Молекулярное моделирование глипролина Pro—Gly и его комплексов

БИОФИЗИКА И МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

Молекулярное моделирование глипролина Рго—С1у и его комплексов

Л.И. Исмаилова,1, * Г.А. Ахвердиева,1, ^ С.Д. Демухамедова,1, * Н.А. Ахмедов1, §

1 Институт Физических Проблем, Бакинский Государственный Университет, Азербайджан, AZ-11^8, Баку, ул. З. Халилова 23

В представленной работе с помощью методов молекулярного моделирования изучен гли-пролин Рго-С1у и его биологически активные комплексы с гепарином и с белковым комплексом антитромбин-гепарин. Данная молекула используется в качестве лекарственного препарата, проявляет антитромботическое, антикоагулянтное, иммуномодулирующее, противоязвенное и противодиабетическое действия. В рамках молекулярной механики исследованы конфор-мационные профили, оценена геометрия и энергия внутри- и межостаточных взаимодействий для наиболее стабильных состояний исследованного дипептида. Проведен сравнительный анализ оптимизированных методом БРТ/В3ЬУР/6-31+0(^ р) развернутой и свернутой структур данной молекулы, рассчитаны граничные молекулярные орбитали, изучена поверхность молекулярного электростатического потенциала, определены эффективные заряды на атомах, вычислены значения дипольного момента и поляризуемости. Молекулярный докинг выявил, что свернутая структура глипролина Рго-С1у демонстрирует высокое значение аффинности при связывании как с гепарином, так и с белковым комплексом антитромбин-гепарин. Построена модель фармакофора молекулы Рго-С1у. Полученные данные создают основу для разработки эффективных аналогов глипролинов в комплексе с гепарином, которые являются более специфичными по отношению к их предполагаемой мишени — антитромбину.

РЛСЯ: 87.15.By; 87.15.Kg УДК: 577.3

Ключевые слова: глипролин Рго—01у, молекулярная механика, БЕТ-расчеты, молекулярный докинг, фармакофор.

Б01: 10.55959/М8Ш579-9392.78.2350701

ВВЕДЕНИЕ

Регуляторные пептиды относятся к группе нейро-модуляторов, которые являются ключевым звеном механизма функционирования человеческого организма, его основным резервом. В настоящее время открываются новые семейства регуляторных пептидов, изучаются их свойства. Одним из таких семейств являются глипролины — короткие пептиды, аминокислотные последовательности которых состоят из остатков глицина (Gly) и пролина (Pro). Они имеют широкий диапазон физиологических свойств: влияют на систему свертывания крови, модулируют работу иммунной и нервной систем, обладают противоязвенным и противодиабетическим действиями [1-3].

Из олигопептидов наиболее короткими фрагментами, проявляющими биологическую активность, являются дипептид Pro-Gly и трипептид Pro-Gly-Pro, которые обладают рядом протекторных и лечебных свойств, повышают устойчивость организма к стрессу [4-7].

Механизмы действия глипролинов и их мишени мало изучены. В работах [8-10] проведен син-

* E-mail: lara.ismailova.52@mail.ru

1 E-mail: hagverdigulnara@gmail.com

£ E-mail: svetlanabest@mail.ru

§ E-mail: Namiq.49@bk.ru

тез и выявлены антикоагулянтные и антитромбо-тические эффекты комплекса дипептида Pro-Gly с высокомолекулярным гепарином. В клинической практике гепарин известен как лекарственное вещество, препятствующее свёртыванию крови. Применяется для профилактики и терапии тромбоэмболи-ческих заболеваний, при операциях на сердце и кровеносных сосудах, для поддержания жидкого состояния крови в аппаратах искусственного кровообращения и гемодиализа, а также для предотвращения свёртывания крови при лабораторных исследованиях. Известно, что гепарин реализует свою антикоа-гулянтную активность через активацию антитромбина III. Так, установлено, что гепарин увеличивает активность антитромбина, усиливая его связывание с фактором IIa (тромбином) и фактором Xa [11]. В работах [12-15] предполагается, что гепарин, обладая большим суммарным отрицательным зарядом, связывается со специфическими катион-ными участками антитромбина III, в результате конформация молекулы последней меняется и антитромбин III приобретает возможность инактиви-ровать факторы свёртывания (II, IX, X, XI, XII), калликреин, сериновые протеазы.

Известно, что биологические свойства пептидных молекул определяются их химическим, пространственным и электронным строением. На сегодняшний день структурные расчеты молекулы Pro-Gly, так же, как исследования молекулярного докинга для этого дипептида, отсутствуют. В свя-

зи с вышеизложенным для выяснения механизма действия исследуемого лекарственного препарата Pro-Gly нами было решено провести последовательный докинг: докинг данной молекулы с гепарином, а на следующем этапе — с белковым комплексом антитромбин-гепарин. Для достижения данной цели на первом этапе было проведено молекулярное моделирование самой молекулы Pro-Gly: в рамках молекулярной механики были исследованы ее кон-формационные профили; на основе DFT (Density Functional Theory) расчетов оптимизированы возможные для данной последовательности структуры, для которых выявлены геометрические, энергетические и электронные параметры. На следующем этапе исследования эти данные были заложены в основу расчета комплексов данного дипепти-да как с гепарином, так и с белковым комплексом антитромбин-гепарин; построена модель фармако-фора молекулы Pro-Gly для ее взаимодействия со специфическим рецептором.

Отметим, что результаты проведенных исследований имеют большое прикладное значение в медицине и фармакологии, поскольку создают перспективы для изучения структурно-функциональных взаимосвязей и разработки синтетических аналогов глипролинов с высокой стабильностью и эффективностью действия. Полученные данные создают основу для разработки эффективных антикоа-гулянтных и антитромботических препаратов медицинского назначения, которые могут быть важны также для лечения больных с тяжелым течением инфекции COVID-19, у которых, как показала практика последних лет, наблюдается образование тромбов в различных органах [16].

1. МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Известно, что в растворах короткие линейные пептиды не имеют фиксированной пространственной структуры. Аминокислотная последовательность и физико-химические свойства растворителя определяют набор низкоэнергетических конформа-ций пептидной молекулы. Биологически активная конформация пептидной молекулы, которая реализуется при взаимодействии с рецептором, входит в набор низкоэнергетических структур, существующих в водном растворе, поэтому исследование пространственного строения и конформационных возможностей пептидных молекул представляет большой интерес [17]. В данной работе конформацион-ные профили молекулы Рго-С1у были изучены методом теоретического конформационного анализа в рамках механической модели с помощью разработанной нами компьютерной программы [18]. Отметим, что с использованием данной программы с достаточной точностью количественно описаны пространственные структуры ряда пептидных молекул, например, в [19-22].

