Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

Метод молекулярного докинга позволяет сконструировать оптимальный комплекс – комплекс с минимальной энергией – из макромолекулы-мишени и небольшого биологически активного вещества (БАВ)-лиганда. Обычно в качестве макромолекул-мишеней используются белки (ферменты) [1]. Трудно переоценить ту роль, которую играют ферменты в биологических процессах. Молекулярный докинг – это вычислительная процедура, которая анализирует конформацию и ориентацию (вместе называемые положением) лекарственного белка в месте связывания макромолекулярной мишени. Он включает в себя два концептуальных этапа: выборку и оценку [2]. Необязательный этап кластеризации позволяет получить усредненные позы и сходство. В любом случае результатом является ранжированный список поз, который будет интерпретирован пользователем для понимания биомолекулярных механизмов [3].

Цель исследования

Целью работы является поиск кластера анальгетической активности фермента циклооксигеназа 1 в ряду амидов и гидразидов N-замещенных производных антраниловой кислоты путем осуществления молекулярного докинга в исследованиях «структура – активность».

Материал и методы исследования

Трехмерная структура циклооксигеназы 1 (ЦОГ 1) (идентификатор PDB: 3N8X) была получена из PDB RCSB (https://www.rcsb.org/structure/3N8X) [4]. Молекулы воды, а также сокристаллизовавшиеся лиганды были удалены из файла PDB. Чтобы определить способ связывания и взаимодействия анализируемых структур с мишенью, были проведены исследования стыковки, основанные на применении Autodock v. 4 (Scripps Research Institute, USA, 2009). Статистические исследования, посвященные корреляции, выполнены с использованием пакета прикладных программ Statistica v. 6 (StatSoft, USA, 2007).

Результаты исследования и их обсуждение

Проведение исследования в области кластерного моделирования активности связано с ингибированием одной из мишеней анальгетической активности – ЦОГ 1. Построение участка связывания осуществляли на основе производных антраниловой кислоты (22 соединения). Общая химическая формула объекта исследования приведена на рисунке 1. Анализируемые производные антраниловой кислоты проявляют широкий спектр фармакологической активности [5, 6].

Рис 1. Общая химическая структура соединений производных антраниловой кислоты с заместителями: R1, R2, R3, R4, R5

Проведен докинг исследования программой Autodock 4 22 соединений 1 – 22 общей химической структуры (рис. 1): R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = 4-BrC6H4, R5 = NH CH2CH=CH2 (1); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = 2-фурил, R5 = NH CH2CH=CH2 (2); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = 4-NO2C6H4, R5 = NH CH2CH=CH2 (3); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = 3,4,5-(OCH3)3C6H2, R5 = NH CH2CH=CH2 (4); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = COOC2H5, R5 = NH NHCOCOOC2H5 (5); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = CONHCH2CH=CH2, R5 = NH NH2 (6); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = CONHCH2CH=CH2, R5 = NH CH2CH=CH2 (7); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = CONHCH2CH=CH2, R5 = NH (CH2)2N(C2H5)2 (8); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = CONHCH2CH=CH2, R5 = NH CH2CH(CH3)2 (9); R1 = Br, R2 = Br, R3 = H, R4 = CH3, R5 = NH CH3 (10); R1 = Br, R2 = Br, R3 = H, R4 = CH3, R5 = NH CH2CH2OH (11); R1 = Br, R2 = Br, R3 = H, R4 = CH3, R5 = NH CH2C6H5 (12); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = адамантил, R5 = NH CH2CH=CH2 (13); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = COOC2H5, R5 = NH C6H11 (циклогексил) (14); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = COOC2H5, R5 = 4-морфолинил (15); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = CONHCH2CH=CH2, R5 = NH (CH2)2CH(CH3)2 (16); R1 = H, R2 = H, R3 = CH2CH=CClCH3, R4 = адамантил, R5 = NH 4-BrC6H4 (17); R1 = H, R2 = H, R3 = CH2CH=CH2, R4 = CH3, R5 = NH 4-ClC6H4 (18); R1 = H, R2 = H, R3 = CH2CH=CH2, R4 = CH3, R5 = NH 4-BrC6H4 (19); R1 = H, R2 = H, R3 = CH2CH=CClCH3, R4 = CH3, R5 = NH 5-бром пиридин-2-ил (20); R1 = H, R2 = H, R3 = CH2CH=CH2, R4 = C6H5, R5 = NH 3-CH3C6H4 (21); R1 = H, R2 = H, R3 = CH2CH=CClCH3, R4 = CH3, R5 = NH 4-BrC6H4 (22)

Результаты молекулярной стыковки по 10 конформациям для соединений 1 – 22 приведены в таблицах 1 и 2: энергия связывания по ЦОГ 1 (binding energy (Be цог1) и значения среднеквадратичного отклонения (Rmsd ref).

Таблица 1

АА и значения энергии молекулярного докинга десяти конформаций по ЦОГ 1

Для оценки взаимодействия с биологической мишенью автором использовано значение среднеквадратичного отклонения положения лиганда при стыковке от начального положения в биологической мишени (Rmsd ref), таким способом формируется определенный пространственный кластер, анализируя который, можно проводить отбор конформаций, не отличающихся по расположению от найденного «активного» соединения. Выбор подходящей конформации, соответствующей по своему расположению относительно кластерообразующего соединения, проведен по минимальному отклонению Rmsd ref от отобранной конформации «активного» соединения.

