Моделирование механизмов ферментативных реакций гидролиза комбинированными методами квантовой и молекулярной механики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.17, кандидат физико-математических наук Рогов, Александр Владимирович

• Рогов, Александр Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Рогов, Александр Владимирович

Введение.

Глава 1. Используемые методы молекулярного моделирования

1.1.Методы квантовой химии.

1.2.Комбинированный метод квантовой и молекулярной механики.

1.2.1. Метод потенциалов эффективных фрагментов.

1.2.2. Комбинированный метод квантовой и молекулярной механики на основе потенциалов эффективных фрагментов.

1.3.Метод молекулярного докинга.

Ы.Метод молекулярной динамики.

Глава 2. Моделирование реакции гидролиза пептидной связи трипсином

2.1.Экспериментальные сведения о реакциях с участием сериновых протеаз.

2.1.1. Строение активного центра сериновых протеаз.

2.1.2. Механизм реакции с участием сериновых протеаз.

2.1.3. Кинетика реакций с участием сериновых протеаз.

2.1.4. Инактивация и ингибирование фермента.

2.1.5. Оценки энергии активации в реакциях с участием сериновых протеаз.

2.2. Моделирование реакций гидролиза пептидной связи сериновыми протеазами.

2.3. Моделирование реакции методом КМ/ММ.

2.4. Результаты расчетов.

2.4.1. Моделирование реакции гидролиза с участием модели 1.

2.4.2. Моделирование реакции гидролиза с участием модели II.

2.4.3. Оценка влияния субстрата на активный центр фермента.

Глава 3. Моделирование реакции гидролиза метилтрифосфата в воде

3.1. Предпосылки к изучению реакции гидролиза метилтрифосфата в воде.

3.2. Выбор базиса для моделирования химических реакций с участием фосфатных групп.

3.3. Построение моделей.

3.4. Результаты расчетов.

3.4.1. Моделирование реакции с участием модели 1.

3.4.2. Моделирование реакции с участием модели II.

Глава 4. Моделирование реакций гидролиза трифосфатов в биологических системах

4.1. Особенности протекания реакции гидролиза АТФ в миозине.

4.1.1. Структура и свойства миозина.

4.1.2. Гидролиз аденозинтрифосфата.

4.2. Описание движения миозина вдоль актина с помощью кинетической модели.

4.3. Обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных реакции гидролиза АТФ.

4.4. Выбор модельной системы для реакции гидролиза АТФ.

4.5. Результаты расчетов.

4.6. Моделирование реакции гидролиза гуанозинтрифосфата в белке р21 ras.

4.6.1. Строение белка р21 ras.

4.6.2. Исследование механизмов гидролиза ГТФ в белках р21 ras и p21ras-GAP.

4.7. Методики моделирования реакции гидролиза ГТФ.

4.7.1. Методика молекулярного докинга.

4.7.2. Методика молекулярной динамики.

4.7.3. Построение КМ/ММ модели.

4.8. Результаты моделирования реакции гидролиза ГТФ.

4.8.1. Сравнение положения Gln61 в белках p21ras и p21ras-GAP.

4.8.2. Молекулярный докинг.

4.8.3. Молекулярная динамика.

4.8.4. Расчеты КМ/ММ.

4.8.5. Сравнение механизмов гидролиза ГТФ в белках р21 ras и p21ras-GAP.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование механизмов ферментативных реакций гидролиза комбинированными методами квантовой и молекулярной механики»

Возрастающий интерес к моделированию реакций, происходящих в живых системах, обусловливается потребностями био- и нанотехнологий. Наиболее перспективной группой методов моделирования реакций ферментативного катализа на данный момент можно считать гибридные методы квантовой и молекулярной механики (КМ/ММ). Анализ энергетических профилей химических реакций, построенных с использованием методов КМ/ММ, позволяет детализировать механизмы химических превращений с учетом реального белкового окружения или молекул растворителя. Согласно основной идее приближения КМ/ММ центральная реакционная часть системы описывается квантовохимическими методами, а оставшаяся часть - в рамках подходов молекулярной механики.