При минимизации потенциальная энергия вычис-

лялась как сумма независимых вкладов энергий невалентных, электростатических взамодействий, а также энергий торсионных барьеров и водородных связей. Обозначения и отсчеты углов вращения соответствуют принятой международной номенклатуре IUPAC-IUB [23]. При изложении результатов расчета использована классификация пептидных структур на конформации, формы основной цепи и шейпы пептидного скелета, подробно описанная в работе [24].

Квантово-химические методы расчета электронной структуры пептидов дают возможность рассчитать эффективные заряды на атомах, энергетические вклады электронной энергии, энергии граничных молекулярных орбиталей; изучить поверхность молекулярного электростатического потенциала; определить величину дипольного момента и поляризуемости для каждой исследуемой конформации. В данной работе геометрия характерных пространственных структур исследованного дипептида Рго-С1у была оптимизирована в рамках DFT с использованием достаточно экономичного расширенного базисного набора Попла 6-31+G(d, р), дополненного диффузными функциями для неводородных атомов и поляризационными функциями для всех атомов. Для расчетов был использован программный пакет Gaussian 09 [25] и Gauss View 6.0 [26].

Молекулярный докинг глипролинового дипепти-да Pro-Gly с гепарином и белковым комплексом антитромбин-гепарин был выполнен с помощью программы AutoDock Vina [27]. Интерпретация и визуализация взаимодействий лиганд-рецептор были проведены с помощью программ PyMol [28] и Discovery Studio 3.0 [29]. Отметим, что в наших предыдущих работах DFT-рассчеты и молекулярный докинг были успешно использованы для исследования механизма действия небольших молекул, представляющих медицинский интерес [30-32].

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

2.1. Конформационные профили глипролина Pro-Gly

В проведенном расчете длины связей и валентные углы в основной и боковых цепях, валентные углы пептидной группы соответствуют значениям, приведенным в работе [33]. Аминокислота глицин не имеет боковой цепи (в боковой цепи только один атом водорода). Пролиновое кольцо предполагалось плоским, его геометрия взята из [34]. Следует отметить, что пролин является единственной протеиногенной аминокислотой со вторичным амином, поскольку атом азота присоединен как к a-углероду, так и к цепи, состоящей из трех атомов углерода, которые вместе образуют пятичлен-ное кольцо — пирролидин, что классифицирует его как неполярную алифатическую аминокислоту при физиологическом рН.

Таблица 1. Энергетические вклады (ккал/моль) конформаций молекулы Pro-Gly

№ Шейп Конформация Энергия, ккал/моль

Epro EGly Epro—Gly E E E Еторс. E EOTH.

1 e BB -2.3 2.8 —1.8 0.9 —2.2 0.6 1.4

2 BR -2.3 2.7 —1.0 1.4 —1.9 0.6 2.2

3 RL -2.1 2.8 —1.7 0.7 —1.8 0.4 1.5

4 RP -2.1 2.8 —2.7 0.2 —2.1 0.5 0.6

5 f RB -2.1 1.8 —2.1 —1.5 —2.1 0.5 0.0

6 RR -2.1 2.7 —2.2 0.2 —1.7 0.5 1.0

7 BL -2.4 2.7 —0.9 1.3 —1.9 0.6 2.1

8 BP -2.4 2.8 —1.9 0.6 —2.2 0.6 1.2

Примечание: ЕРго — монопептидная энергия аминокислотного остатка пролина, Ес1у — монопептидная энергия аминокислотного остатка глицина, ЕРго_с1у — энергия взаимодествия аминокислотных остатков пролина и глицина; Енев. — энергия невалентных взаимодействий; Еэлет. — энергия электростатических взаимодействий; Егоре. — энергия торсионных взаимодействий; Еотн. — относительная энергия рассчитанных конформаций.

Согласно конформационной карте Рамачандра-на формы основной цепи аминокислотных остатков определяются областями И, В, Ь и Р двугранных углов у и ф основной цепи. При расчете дипептид-ной молекулы рассматривались развернутые формы дипептидной молекулы (ВВ, ВИ, ЬВ, ЬИ, ИЬ, ИР-шейп е) и свернутые формы основной цепи (ИВ, ИИ, ВЬ, ВР, РИ, РВ-шейп 1). Расчет исследуемого глипролина выполнялся на основе низкоэнергетических конформаций составляющих его монопептидов — М-ацетил-Ь-пролина и М-ацетил-Ь-глицина. Для пролина учитывались две возможные формы пептидной цепи (В-форма — у = -60°; ф = 130° и И-форма — у = -60°; ф = -50°). Для глицина начальные приближения формировались из четырех низкоэнергетических состояний пептидного остова (И-форма — у = -90°, ф = -90°; В-форма — у = -90°, ф = 100°; Ь-форма — у, ф = 90° и Р-форма основной цепи — у = 90°, ф = -90°). Также для С1у в расчет были включены 4 комбинации граничных начальных приближений углов у, ф (гр1: у - 90°, ф = 0°; гр2: у = -90°, ф = 180°; гр3: у = 90°, ф = 0°; гр4 : у = 90°, ф = 180°). Углу ш пептидной группы было задано значение 180°. Как видим, конформационные свойства ис-сследованной дипептидной молекулы определяются углами только основной цепи остатков пролина и глицина. Всего для дипептида Рго-С1у было составлено 16 начальных приближений. Расчет обнаружил все возможные для дипептидной молекулы конформационные состояния, выявил низкоэнергетические конформации. Для каждой конформа-ции рассчитывались энергетические вклады невалентных, электростатических и торсионных взаимодействий, а также оценивалась энергия внутримолекулярных монопептидных и дипептидных взаимодействий (табл. 1).

Как видно из представленных результатов, для данной дипептидной молекулы в пространстве реализуются конформации как с развернутой, так

и свернутой формой основной цепи. Наибольший вклад в энергию исследуемой молекулы вносят электростатические взаимодействия. Дисперсионные взаимодействия являются также важным фактором стабилизации пространственной структуры дипептидной молекулы. Так, основной стабилизирующий вклад в энергию данной последовательности вносят межостаточные взаимодействия между участками основной цепи и боковыми цепями про-лина и глицина. Глобальной конформацией данной молекулы является RB (Еобщ = -2.1 ккал/моль) со свернутой формой основной цепи. Именно от этой конформации была отсчитана относительная энергия остальных структур. Это дало нам картину энергетического распределения расчитанных конформаций молекулы. Среди конформаций с развернутой формой основной цепи данной молекулы самой низкоэнергетической является конформация RP (Еобщ — 1.5 ккал/моль). Значения двугранных углов ш Pro, у Pro, ф Pro, ш Gly, у Gly, ф Gly указанных наиболее стабильных развернутой и свернутой конформаций исследуемого дипептида составляют 178°, —60°, —55°, 178°, 81°, —73°, и 179°, —60°, —55°, 177°, —82°, 71° соответственно. Именно геометрия этих двух структур дипептида Pro-Gly послужила основой для последующих DFT-расчетов.

