Примеры применения молекулярного моделирования

Определение механизма взаимодействия медиатора и рецептора с использованием молекулярного моделирования на примере ГАМК.

Пытаясь объяснить роль ГАМК в нервной системе встречается одна из центральных проблем — выяснением механизма передачи импульсов в нервной системе. В ткани головного мозга содержатся химические вещества (медиаторы, передатчики), которые участвуют в создании контактов между нервными клетками осуществляют перенос импульса как в периферической, так и в центральной нервной системе. Решение этой центральной проблемы в настоящее время тесно связано с детальным изучением пространственного строения взаимодействующих медиаторов и рецепторов.

Взаимодействие ГАМК с нервной клеткой осуществляется когда нервный импульс достигает нервного окончания, он вызывает освобождение медиатора в синаптическую щель. ГАМК диффундирует через синаптическую щель (шириной 20—50 нм) и взаимодействует со специальными рецепторами в постсинаптической мембране. В результате такого взаимодействия изменяется мембранная проводимость для ионов, находящихся по обе стороны мембраны. Изменение проводимости связано со структурными изменениями мембраны и открытием в ней узких гидрофильных каналов для прохождения катионов или анионов и зависит от структурных особенностей ГАМК.

ГАМК имеет неплоскую структуру. ГАМК является гибкой цвиттер-ионной молекулой, которая может существовать в разных конформациях. Методами рентгеноструктурного анализа, изучением действия синтетических аналогов с жестко фиксированным строением и ряда природных агонистов и антагонистов ГАМК было надежно установлено, что наиболее предпочтительной для получения тормозящего эффекта является вытянутая конформация ГАМК (расстояние между заряженными атомами N+ и Осоставляет в этом случае 5,4 ± 0,4 А; для свернутой конформации оно находится в пределах 3,9−4,2 А).

В кристаллах ГАМК находится полностью в вытянутой конформации. Однако в растворах ее молекулы, вероятно, существуют в различных конформациях. Прямое экспериментальное определение структуры ГАМК в момент ее взаимодействия с рецептором пока невозможно.

Для установления пространственного строения активной молекулы ГАМК и участка ее рецептора была изучена связь структуры с физиологической активностью некоторых аналогов ГАМК, имеющих в отличие от гибкой молекулы ГАМК жесткую структуру. Так, мусцимол, 4-аминотетрловая и 4-аминокротоновая кислоты имеют определенную конформацию благодаря наличию циклической структуры двойных и тройных связей. Различное действие мусцимола и других аналогов ГАМК, на спинные нейроны, а также структурные характеристики ряда ингибиторов захвата ГАМК показывают, что в процесс поглощения ГАМК нервными структурами и взаимодействия ее с постсинаптическими рецепторами она может иметь как вытянутую, так и свернутую конформацию.

Методами молекулярного моделирования были получены модели молекулы ГАМК и ГАМК-рецептора. Модель молекулы ГАМК была получена в программе HyperChem v6.0 методом оптимизации PM3. Пример модели молекулы ГАМК приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 — Модели молекулы ГАМК. а) оптимизация молекул ГАМК в воде; б) вытянутая конформация; в) свернутая конформация.

Была выдвинута гипотеза, что взаимодействие молекулы ГАМК и рецептора обусловлено конформацией молекулы ГАМК. Положение ионов N+ и Ои расстояние между ними обуславливает образование комплекса между рецептором и медиатором. Образованный комплекс изменяет проводимость мембраны за счет образования пор.

Для проверки гипотезы была построена модель рецептора по аминокислотной последовательности, полученной из базы данных RCSB. PDB (Protein Data Bank), в специализированной программе DeepView — TheSwissPdbViewer v3.7. Построенная модель приведена на рисунке 5.

Как видно из модели ГАМК-рецептора в центре есть канал для связывания с молекулами ГАМК. Размеры канала составляют 6,65 Ао, а размер комплекса из трех молекул вытянутой конформации ГАМК составляет 6,012 Ао, что позволяет предположить что взаимодействие происходит именно поэтому месту [11].