Данная работа посвящена изучению важнейших химических реакций гидролиза, происходящих в биологических системах, с помощью комбинированных методов квантовой и молекулярной механики. Для детального анализа выбраны: гидролиз пептидной связи трипсином, гидролиз аденозинтрифосфата (АТФ) белком миозином, а также гидролиз гуанозинтрифосфата (ГТФ), происходящий в белке p21ras.

Работа является актуальной, что обусловлено интересом к расчетам сечений поверхности потенциальной энергии для биохимических реакций, протекающих в сложном молекулярном окружении. В настоящее время становится возможным детально изучать важнейшие реакции гидролиза субстрата, проходящие в активном центре фермента, анализировать элементарные стадии этих реакций и обосновывать механизмы, предлагаемые по результатам экспериментальных исследований. Понимание процессов, происходящих внутри клетки на молекулярном уровне, позволит, в частности, усовершенствовать критерии поиска активных компонентов новых лекарственных веществ.

Цель работы

Целью работы являлось изучение механизмов важнейших биохимических реакций с помощью комбинированного метода квантовой и молекулярной механики на основе рассчитанных энергетических профилей реакций гидролиза рассматриваемых молекулярных систем.

В рамках заданной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать реакции гидролиза пептидной связи трипсином. Построить энергетическую диаграмму химической реакции.

2. Изучить реакцию гидролиза трифосфатов в водной среде, включая исследование влияния катиона Mg2+ на протекание реакции.

3. Моделирование реакции гидролиза аденозинтрифосфата в миозине. Построить профиль потенциальной энергии реакции и сравнить полученные результаты с результатами гидролиза метилтрифосфата в водной среде.

4. Изучить реакцию гидролиза гуанозинтрифосфата в белке p21ras. Построить профиль потенциальной энергии реакции и сравнить результаты с ранее полученными данными для реакции гидролиза ГТФ в белке p21ras-GAP.

Научная новизна результатов

1. Моделирование механизмов химических реакций с помощью метода КМ/ММ позволило получить детальную картину химических превращений в реакциях гидролиза субстратов. С помощью использованной методики возможно отслеживать пути перемещения протонов, локализовать стационарные точки на поверхности потенциальной энергии, определять энергетические характеристики на отдельных стадиях реакций гидролиза.

2. Показано, что реакция гидролиза пептидной связи трипсином протекает по однопротонному механизму. Использование расширенной модели субстрата, при учете взаимодействия между аминокислотными остатками субстрата Thrl l-GIyl2-Prol3-Cysl4-Lysl5-AIal6-Argl7-IIel8-IIel9 и аминокислотными остатками белка His40-Phe41-Cys92, Serl90-Cysl91-Glnl92-Glul93-Aspl94-Serl95, Ser214-Thp215-Gly216, позволило точно описать активный центр фермента. Рассчитанная энергия активации на первой стадии реакции не превысила 10 ккал/моль.

3. Впервые с помощью комбинированного метода квантовой и молекулярной механики проведено моделирование эффекта индуцированного соответствия. Показано, что только за счет сжатия активного центра при встраивании в него модельного субстрата может происходить снижение активационного барьера до 3 ккал/моль.

4. Впервые определено, что реакция гидролиза метилтрифосфата в водном окружении протекает по механизму нуклеофильного замещения второго порядка Sn2 в присутствии катиона Mg . В отсутствие Mg реакция протекает в две стадии с образованием интермедиата по механизму SnI. Энергетические барьеры, рассчитанные методом функционала плотности и теории возмущений второго порядка, не превышают 17 ккал/моль.

5. Результаты данной работы позволяют представить общую картину протекания реакций фосфорилирования в водном растворе и в присутствии белковой матрицы. Выявлена общая закономерность при рассмотрении реакций гидролиза АТФ и ГТФ в белках: белковая матрица способствует ослаблению гидролизуемой связи PY-Op, что приводит к снижению активационных барьеров рассматриваемых ферментативных реакций по сравнению с подобными барьерами, полученными для реакции гидролиза метилтрифосфата в воде.