2.2. Структурный анализ глипролина Pro-Gly

Две указанные выше характерные низкоэнергетические конформации молекулы Pro-Gly, выявленные в результате конформационного анализа, были оптимизированы квантово-химическим методом с использованием уровня теории DFT/B3LYP с базисным набором 6-31+G(d, p). На рис. 1 представлена оптимизированная молекулярная геометрия развернутой и свернутой структур глипролинового дипептида Pro-Gly. Как видно из представленного рисунка, в свернутой структуре, в отличие от развер-

Рис. 1. Оптимизированные развернутая

Таблица 2. Значения длин валентных связей в оптимизированных структурах глипролина Рго-С1у

Длина связи В развернутой структуре, А В свернутой структуре, А Из эксперим. данных, А [35, 36] Длина связи В развернутой структуре, А В свернутой структуре, А Из эксперим. данных, А [35, 36]

С1Н2 1.08 1.09 1.09 С13Н14 1.08 1.09 1.00

С1Н3 1.08 1.09 1.09 С13Н1Б 1.08 1.09 1.00

С1Н4 1.08 1.09 1.09 С13С16 1.52 1.52 1.53

С1Н5 1.51 1.52 1.53 С16 О17 1.19 1.21 1.23

С5О6 1.21 1.23 1.23 С16 О18 1.32 1.35 1.32

1.36 1.38 1.32 О18Н19 0.95 0.97 1.00

^Сз 1.42 1.41 1.45 С20Н21 1.09 1.10 1.09

^С20 1.47 1.49 1.46 С20Н22 1.08 1.09 1.09

СвСд 1.48 1.47 1.47 С20С23 1.53 1.53 1.47

СзС26 1.51 1.51 1.53 С23Н24 1.08 1.09 1.09

С9О10 1.21 1.24 1.23 С23Н2Б 1.09 1.09 1.09

СдЩо 1.35 1.36 1.36 С23С26 1.53 1.53 1.50

NllHl2 1.00 1.02 1.00 С26Н27 1.08 1.09 1.09

NllСlз 1.44 1.44 1.45 С26Н28 1.09 1.10 1.09

нутой, С-концевая карбоксильная группа повернута в сторону карбонильной группы С5О6 и амидной группы N11^12, что способствует более эффективным контактам с ними.

Мы оценили геометрию оптимизированных структур дипептидной молекулы глипролина Рго-С1у. В табл. 2 и 3 приведены рассчитанные значения длин связей и валентных углов аминокислотных остатков в характерных структурах данной молекулы, а также для сравнения их значения для соответствующих монопептидов, взятые из экспериментальных работ [35, 36]. Как видно из представленных данных, в результате оптимизации не наблюдаются заметных изменений длин связей, но имеют место незначительные различия расчитанных значений некоторых валентных углов составляющих монопептидов этой молекулы относительно их значений, взятых из кристаллографических данных. Рассчитанные

значения двугранных углов оптимизированных структур исследуемого дипептида приведены в табл. 4.

Оценка межатомных расстояний позволила охарактеризовать размеры глипролиновой молекулы Рго-С1у. Анализ проекций векторов межатомных расстояний на горизонтальную и вертикальную оси показал, что для свернутой пространственной структуры исследуемого дипептида длина и ширина молекулы составляют (О17Н24) 8.97 А и (Н4Н27) 6.54 А, а для развернутой структуры значения этих величин составляют, соответственно, (О17Н24) 8.67 А и (Н4Н27) 6.38 А. Эти геометрические параметры были учтены на следующем этапе исследования при проведении молекулярного докинга исследуемой молекулы со специфическим рецептором. Следует отметить влияние внутримолекулярных водородных связей на геометрию глипролино-вой дипептидной молекулы С1у-Рго. Так, наблюда-

Таблица 3. Значения валентных углов в оптимизированных структурах глипролина Рго-С1у

Валентные углы В развернутой структуре, град. В свернутой структуре, град. Из эксперим. данных, град. [35, 36] Валентные углы В развернутой структуре, град. В свернутой структуре, град. Из эксперим. данных, град. [35, 36]

Н2С1Н3 108.4 108.0 108.1 Н14С13С16 106.5 106.5 109.7

Н2С1Н4 109.8 109.4 108.1 Н15С13С16 106.5 106.3 109.7

Н2С1СБ 112.3 112.8 113.0 С13С16О17 122.6 123.0 120.5

Н3С1Н4 108.5 108.2 108.1 С13С16О18 114.3 114.2 115.0

Н3С1СБ 110.4 111.2 111.3 О17С16О18 122.9 122.8 120.5

Н4С1СБ 107.4 107.1 107.2 С16 О18Н19 108.6 106.4 111.0

С1СвОб 119.9 119.7 120.5 ^С2оН21 109.6 109.0 109.6

ClC5N7 117.7 117.3 115.0 ^С2оН22 111.4 110.8 109.6

ОаС5^ 122.4 123.0 122.0 ^С2оС23 103.2 103.6 104.0

C5N7C8 126.0 129.8 126.0 Н21С20Н22 108.5 108.6 109.0

CБN7C20 123.9 121.1 122.0 Н21С20С23 111.3 111.6 109.0

C8N7C20 108.7 109.1 126.0 Н22С20С23 112.8 113.1 109.0

N7C8C9 128.8 132.7 113.0 С20С23Н24 112.2 112.0 109.6

^С8С26 108.8 109.1 111.4 С20С23Н25 109.5 109.7 109.6

С9С8С26 117.9 116.8 113.0 С20С23С26 103.2 103.0 109.6

С8 С9 О10 117.4 116.7 120.5 Н24С23Н25 108.1 108.1 108.0

С8С9Щ1 120.7 121.1 115.0 Н24С23С26 113.1 113.4 111.4

ОloC9Nll 121.9 122.2 120.5 Н25С23С26 110.6 110.5 110.8

C9NllCl2 116.6 117.7 116.0 С8С26С23 103.8 104.2 106.6

C9NllClз 118.8 120.9 126.0 С8С26Н27 111.5 111.3 110.8

Hl2NllClз 118.5 121.2 115.0 С8С26Н28 109.8 109.8 110.8

Щ1С13Н14 110.7 110.7 111.0 С23С26Н27 113.5 113.9 113.0

NllClзHl5 108.5 108.8 111.0 С23С26Н28 111.7 111.8 113.0

NllClзCl6 116.5 116.3 116.0 Н27С26Н28 106.7 105.7 109.0

Н14С13Н15 107.7 107.7 109.0

Таблица 4. Значения двугранных углов оптимизированных структур глипролина Рго-С1у

Двугранные углы Значения, град.