Таблица 2

Значения среднеквадратичного отклонения структур при проведении молекулярного докинга десяти конформаций исследуемых производных антраниловой кислоты по ЦОГ 1

Перед проведением исследования был выбран критерий «активных» соединений с анальгетической активностью (АА), определенной по модели «горячая пластинка»: 20 секунд и более [7]. В таблице 3 приведены значения rmsd ref для «активных» соединений по полученным конформациям для ЦОГ 1 с минимальной энергией взаимодействия (Be акт. АА ЦОГ1).

Таблица 3

АА эксп., Rотбора ЦОГ1, р, rmsd ref ЦОГ1 и Be акт. АА ЦОГ1 по полученным конформациям для ЦОГ 1 с минимальной энергией взаимодействия

Исследование по распознаванию конформаций относительно соединений сравнения с АА 20 секунд и более выполнено по линейному коэффициенту корреляции Пирсона, при уровне статистической значимости р (α=0,05). Осуществляли отбор результатов, обеспечивающих максимальную линейность (значимых конформаций) по минимальному отклонению rmsd ref ЦОГ1 «активного» от исследуемого, в ряду из 22 производных антраниловой кислоты. Результаты отбора относительно каждого «активного» приведены в таблице 3 в виде коэффициента корреляции Be цог1 с АА эксп. (Rотбора ЦОГ1).

Корреляционным анализом обнаружена точка с максимальным коэффициентом корреляции отбора дескриптора анальгетической активности (энергия связывания с циклооксигеназой 1) по rmsd ref ЦОГ 1 соединения 2 (rmsd ref = 3,42, R=0,712)). Диаграмма взаимодействия соединения 2 с активным участком ЦОГ1 приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Диаграмма взаимодействия производного антраниловой кислоты (2) с активным участком ЦОГ 1

Анализируя диаграмму взаимодействия (рис. 2), можно наблюдать гидрофобные взаимодействия с 10 остатками аминокислот, эти взаимодействия разделены на три группы в зависимости от структурных фрагментов производного антраниловой кислоты. 1-я группа содержит остатки аминокислот по ядру антраниловой кислоты: аланин (ALA527), валин (VAL349) и лейцин (LEU541). Взаимодействия 2-й и 3-й групп относятся к периферическим, вторая по NH-ацильному фрагменту (фенилаланин (PHE518), изолейцин (ILE517, ILE523)) и третья по амидному фрагменту (метионин (MET522), лейцин (LEU384, LEU352), триптофан (TRP387)).

Результаты корреляционного анализа стыковки с ЦОГ 1 относительно № 2 описаны в виде уравнения простой линейной регрессии зависимости АА от энергии связывания «активных» производных антраниловой кислоты: АА = –1,789+16,456 × Be акт АА ЦОГ 1 (R=0,712; F= 20,63; p= 0,0001).

Проведена проверка отбора конформаций для прогнозирования АА на независимой выборке из 6 соединений общей химической структуры (рис. 1): R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = 4-OCH3C6H4, R5 = NH CH2CH=CH2 (23); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = COOH, R5 = NH CH2CH=CH2 (24); R1 = H, R2 = H, R3 = H, R4 = COOC2H5, R5 = NH CH2CH=CH2 (25); R1 = Br, R2 = Br, R3 = H, R4 = CH3, R5 = NH NH2 (26); R1 = Br, R2 = Br, R3 = H, R4 = CH3, R5 = NH (CH2)2CH(CH3)2 (27); R1 = H, R2 = H, R3 = CH2CH=CClCH3, R4 = 2-фурил, R5 = NH C6H5 (28)

Результаты молекулярного докинга по ЦОГ 1 соединений 23 – 28 независимой выборки приведены в таблицах 4 и 5 по энергиям связывания и Rmsd ref ЦОГ1.

Таблица 4

Результаты молекулярного докинга по ЦОГ 1 соединений 23 – 28 и АА эксп.

Таблица 5

Значения среднеквадратичного отклонения соединений 23 – 28 при проведении молекулярного докинга десяти конформаций по ЦОГ 1

Заключение

В результате молекулярного моделирования по ЦОГ 1 и поиска кластера на выборке из 22 веществ производных антраниловой кислоты получен кластер отбора «активных» конформаций с АА по значению среднеквадратичного отклонения структурного аналога соединения 2 (Rmsd ref = 3,42), с оценкой отбора конформаций по коэффициенту корреляции (R=0,712) и уровню значимости (р=0,0001). Проверка полученного кластера АА на независимой выборке из 6 соединений показала высокие результаты отбора дескриптора энергии связывания (Be акт. АА ЦОГ1) с коэффициентом корреляции, равным 0,757. Полученные результаты, основанные на кластерном моделировании, позволяют сделать вывод о перспективности использования метода молекулярного докинга для поиска веществ с АА по ЦОГ 1 на примере производных антраниловой кислоты и будут положены в основу целенаправленного синтеза.