6. Продемонстрирована практическая значимость комбинированного метода квантовой и молекулярной механики, основанного на теории потенциалов эффективных фрагментов: на примере различных биохимических реакций гидролиза, включая хорошо изученную экспериментально реакцию гидролиза пептидной связи трипсином и сложную реакцию гидролиза ГТФ белком p21ras. Эффективность метода подтверждается сравнением полученных результатов моделирования с результатами других теоретических исследований и с экспериментальными данными, накопленными по рассматриваемым системам. Это дает основание полагать, что метод может быть использован для определения механизмов других возможных реакций, протекающих в живых системах, и служить важнейшим источником данных о неизученных в настоящее время биохимических реакциях.

Практическая значимость данной работы заключается в том, что результаты данного исследования помогают детализировать механизм химической реакции и, следовательно, дают принципиальную возможность управлять ферментативными реакциями. В частности, понимание механизма реакции гидролиза субстрата трипсином облегчает создание новых ингибиторов и активаторов, а понимание механизма реакции гидролиза гуанозинтрифосфата в белке p21ras дает возможность влиять на процессы деления клеток. Результаты исследования могут быть использованы в разработке новых биологически активных соединений и лекарственных препаратов.

Апробация работы и публикации

Материалы диссертации были представлены на V Ежегодной международной молодежной конференции, Институт Биохимической физики РАН им. М.Н. Эмануэля (Москва, 2005), II Российской школе-конференции «Молекулярное моделирование в химии, биологии и медицине» (Саратов, 2004), Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва, 2004), Английской секции международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2004» (Москва, 2004), III Международной конференции по водородным связям и молекулярному взаимодействию (Киев, 2006), 8-й Школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А. Фока (Великий Новгород, 2004).

Результаты работы опубликованы в 12 печатных изданиях, в том числе в 6 тезисах докладов.

Заключение диссертации по теме «Математическая и квантовая химия», Рогов, Александр Владимирович

Выводы

1. Комбинированным методом квантовой и молекулярной механики с подвижными эффективными фрагментами построен энергетический профиль пути реакции гидролиза модельного субстрата в активном центре сериновых протеаз. Аминокислотные остатки субстрата Thrl 1-Glyl2-Prol3-Cysl4-Lysl5-Alal6-Argl7-Ilel8-Ilel9 и аминокислотные остатки белка His40-Phe41-Cys92, Serl90-Cysl91-Gln 192-Glu 193-Asp 194-Ser 195, Ser214-Thp215-Gly216 вносят основной вклад во взаимодействие субстрата с активным центром фермента. Методом КМ/ММ получена оценка энергии активации 9.6 ккал/моль для стадии ацилирования.

2. В соответствии с феноменологическим принципом индуцированного соответствия показано, что сжатие активного центра фермента трипсина при встраивании субстрата может способствовать снижению активационного барьера примерно на 3 ккал/моль.

3. По результатам КМ/ММ моделирования определено, что реакция гидролиза метилтрифосфата в водном окружении в присутствии катиона Mg протекает по

•у, механизму нуклеофильного замещения второго порядка Sn2. В отсутствие Mg реакция протекает в две стадии с образованием интермедиата по механизму SnI. Энергетические барьеры, рассчитанные методом функционала плотности и теории возмущений Меллера-Плессе второго порядка, не превышают 17 ккал/моль.

4. Методом КМ/ММ построен профиль пути реакции гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) в миозине. Предложен механизм каталитического действия миозина в реакции гидролиза АТФ с непосредственным участием солевого мостика Arg-Glu.

5. Построен энергетический профиль пути реакции гидролиза гуанозинтрифосфата (ГТФ) в белке р21 ras. Сопоставлены результаты, полученные для реакции гидролиза ГТФ, протекающей в белках р21 ras и p21ras-GAP.