Развернутая структура Свернутая структура

ЩС5^С8 ш Рго -177.7 175.9

С5^С8С9 V Рго -50.0 -24.1

^С8С9^1 ф Рго 18.1 13.7

С8С9Щ1С13 ш С1у 177.2 -177.5

С9^1С13Щ6 V С1у -69.6 99.8

Щ1С13С16О18 Ф С1у -17.3 -9.4

ется наличие сильной водородной связи Об ... Н12 (1.75 А) и системы слабых водородных связей О10 ... Н27 (2.64 А), О10 ... Н28 (2.74 А), Н15 ... О10 (2.35 А) в свернутой структуре глипролинового ди-пептида. В развернутой структуре формируются также сильная водородная связь Об ... Н12 (1.90 А) и слабые водородные связи О10... Н28 (2.65 А), О10 ... Н14 (2.58 А), N7 ... Н12 (2.84 А).

2.3. Молекулярный электростатический потенциал и атомные заряды молекулы глипролина Рго—С1у

Поверхность молекулярного электростатического потенциала (МЭП) для двух исследованных характерных структур глипролина Рго-С1у была получена также из расчетов БЕТ/Б3ЬУР/6-31+С(а,р) и визуализирована с помощью программы GaussView на рис. 2.

..........__6.cafe-2

а

Рис. 2. Молекулярный электростатический потенциал структур глипролина Pro-Gly

Наиболее нуклеофильные области (отрицательный электростатический потенциал) показаны красным цветом, а наиболее электрофильные области (положительный электростатический потенциал) — синим цветом.

Как видно из представленных карт, области с наибольшим отрицательным потенциалом локализованы на атомах кислородов Ою и 017 карбонильных групп молекулы: можно предположить, что эти участки способны участвовать в электростатических взаимодействиях с положительно заряженными остатками рецептора. Области с наибольшим положительным потенциалом расположены на во-дородах метильной группы N-концевой части цепи молекулы и двух метиленовых групп пирролидина, к тому же в свернутой структуре наибольший положительный потенциал наблюдается на водороде H19 С-концевой карбоксильной группы. Эти участки молекулы могут играть важную роль в образовании водородных связей с электроотрицательными аминокислотными остатками рецептора. Они представляют интерес для выявления биологической активности молекулы Pro-Gly.

Выявлено, что распределение электронной плотности влияет на заряды атомов глипролина, которые были рассчитаны в приближении Миллике-на [37]. Как видно из табл. 5, атом N7 в боковой цепи пролина и N11 амидной группы основной цепи глицина, атомы О10 карбонильной группы основной цепи пролина, атомы 017 и Ois C-конце-вой карбоксильной группы, атомы C20, C23 и C26 пирролидинового кольца имеют большой отрицательный заряд; атом Ca пролина, атом C-конце-вой карбоксильной группы имеют большой положительный заряд. Выявленные участки могут быть донорами и акцепторами для возможных взаимодействий с активными остатками рецептора.

Следует отметить, что заряды на атомах в свернутой и развернутой структурах глипролиновой дипептидной молекулы заметно различаются. Как видно из представленных данных, сворачивание пептидной цепи молекулы приводит к значительному смещению положительного заряда в сторону

б

для оптимизированных развернутой

атомов С1, Сд, С16, С2о, С23, Н19, Н12 с сопутствующим заметным смещением отрицательного заряда в сторону атомов О6, N7, С5, С8, М11, 017, 018, Н15.

2.4. Электронные параметры и молекулярные свойства глипролина Рго—С1у

Электронные параметры и физические величины, характеризующие молекулярные свойства гли-пролина, были получены из расчетов методом БЕТ и представлены в табл. 6. Известно, что граничные молекулярные орбитали играют важную роль в электрических и оптических свойствах, а также в химических реакциях. Энергии высшей заселенной молекулярной орбитали (ВЗМО) и низшей вакантной молекулярной орбитали (НВМО) используются для выяснения информации о переносе заряда внутри молекулы. На рис. 3 представлены распределения плотности граничных молекулярных орбиталей молекулы глипролина Рго-С1у.

ВЗМО и НВМО являются орбиталями, участвующими в химической реакционной способности, поскольку они наиболее доступны для электрофилов и нуклеофилов соответственно. ВЗМО представляет собой способность отдавать электрон, а НВМО действует как акцептор электронов. Молекулярные свойства, описывающие глобальную реакционную способность, локальную селективность исследуемой молекулы, такие как потенциал ионизации I (-Евзмо), сродство к электрону А (-ЕНвмо) могут быть оценены из значений энергии ВЗМО и НВ-МО, основываясь на теореме Купманса [38-40]. Разность энергий между ВЗМО и НВМО орбиталя-ми является важным свидетельством стабильности структуры и может быть использована для прогнозирования прочности и устойчивости молекулы. Как видно из табл. 6, свернутая структура глипро-лина имеет сравнительно большее значение энергетической щели (ДЕ) как для а-орбитали, так и для в-орбитали по сравнению с развернутой структурой. Тут же приведены значения полного диполь-ного момента и поляризуемости молекулы. Отме-

