основе функционализированных каликс[4]аренов Гафиуллина Лилия Ильдаровна")