6. Отмечены общие черты для реакций гидролиза АТФ и ГТФ в соответствующих белках: белковая матрица способствует ослаблению гидролизуемой связи Р-О, что приводит к снижению активационных барьеров рассматриваемых ферментативных реакций по сравнению с подобными барьерами, полученными для реакции гидролиза метилтрифосфата в воде.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Рогов, Александр Владимирович, 2006 год

1. GranovskyA. URL: httpV/lcc chem.msu ru/gran/gamess/index.html.

2. Day P.N.; Jensen J.H.; Gordon MS; Webb SP.; Stevens W J.; Krauss M.; Gamer D.; Basch H.; Cohen D. An effective fragment method for modeling solvent effects in quantum mechanical calculations // J.Chem.Phys., 1996, V. 105(5), pp. 1968-1986.

3. Gordon MS; Freitag MA.; Bandyopadhyay P.; Jensen J.H.; Kairys V.; Stevens W J. The Effective Fragment Potential Method: A QM-Based MM Approach to Modeling Environmental Effects in Chemistry // JPhys.Chem A, 2001, V. 105(2), pp. 293-307.

4. Singh U.C.; Kollman P.A. An Approach to Computing Electrostatic Charges for Molecules // J.Comput.Chem, 1984, V. 5, pp. 129-145.

5. Bakowies D.; Thiel W. Hybrid models for combined quantum mechanical and molecular mechanical approaches II J.Chem.Phys., 1996, V. 100, pp. 10580-10594.

6. Lavery R.; Etchebest C.; Pullman A. Calculation of the molecular electrostatic potential from a multipole expansion based on localized orbitals // Chem. Phys Lett., 1982, V. 85, pp. 266-270.

7. Stone A J.; Alderton M. Distributed Polarizabilities // Mol.Phys, 1985, V. 56, pp. 1065-1082.A

8. Warshel A., Levitt M. Theoretical Studies of Enzymic Reactions: Dielectric, Electrostatic and Steric Stabilization of the Carbonium Ion in the Reaction of Lysozyme // J. Mol. Biol, 1976, V. 103, pp. 227-249.

9. Боченкова A.B. Развитее комбинированных методов квантовой и молекулярной механики. дисс. на соиск. уч. ст. канд. физ.-мат. наук. - 2004.

10. Nemukhin A.V.; Grigorenko BL; Bochenokova A.V.; Topol I A.; Burt S K. A QM/MM approach with effective fragment potentials applied to the dipeptide-water structures // J.Mol Structure (Theochem), 2002, V. 581, pp. 167-175.

11. Chen W.; Gordon M.S. The effective fragment model for solvation: Internal rotation in form amide // J. Chem Phys., 1996, V. 105, pp. 11081-11089.1.?

12. Krauss M Effective fragment potentials and spectroscopy at enzyme active sites // Computers & Chemistry, 1995, V. 19, pp. 33-38.

13. Stevens W. REPGEN for Optimizing Effective Fragment Repulsive Potentials // CARB, 1991.

14. Ponder J.W., Richards FM An efficient Newton-Like method for molecular mechanics energy minimization of large molecules IIJ Comput.Chem, 1987, V. 8, pp. 1016-1023.

15. Brian KS; McGovernSL.; Binqing W.; Irwin J J. Lead discovery using molecular docking // Current Opinion in Chemical Biology, 2002, V. 6, pp. 439-446.

16. Hanessian S; MacKay В; Moitessier N. Design and synthesis of matrix metalloproteinase inhibitors guided by molecular modeling II J. Medicinal Chemistry, 2001, V. 44, pp. 3074-3082.

17. Contance J. J.; Koshland D.E. Three-dimensional structure of the serine receptor ligand-binding domain // Proteine Science, 1993, V. 2, pp. 559-566.

18. Беленикин M.C.; Маккиаруло А.; Константина Г.; Палюлин В А.; Пелличари Р.; Зефиров КС. Молекулярный докинг лигандов глутаматных рецепторов // Вестн. Моск. Ун-та, Сер.2. Химия, 2002, том 43, с. 221-230.

19. Шадрина М.С.; Рогов А.В.; Бравая КБ; Немухин А.В. Молекулярный докинг производных гуанозиннуклеотидов в ГТФ-связывающие белки // Вестн. Моск. Ун-та, Химия, 2005, том 46, №6, с. 363-369.

20. Henetyi С.; Spoel D Efficient docking of peptides to proteins without prior knowledge of the binding site // Protein Science, 2002, V. 11, pp. 1729-1737.