Таблица 5. Атомные заряды в оптимизированных структурах глипролина Рго-С1у

Атом Заряд

Развернутая структура Свернутая структура

С1 -0.491 Н15 0.216 С1 -0.293 Н15 0.166

Н2 0.168 С16 0.494 Н2 0.152 С16 0.588

Нз 0.176 О17 -0.457 Н3 0.159 О17 -0.542

Н4 0.191 О18 -0.455 Н4 0.185 О18 -0.574

С5 0.570 Н19 0.394 С5 0.483 Н19 0.411

Об -0.507 С20 -0.166 Об -0.604 С20 -0.157

N7 -0.114 Н21 0.163 N7 -0.245 Н21 0.139

С8 0.374 Н22 0.149 С8 0.297 Н22 0.132

Сд -0.222 С23 -0.379 Сд -0.162 С23 -0.140

О10 -0.568 Н24 0.154 О10 -0.595 Н24 0.143

N11 -0.305 Н25 0.163 N11 -0.400 Н25 0.143

Н12 0.373 С26 -0.269 Н12 0.405 С26 -0.251

С13 -0.039 Н27 0.185 С13 -0.032 Н27 0.167

Н14 0.174 Н28 0.180 Н14 0.191 Н28 0.168

Таблица 6. Электронные параметры оптимизированных структур глипролина Рго-С1у

Физические Развернутая Свернутая

величины структура структура

Электронная энергия, эВ -20593.667 -20714.527

ЕВЗМО орбитали, эВ -11.944 -5.266

ЕНВМО а-орбитали, эВ -8.926 -0.588

ДЕ а-орбитали, эВ 3.017 4.678

ЕВЗМО орбитали, эВ -11.349 -6.675

ЕНВМО в-орбитали, эВ -10.306 -2.662

ДЕ в-орбитали, эВ 1.043 4.013

Дипольный момент, Дебай 7.814 7.690

Поляризуемость 3143.640 3756.721

Таблица 7. Сравнение энергии связывания глипролина Рго-С1у с гепарином

Мод Аффинность, Отклонения от наилучшего мода, А

ккал/моль Нижняя граница среднеквадратичного отклонения, тшвб 1.Ь. Верхняя граница среднеквадратичного отклонения, тшвб и.Ь.

1 -4.0 0.000 0.000

2 -3.9 2.021 4.673

3 -3.9 2.601 5.583

4 -3.8 2.264 5.009

5 -3.7 2.229 4.701

6 -3.7 1.623 3.040

7 -3.6 1.952 2.433

8 -3.5 2.545 5.156

9 -3.5 2.520 5.020

Рис. 3. Молекулярные ВЗМО и НВМО а-орбитали для оптимизированных развернутой (а) и свернутой (б) структур глипролина Рго-С1у

тим, что перераспределение атомных зарядов в результате сворачивания пептидной цепи отразилось на заметном увеличении поляризуемости молекулы с сопутствующим уменьшением дипольного момента. Рассчитанные физические величины указывают на то, что свернутая структура соответствует более устойчивому состоянию исследованной молекулы, чем развернутая.

3. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДОКИНГ

3.1. Молекулярный докинг глипролина Рго—С1у с гепарином

Гепарин состоит из повторяющихся звеньев, которые построены из остатков уроновых кислот (Б-глюкуроновой или Ь-идуроновой) и суль-фатированных и ацетилированных аминосахаров (Х-ацетилглюкозамина и Х-ацетилгалактозамина). Благодаря наличию значительного количества отрицательно заряженных сульфатных и карбоксильных групп молекула гепарина представляет собой сильный природный полианион, способный к образованию комплексов со многими белковыми и синтетическими соединениями поликатионной природы, несущими суммарный положительный заряд.

Для проведения молекулярного докинга была взята структура гепарина dp36 (где dp означает степень полимеризации), определенная с помощью комбинации аналитического ультрацентрифугирования, синхротронного рентгеновского рассеяния в растворах и ограниченного моделирования (http://www.rcsb.org, РБВ 1Б: 31ИЬ) [41]. В указанной работе установлено, что гепарин в растворе имеет полужесткую и растянутую конформа-цию, которая предварительно сформирована для его оптимального связывания с белковыми мишенями без значительных конформационных изменений. Для моделирования докинга были взяты и подготовлены к стыковке оптимизированные методом БЕТ/В3ЬУР/6-31+С^,р) структуры дипеп-тида Рго-С1у. В табл. 7 представлены параметры девяти поз лиганда в минимизированной структуре комплекса с гепарином. Рассчитанные энергия связывания и среднеквадратичные значения откло-

нений (rmsd) позволяют сделать вывод, что гли-пролин Рго-С1у является потенциально селективным лигандом для гепарина. Было показано, что в сравнении с развернутой свернутая структура дает более высокое значение аффинности связывания (-4.0 ккал/моль), расположившись в небольшом изгибе в полужесткой структуре гепарина (рис. 4).

Выявлено, что структура самого лиганда претерпевает лишь незначительное смещение от своего исходного положения и каких-либо значительных кон-формационных изменений не наблюдается. Установлено, что сильная внутримолекулярная водородная связь Об ... Н12, стабилизирующая структуру исследуемого дипептида, сохраняется в процессе минимизации при комплексообразовании, в то время как происходит разрыв слабых водородных связей с последующим формированием межмолекулярных электростатических контактов и водородных связей с остатками уроновых кислот и аминосахара-ми. На представленном рисунке наиболее важные контакты показаны пунктирными линями, а их значения даны в А.

3.2. Молекулярный докинг глипролина Рго—С1у с белковым комплексом антитромбин—гепарин

Известно, что антитромбин неактивен в качестве ингибитора коагуляционных протеаз до тех пор, пока он не связывается с боковыми цепями гепара-на, которые выстилают микроциркуляторное русло. Связывание специфически происходит с основным пентасахаридом, присутствующим как в гепа-ранах, так и в их терапевтическом производном гепарине. Сопутствующее конформационное изменение антитромбина проявляется в структуре 2.9 А димера латентного и активного антитромбинов, каждый из которых находится в комплексе с высокоаффинным пентасахаридом [42]. Ингибирующая активация возникает в результате сдвига основного слоя молекулы от частично шестицепочечной к пятицепочечной форме с экструзией петли реактивного центра для придания более открытой ориентации. Происходит наклон и удлинение спирали Б с образованием двухвитковой спирали Р между

Рис. 4. Минимизированная структура комплекса глипролин Рго-С1у — гепарин. Остатки лиганда показаны пурпурным цветом, остатки гепарина окрашены по цветам составляющих элементов

Таблица 8. Сравнение энергии связывания глипролина Рго-С1у с белковым комплексом антитромбин-гепарин

Мод Аффинность, Отклонения от наилучшего мода, А

ккал/моль Нижняя граница среднеквадратичного отклонения, тш8й 1.Ь. Верхняя граница среднеквадратичного отклонения, тшвб и.Ь.

