Опиум - один из старейших наркотиков. По данным Министерства здравоохранения и социальных служб США, каждый день от передозировки опиатами умирают более 115 американцев[1].
Морфин и кодеин, производные опиума, самые используемые обезболивающие. Однако они имеют много нежелательных побочных эффектов (таких как седативный эффект, апноэ и зависимость) из-за того, что они связываются с GPCR m-opioid рецепторами в центральной нервной системе. Исследование контактов опиатных рецепторов должно помочь в изобретении новых лекарств, которые помогут справиться с болью и зависимостью.
μ-опиоидные рецепторы (MOR) - класс опиоидных рецепторов, которые сильно сходны с энкефалинами и бета-эндорфином. Типичный агонист для μ-опиоидного рецептора - морфин, первичный психотропный алкалоид опиума.
Это ингибиторные рецепторы, сопряжённые с G-белком. Они активируют Gi-субъединицу, подавляя активность аденилатциклазы, понижая уровень циклического аденозинмонофосфата.
MOR является промежуточным звеном в экстренных изменениях раздражимости нейронов, подавляя пресинаптическое выделение ГАМК. Активация MOR ведет к различным эффектам дендритов, зависящих от агониста, и может быть примером функционального отбора в μ-рецепторе. Роль этих двух механизмов в патологии и физиологии еще предстоит прояснить. Возможно, оба они могут учавствовать в развитии зависимости к опиоидам и вызванными ими когнитивными проблемами.
IUPAC name | Molecular formula | Molar mass | PubChem/DrugBank page |
---|---|---|---|
SULFATE | SO42- | 96.056 g/mol | Sulfate ion at PubChem |
CHLORIDE | Cl- | 35.45 g/mol | Chloride ion at PubChem |
[(Z)-octadec-9-enyl] (2R)-2,3-bis(oxidanyl)propanoate | C21H40O4 | 356.54 g/mol | MPG at DrugBank |
methyl 4-{[(5beta,6alpha)-17-(cyclopropylmethyl)-3,14-dihydroxy-4,5-epoxymorphinan-6-yl]amino}-4-oxobutanoate | C25H32N2O6 | 456.53 g/mol | BF0 at PubChem |
2-[2-[2-[2-(2-hydroxyethoxy)ethoxy]ethoxy]ethoxy]ethanol | C10H22O6 | 238.28 g/mol | 1PE at PubChem |
CHOLESTEROL | C27H46O | 386.65 g/mol | CHOLESTEROL at PubChem |
Шаро-стержневые модели лигандов можно рассмотреть с помощью апплета JSmol, нажав на кнопку "ligands" после его загрузки.
Слайд 1. В качестве примера лиганд-белковых контактов мы изучили вероятность образования водородных связей между молекулой лиганда [MPG]616 и его белковым окружением. Сначала мы выделили все аминокислотные остатки, расположенные на расстоянии не более 4.0Å от лиганда. Затем вручную отобрали атомы, которые гипотетически могут являться донором или акцептором водородной связи. Выделенные гипотетические связи были сверены со связями, представленными в базе данных PDB[0]. Значения параметров рассмотренных водородных связей (длина связи и угол N-O-C) вполне удовлетворяют теоретическим данным[2].
Слайд 2. Для обнаружения всех "явных" водородных связей была использована команда "calculate hbonds". Затем отбирались связи, не принимающие непосредственное участие в поддержании вторичных структур (α-спиралей или β-тяжей).
Слайд 3. Для определения солевых мостиков были выбраны противоположно заряженные аминокислоты.
Слайд 4. Для выявления дисульфилных мостиков выбирались все цистеины. Затем вручную отсеивались те цистеины, между которыми нет связи. Таким образом было обнаружено, что в рассматриваемой структуре присутствует только одна связь S-S типа.
Слайд 5. "Cationic sidechain nitrogens (lysine or arginine) within 6.0 Å of the face of an aromatic ring (phenylalanine, tyrosine, or tryptophan) may engage in polar interactions called "cation pi interactions"" (Gallivan & Dougherty, 1999)
Амино-ароматические взаимодействия были обнаружены с помощью программы firstglance.
Для анализа было выбрано гидрофобное ядро, центром которого является остаток фенилаланина ([PHE]289:A), для удобства обозначенный как MyResidue. Поиск проводился вручную, так как на момент выполнения работы сервис анализа гидрофобных кластеров CluD[3] был недоступен (ссылку на скрипт можно найти в разделе "Скрипты").
Можно заметить, что чем сильнее мы удаляемся от MyResidue, тем большее количество атомов его окружает. Наибольшее количество атомов появляется в интервалах 3-4Å и 4-5Å. Однако даже на расстоянии в 7 ангстрем, максимальном из рассмотренных в работе, поверхность MyResidue местами остается открытой, поэтому выбор минимального расстояния, на котором атомы практически полностью покрывают остаток, можно сделать лишь с тем допущением, что наличие довольно больших "просветов" нас устраивает. Визуально можно определить, что разница между изображениями атомов, находящимися не более чем в 6Å и 7Å от MyResidue невелика, поэтому остановимся на расстоянии в 6Å. Итак, на расстоянии в 6 ангстрем от остатка окружающие атомы покрывают его поверхность так, что ее практически не видно.
Опять же анализируя изображение апплета можно заметить, что основное количество связанных ковалентно атомов появляется на расстоянии 2-3 ангстрем, а наибольшее число атомов в общем - на расстоянии 3-5 ангстрем, исходя из чего можно сделать вывод, что характерное расстояние между соседними не связанными ковалентно атомами в белке находится в диапазоне 3-4 ангстрем.
Для того, чтобы молекула воды поместилась между двумя соседними атомами, необходимо, чтобы сумма радиусов двух этих атомов, сложенная с диаметром молекулы воды, была меньше характерного расстояния. Учитывая все вышеприведенные рассуждения, можно сделать вывод о том, что это невозможно. Даже при самом благоприятном раскладе (все атомы - кислороды с ван-дер-ваальсовым радиусом, равным 1.4Å) эта сумма равна 5.6, что уже привышает характериное расстояние.
Денисов Кирилл описал белок и процесс выделения контактов, а также собрал информацию о лигандах и перевел страницу на английский язык.
Коркунова Елизавета выделила и предоставила информацию о лиганд-белковых и белок-белковых взаимодействиях, описала и проанализировала параметры гидрофобного ядра и написала соответствующие скрипты для их визуализации. Создала CSS/HTML код страницы.
2. Ligand-protein interactions
3. Protein-protein interactions
[1] CDC WONDER online database
[2] Peter A. Kollman, and Leland C. Allen: The theory of the hydrogen bond. Chem. Rev. , 1972, 72 (3), pp 283–303.