21. Duggleby HJ.; Tolley S P.; Hill C.P.; Dodson EJ. et al. Penicillin acylase has a single-amino-acid catalytic centre// Nature, 1995, V. 373, pp. 264-268.

22. Brannigan G; Dodson HJ.; Duggleby P.C.E.; Moody J.L. et al. A protein catalytic framework with an N-terminal nucleophile is capable of self-activation // Nature, 1995, V. 378, pp. 416-419.

23. Hedstrom L Serine Protease Mechanism and Specificity. // Chem. Rev., 2002, V. 102, pp. 4501-4523.1. J f\

24. QiuX; Padmanabhan K. P.; Carperos V. E.; TulinskyA. et al. Structure of the Hurolog 3-Thrombin Complex and Nature of the S' Subsites of Substrates and Inhibitors // Biochemistry, 1992, V.31,pp. 11689-111697.

25. Zerner В.; BondR.P.M.; Bender ML Kinetic Evidence for the Formation of Acyl-Enzyme Intermediates in the a-Chymotrypsin-Catalyzed Hydrolyses of Specific Substrates //

26. J Am. С hem Soc., 1964, V. 86, pp. 3674-3679.

27. Kraut J. Serine Proteases: Structure and Mechanism of Catalysis II Ann Rev Biochem ,1977, V. 46, pp. 331-358.

28. DutlerH; Bizzozero SA Mechanism of the Serine Protease Reaction. Stereoelectronic, Structural, and Kinetic Considerations as Guidelines to Deduce Reaction Paths // Acc Chem to., 1992, V. 22, pp. 322-327.

29. Птицын О. Б; Финкелыитейн А.В. Физика белка. Курс лекций (2-е издание), кн. дом "Университет ", 2002.

30. Warshel A.; Naray-Szabo G.; Sussman F.; Hwang J.-К How Do Serine Proteases Really Work? II Biochemistry, 1989, V. 28, pp. 3629-3637.

31. Robillard G.; Schulman R.G. High resolution nuclear magnetic resonance studies of the active site of chymotrypsin : II. Polarization of histidine 57 by substrate analogues and competitive inhibitors // J.Mol.Biol., 1974, V. 86, pp. 541-558.

32. Liang Т.; Abeles R.H Complex of .alpha.-chymotrypsin and N-acetyl-L-leucyl-L-phenylalanyl trifluoromethyl ketone: structural studies with NMR spectroscopy // Biochemistry, 1987, V. 26, pp. 7603-7608.

33. Bender M.L.; Clement G.E.; Gunter C.R.; Kezdy F.K The Kinetics of a-Chymotrypsin Reactions in the Presence of Added Nucleophiles // J Am Chem Soc, 1964, V. 86, pp. 36973703.

34. ParkH; Chi Y.M. The enhancement of electrostriction caused by lowering the solvent dielectric constant leads to the decrease of activation energy in trypsin catalysis // Biochimica et Biophysica Acta, 2001, V. 1568, pp. 53-59.

35. Ziding Zhang; Zhimin He; Guoqiang Guan Thermal stability and thermodynamic analysis of native and methoxypolyethylene glycol modified trypsin // Biotechnology Techniques, 1999, V. 13, pp. 781-786.

36. Warshel A.; Russell S Theoretical correlation of structure and energetics in the catalytic reaction of trypsin IIJ Am.Chem Soc., 1986, V. 108, pp. 6569-6579.

37. Daggett V.; Schroder S; Kollman P. Catalytic Pathway of Serine Proteases: Classical and Quantum Mechanical Calculations IIJ Am. Chem Soc, 1991, V. 113, pp. 8926-8935.

38. Stanton R. V.; Perakyla M.; Bakowies D.; Kollman P.A. Combined ab initio and Free Energy Calculations To Study Reactions in Enzymes and Solution: Amide Hydrolysis in Trypsin and Aqueous Solution l/J.Am.Chem Soc., 1998, V. 120, pp. 3448-3457.