1 -4.1 0.000 0.000

2 -3.9 7.977 8.841

3 -3.8 2.074 2.775

4 -3.6 1.849 2.538

5 -3.6 2.338 5.690

6 -3.6 1.458 2.773

7 -3.6 3.750 5.767

8 -3.4 7.520 8.710

9 -3.4 2.444 5.211

спиралями С и Б. Сопутствующие информационные изменения в месте связывания гепарина объясняют как начальное прочное связывание антитромбина с гепаранами, так и последующее высвобождение комплекса антитромбин-протеаза в кровоток. Установлено, что гепариновый пентасахарид связывается водородными связями своих сульфатов и карбоксилатов с А^129 и Ьув125 в Б-спира-ли, с А^46 и А^47 в А-спирали, с Ьув114 и С1и113 в Р-спирали и к Ьув11 и А^13 в щели, образованной амино-концом. Это четкое определение сайта связывания обеспечило структурную основу для проведения нами молекулярного докинга исследованного лиганда глипролин Рго-С1у с белковым комплексом антитромбин-гепарин, трехмерная кристаллическая 3Б-структура которого была взята из банка данных белков (http://www.rcsb.org. РБВ 1Б: 1А2Х) [42]. Молекулы воды были удалены и рецептор был подготовлен для стыковки путем добавления только полярных водородов. Заряды атомов рецептора были рассчитаны по Коллману [43]. Оптимизированные методом БЕТ/В3ЬУР/6-31+С^, р) развернутая и свернутая структуры дипептида Рго-С1у были подготовлены к стыковке для проведении докинга в газовой фазе. Парциальные за-

ряды лиганда Рго-С1у рассчитывали по методу Гастейгера [44].

В табл. 8 представлены параметры девяти поз лиганда в минимизированной структуре комплекса с антитромбин-гепарином. Рассчитанные энергия связывания и среднеквадратичные значения отклонений (rmsd) позволяют сделать вывод, что глипролин Рго-С1у является потенциально селективным лигандом для выбранного белкового комплекса антитромбин-гепарин. Показано, что свернутая структура лиганда, как и в комплексе с гепарином, демонстрирует более высокое значение аффинности (-4.1 ккал/моль), хорошо дополняет расщелину на поверхности рецептора и эффективно взаимодействует с остатками как уроновых кислот и аминосахаров гепарина, так и с аминокислотными остатками антитромбина. Отметим, что при хорошем связывании лиганда и рецептора, являющихся пептидными молекулами, значение энергии связывания бывает —6—7 ккал/моль, а то и ниже. Поскольку в наших исследованиях в молекулярном до-кинге участвует гепарин, не имеющий пептидную природу, состоящий из остатков уроновых кислот и аминосахаров, энергия связывания исследуемого дипептида в рассмотренных комплексах имеет

Рис. 5. Докинг глипролина Рго-С1у с белковым комплексом антитромбин-гепарин. Остатки лиганда показаны пурпурным цветом, цепь белка показана зеленым цветом, а его остатки, которые контактируют с лигандом и гепарином (на расстоянии < 5 А), а также остатки самого гепарина окрашены по цветам составляющих элементов

Рис. 6. Визуализация лиганд-рецепторных взаимодействий на 2Б-диаграмме

не очень высокое абсолютное значение

На рис. 5 показаны наиболее важные контакты лиганда Рго-С1у как с гепарином, так и с антитромбином.

Чтобы выявить стабильность исследованного комплекса, были проанализированы важные межмолекулярные контакты. Мы обнаружили, что ли-ганд связывается с рецептором посредством непо-

лярных, полярных, ионных контактов и водородных связей. Наиболее важные контакты показаны пунктирными линиями на рис. 5, а их значения даны в А. Выявлено, что остатки 11е40, Рго41, С1и42, А1а43, №г44 А-спирали антитромбина важны для связывания с лигандом Рго-С1у, и эти остатки, вероятно, влияют на формирование биологически активной конформации антитромбина и устойчивость всего комплекса. На рис. 6 представле-

на 2Б-диаграмма лиганд-рецепторных взаимодействий. Отметим, что наиболее важные контакты на рис. 4-6 обозначены пунктирными линиями. Карбонильная группа N концевой части молекулы ли-ганда, атомы O и H С-концевой карбоксильной группы, амидная группа NH основной цепи остатка Gly молекулы, а также пирролидиновое кольцо остатка Pro лиганда позиционируются для участия в невалентных, электростатических взаимодействиях и водородных связях с указанными выше остатками рецептора.

Рассчитаны расстояния между фармакофорны-ми участками лиганда и взаимодействующими с ними остатками активного центра рецептора. Мети-леновые группы пирролидина боковой цепи проли-нового остатка участвуют в полярных взаимодействиях с двумя кислородами концевой сульфатной группы гепарина на расстоянии 3.7 А и 4.0 A; более того, данный участок лиганда наиболее активно вовлечен в межмолекулярное п-стекинг взаимодействия с Pro41 (4.1 A) A-спирали антитромбина. В свою очередь указанный остаток рецептора участвует в п-стекинг взаимодействиях с удаленным по цепи остатком Pro416 D-спирали этого белка. Отметим, что между H атомом C-концевой карбоксильной группы лиганда и кислородом основной цепи остатка Pro41 рецептора наблюдается водородная связь. Третий кислород концевой сульфатной группы гепарина взаимодействует с атомами амид-ной группы основной цепи лиганда на расстоянии 2.9 A и 3.0 А. Водороды метиленовой группы основной цепи лиганда взаимодействуют с кислоро-дами основной цепи остатков Glu42, на расстоянии 3.5 A и 3.1 А. Выявлено, что остаток Ala43 участвует в обширных неполярных контактах с остатком Gly лиганда, а также с сахарными кольцами гепарина. Между кислородами концевой карбоксильной группы, а также карбонильной группы, предшествующей в цепи остатку пролина, и водородом амидной группы основной цепи остатка Ala43 формируются водородные связи на расстоянии 3.8 A и 2.3 А. С-концевая карбоксильная группа СООН молекулы лиганда находится в центре сети полярных и неполярных контактов. Данный участок ли-ганда участвует в эффективных взаимодействиях с остатками Ile40 и Thr44 рецептора. Показано, что расстояния между ближайшими атомами СООН группы лиганда и атомами боковых цепей остатков Ile40 и Thr44 составляют 3.9 и 4.1 A соответственно. Остатки D-глюкуроновой или L-идуроно-вой кислот и аминосахаров участвуют в межмолекулярных ионных и полярных контактах, образуя солевой мостик и водородные связи с гуанидиновой группой остатков Arg129, Arg132 и с аминогруппой алифатической боковой цепи остатка Lys133 D-спи-рали антитромбина. Наши расчеты показали, что остатки Glu113 и Lys114 Р-спирали белка не являются важными для лиганд-рецепторных взаимодействий, но они стабилизируют положения других остатков рецептора, которые важны для межмолекулярных взаимодействий. Так, указанные остатки

участвуют в ионных контактах с удаленными по цепи противоположно заряженными остатками, а также взаимодействуют с гепарином. Как видно из представленных результатов, комплекс демонстрирует идеальную комплементарность между фарма-кофорными группами глипролина и аминокислотными остатками антитромбина, а также остатками гепарина, предположительно важными для лиганд-рецепторных взаимодействий. Полученные данные позволяют оценить свернутую структуру глипроли-на как биоактивную конформацию для проявления важных физиологичеких функций.

4. ФАРМАКОФОРНАЯ МОДЕЛЬ ГЛИПРОЛИНА РИО-ОЬУ ДЛЯ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С БЕЛКОВЫМ КОМПЛЕКСОМ АНТИТРОМБИН-ГЕПАРИН

На основании полученных данных была предложена модель фармакофора глипролина Рго-С1у для его взаимодействия со специфическим рецептором — с белковым комплексом антитромбин-гепарин (рис. 7).

Рис. 7. Предлагаемый фармакофор глипролина Pro-Gly для его взаимодействия с белковым комплексом антитромбин-гепарин

Данный фармакофор содержит пять фрагментов. Фармакофорный фрагмент 1 представляет собой метильную группу, которая может участвовать в ионных контактах и формировать Н-свя-зи с отрицательно заряженными остатками гепарина и артитромбина. Фармакофорный фрагмент 2 представляет собой карбонильную группу, которая способна формировать ионные контакты с положительно заряженными участками активного центра рецептора. Фармакофорный фрагмент 3 представляет собой пирролидиновое кольцо остатка Pro, которое способно участвовать в неполярных взаимодействиях с остатками рецептора. Фармакофорный

фрагмент 4 представляет собой амидную группу, которая может участвовать в ионных контактах и формировать Н-связи с отрицательно заряженными аминокислотными остатками как гепарина, так и антитромбина. Фармакофорный фрагмент 5 — карбоксильная группа С-концевой части этой молекулы, которая может участвовать в неполярных и полярных контактах с остатками антитромбина. Мы охарактеризовали взаимное расположение фар-макофорных фрагментов молекулы Рго-С1у по расстояниям между их центрами. В качестве центра фармакофорного фрагмента 1 был взят С-атом ме-тильной группы; центром фармакофорного фрагмента 2 был принят атом О карбонильной группы Х-концевой части молекулы, центром фармако-форного фрагмента 3 взят центр масс пирролиди-на боковой цепи пролина; центром фармакофорно-го фрагмента 4 был принят атом Н амидной группы основной цепи глицина; центром фармакофорного фрагмента 5 принят центр масс С-концевой карбоксильной группы молекулы.

Таким образом, предложенный фармакофор состоит из донорного и акцепторного центров для формирования водородных связей, пирролидиново-го кольца, а также катионных и анионных участков, участвующих во взаимодействии как с гепарином, так и антитромбином. Данная модель может быть использована для разработки эффективных аналогов глипролинов в комплексе с гепарином, ко-

торые являются более специфичными по отношению к их предполагаемой мишени — антитромбину.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем исследовании глипролин Рго-С1у был изучен с помощью молекулярной механики с последующими квантовохимическими расчетами методом БЕТ/В3ЬУР/6-31+С^,р) и молекулярным докингом. Была оценена и сравнена молекулярная геометрия оптимизированных структур ди-пептидной молекулы. Рассчитаны граничные молекулярные орбитали, изучена поверхность молекулярного электростатического потенциала, определены эффективные заряды на атомах глипролина, вычислены значения дипольного момента и поляризуемости. Выявлено, что оптимизированная свернутая структура исследованного дипептида демонстрирует высокое значение аффинности при связывании как с гепарином, так и с белковым комплексом антитромбин-гепарин. На основе полученных данных построена модель фармакофора молекулы Рго-С1у для ее взаимодействия со специфическим рецептором. Полученные данные создают основу для разработки эффективных антикоагулянт-ных и антитромботических препаратов медицинского назначения.

[1] Рогозинская Э.Я., Ляпина Л.А., Шубина Т.А., Мясоедов Н.Ф. и др. // Бюлл. эксп. биол.медицины. 169. 775. (2020).

[2] Хавинсон В.Х. // Клиническая медицина. 98, № 3. 165. (2020).

[3] Жуйкова О.Е. // Интегративная физиология. 1, № 4. 303. (2020).

[4] Григорьева М.Е., Ляпина Л.А. // Успехи физиологических наук. 51. № 2. 27. (2020).

[5] АшмаринИ.П., Ляпина Л.А., Андреева Л.А., Ульянов А.М. и др. // Тромбоз, гемостаз и реология. 2. 38. (2008).

[6] Samonina G., Ashmarin I., Lyapina L. // Pathophysiology. 8. 229. (2002).

[7] Myasoedov N.F., Lyapina L.A., Grigorjeva M.E. и др. // Pathophysiology. 23. 27. (2016).

[8] Смолина Т.Ю., Пасторова В.Е., Ляпина Л.А. // Тромбоз, гемостаз и реология. 2. 38. (2002).

[9] Ляпина Л.А., Пасторова В.Е., Смолина Т.Ю., Хо-менко Л.П. // Вестн. Моск. ун-та. Серия XVI, Биология. № 1. 3. (2003). https://eurekamag.com/ research/011/766/011766968.php

[10] Оберган Т.Ю. // Диссертация по теме «Глипроли-ны и их комплексные соединения с гепарином как физиологические модуляторы функции противо-свертывающей системы организма», (2004), 173 С.

[11] Hsu E., Moosavi L. // Biochemistry, Antithrombin III. [Updated 2021 Sep 13]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK545295/

[12] Olson S.T., Bj^rk I., Sheffer R., Craig P.A. et al. // J. Biol. Chem. 267, N 18. 12528. (1992).

[13] Whisstock J.C., Pike R.N. et al. // J. Mol. Biol. 301, N 5. 1287. (2000).

[14] Langdown J., Johnson D.J., Baglin T.P., Huntington J.A. // J. Biol. Chem. 279, N 45. 47288. (2004).

[15] Johnson D.J., Langdown J., Li W.,. Luis S.A. et al. // J. Biol. Chem. 281, N 46. 35478. (2006).

[16] Han H., Yang L., Liu R. et al. // Clin. Chem. Lab. Med. (2020). pii:/j/cclm.ahead-of-print/ cclm-2020-0188/cclm-2020-0188.xml.

[17] Попов Е.М. // Проблема белка Том 3. Структурная организация белков. М.: Наука, 1997. http: //booksshare.net/index.php?id1=4&category= biol&author=popov-em&book=1997&page=292

[18] Максумов И.С., Исмаилова Л.И., Годжаев Н.M. // Журнал структурной химии. 24. 147. (1983).

[19] Akhmedov N.A., Agayeva L.N., Akverdieva G.A. et al. // J. Chem. Soc. Pak. 43. 500. (2021). https: //jcsp.org.pk/

[20] Akhmedov N.А., Agayeva L.N., Akhmedova S.R. et al. // J. of Appl. Phys. (IOSR-JAP). 13. 62. (2021). www.iosrjournals.org.

[21] Агаева Л.Н., Абдинова А.А., Ахмедова С.Р., Ахмедов Н.А. // Биофизика. 66. 629. (2021).

[22] Kecel-Gunduz S, Bicak B, Celik S. et al. // J. of Mol. Struct. 1137. 756. (2017).

[23] IUPAC-IUB. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry // Blackwell Scientific, Oxford. 1993. https://old.iupac.org/publications/ books/gbook/green_book_2ed.pdf

[24] Godjayev N.M., Akyuz S., Akverdieva G.A. // J. Mol. Struct. 403. 95. (1997). https://doi.org/

[25] Frisch M.J, Trucks G.W., Schlegel H.B, Scuseria G.E. et al. // Gaussian 09, Revision D.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2013. https://gaussian.com/g09citation/

[26] Dennington R., Keith T.A., Millam J.M. // GaussView, Version 6.0, Semichem Inc., Shawnee Mission, KS, 2016. https://gaussian.com/ citation/

[27] Trott O, Olson A.J. // J. of Comput. Chem. 31. 455. (2010).

[28] DeLano W.L. // The PyMOL molecular graphics system. 2010. https://www.ccp4.ac. uk/newsletters/newsletter40/11_pymol.pdf

[29] Discovery Studio Visualization //[Internet].[cited2 Dec 2016]. http://accelrys.com/ products/collaborative-science/ biovia-discovery-studio/

visualization-download.php

[30] Akverdieva G.A., Godjayev N.M., Demukhame-dova S.D. // J. of Struct. Chem. 62. 1895. (2021).

[31] Ахвердиева Г.А., Демухамедова С.Д., Годжа-ев Н.М. // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 5. 101. (2020). https://www.sevsu.ru/images/nauka/pechat/ 2020/bbpc/Biol.Phys.Chem.2020.5(1).pdf

[32] Demukhamedova S.D., Hajiyev Z.I, Aliyeva I.N., Godjayev N.M. // Proceedings of the 6th International Conference on Control and Optimization with Industrial Applications, Baku, Azerbaijan. 11-13 July. 2018, P. 107-109. http://coia-conf.org/upload/ editor/files/C0IA_2018_V2.pdf

[33] Momany F.A., McGuire R.F., Burgess A.W., Sheraga H.A. // J. Phys. Chem. 79. 2361. (1975).

[34] Ponnusvany P.K., McGuire R.F., Scheraga H.A. // Int. J. Peptide Protein Res. 5. 73. (1973).

[35] Koetzle T.F., Hamilton W.C. // Acta Crystallogr. Sect. B. 28. 2083. (1972).

[36] Kartha G., Ashida T., Kakudo M. // Acta Crystallogr. Sect. B. 30. 1861. (1974).

[37] Mulliken R.S. //J. Chem. Phys. 23, N 10. 1833. (1955).

[38] Koopmans T.A. // Physica. 1. 104. (1934).

[39] Vasilescu D, Adrian-Scotto M. // Struct. Chem. 21. 1289. (2010). https://www.researchgate.net/ publication/230758655_148_

[40] Fukui K. // Science. 218. 747. (1982).

[41] Khan S, Gor J, Mulloy B, Perkins S.J. // J. Mol. Biol. 395. 504. (2010).

[42] Jin L., Abrahams J.P., Skinner R. et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94. 14683. (1997).

[43] Singh U.C., Kollman P.A. // J. Comp. Chem. 5. 129. (1984).

[44] Gasteiger J, Marsili M. // Tetrahedron. 36, N 22. 3219. (1980).

Molecular modelling of Pro-Gly glyproline and its complexes

L.I. Ismailova", G.A. Akverdieva6, S.D. Demukhamedovac, N.A. Akhmedovd

Institute for Physical Problems, Baku State University. Baku, AZ-1148, Azerbaijan E-mail: alara.ismailova.52@mail.ru, bhagverdigulnara@gmail.com, csvetlanabest@mail.ru, dNamiq.49@bk.ru

In the present work, Pro-Gly glyproline and its biologically active complexes with heparin and with the antithrombin-heparin protein complex have been studied using molecular modelling methods. This molecule is used as a drug and exhibits antithrombotic, anticoagulant immunomodulatory, antiulcer, and antidiabetic effects. The conformational profiles of the dipeptide were studied within the molecular mechanics framework, the geometry and energy of intra- and interresidual interactions were estimated for the most stable states of the investigated dipeptide. A comparative analysis of the extended and folded structures of this molecule optimized by the DFT/B3LYP/6-31+G(d,p) method was carried out, the frontier molecular orbitals were calculated, the surface of the molecular electrostatic potential was studied, the effective charges on the atoms were determined, and the dipole moment and polarizability values were calculated. Molecular docking revealed that the folded structure of Pro-Gly glyproline showed a higher affinity value for both heparin and the antithrombin-heparin protein complex. A model of the pharmacophore of the Pro-Gly molecule for its interaction with a specific receptor was proposed. The obtained data form the basis for the development of effective analogs of glyprolines in the complex with heparin, which are more specific concerning their putative target — antithrombin.

PACS: 87.15.By; 87.15.Kg

Keywords: glyproline Pro-Gly, molecular mechanics, DFT calculations, molecular docking, pharmacophore. Received 17 April 2023.

English version: Moscow University Physics Bulletin. 2023. 78, No. 5, pp. 668-680.

Сведения об авторах

1. Исмаилова Лариса Исмаил — доктор физических наук, гл. науч. сотрудник, доцент; е-mail: lara.ismailova.52@mail.ru.

2. Ахвердиева Гюльнара Ахмед — доктор физических наук, вед. науч. сотрудник, доцент; e-mail: hagverdigulnara@gmail.com.

3. Демухамедова Светлана Давидовна — канд. физ.-мат.наук, вед. научный сотрудник, доцент; e-mail: svetlanabest@mail.ru.

4. Ахмедов Намик Абдулаввал — доктор физ.-мат.наук, гл. науч. сотрудник, профессор; e-mail: Namiq.49@bk.ru.