39. Chcmdrasekhar J.; Jorgensen W.L. Energy profile for a nonconcerted SN2 reaction in solution HJ.Am Chem.Soc., 1985, V. 107, pp. 2974-2975.

40. Chcmdrasekhar J.; Smith S.F.; Jorgensen W.L Theoretical examination of the SN2 reaction involving chloride ion and methyl chloride in the gas phase and aqueous solution //

41. J.Am Chem Soc., 1985, V. 107, pp. 154-162.

42. Sun Y.; Kollman P. Determination of solvation free energy using molecular dynamics with solute Cartesian mapping: An application to the solvation of 18-crown-6 II J.Chem Phys, 1992, V. 97, pp. 5108-5112.

43. Perakyla M.; Kollman Р.Л. Why Does Trypsin Cleave BPTI so Slowly? IIJ Am Chem Soc, 2000, V. 122, pp. 3436-3444.

44. StrajblM; Florian J.; Warshel A. Ab Initio Evaluation of the Potential Surface for General Base- Catalyzed Methanolysis of Formamide: A Reference Solution Reaction for Studies of Serine Proteases HJ.Am.Chem Soc., 2000, V. 122, pp. 5354-5366.

45. TopfM; Varnai P.; Richards W.G. Quantum mechanical/molecular mechanical study of three stationary points along the deacylation step of the catalytic mechanism of elastase // Theor.Chem.Acc., 2001, V. 106, pp. 146-151.

46. TopfM.; Varnai P.; Richards W.G. Ab Initio QM/MM Dynamics Simulation of the Tetrahedral Intermediate of Serine Proteases: Insights into the Active Site Hydrogen-Bonding Network HJ.Am.Chem Soc, 2002, V. 124, pp. 14780-14788.

47. Schroder S; Daggett V.; Kollman P A Comparison of the AMI and PM3 Semiempirical Models for Evaluating Model Compounds Relevant to Catalysis by Serine Proteases II J. Am Chem. Soc, 1991, V. 113, pp. 8922-8925.

48. Nemukhin A. V.; Topol LA.; Burt S К Energy Profiles for the Rate-Limiting Stage of the Serine Protease Prototype Reaction // Int. J. Quant. Chem., 2002, V. 88, pp. 34-40.

49. Marquart M.; Walter J.; Deisenhofer J.; Bode W.; Huber R. The geometry of the reactive site and of the peptide groups in trypsin, tripsinogen and its complexes with inhibitors // Acta Crystallogr., 1983, V. B39, pp. 480-490.

50. Jorgensen W.L; Maxwell D.S; Tirado-Rives J. Development and Testing of the OPLS All-Atom Force Field on Conformational Energetics and Properties of Organic Liquids // JAm.ChemSoc, 1996, V. 118, pp. 11225-11236.

51. KoshlandDE Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis I I Proc. Natl Acad Sci USA, 1958, V. 44, pp. 98-104.

52. Блюменфельд JI.A. Проблемы биологической физики // Наука, 1974, Москва.

53. Blumenfeld L А ; Tikhonov A.N. Biophysical Thermodynamics of Intracellular Process, Molecular Machines of the Living Cell I I Spinger-Verlag, 1994, New York.

54. Ching-Han Ни; Tore Brinck Theoretical Studies of the Hydrolysis of the Methyl Phosphate Anion HJ. Phys. Chem A, 1999, V. 103, pp. 5379-5386.

55. Bunton C. A.; Llewellyn D. R.; Oldham K. G; Vernon C. A. The reactions of organic phosphates. Part I. The hydrolysis of methyl dihydrogen phosphate // J. Chem Soc, 1958, pp. 3574-3587.

56. Butcher W. W.; Westheimer F. H. The Lanthanum Hydroxide Gel Promoted Hydrolysis of Phosphate Esters II J. Am. Chem. Soc., 1955, V. 77, pp. 2420-2424.

57. Jencks W. P. When is an intermediate not an intermediate? Enforced mechanisms of general acid-base, catalyzed, carbocation, carbanion, and ligand exchange reaction //Acc. Chem. Res, 1980, V. 13, pp. 161-169.

58. Herschlag D.; Jencks W. P. Nucleophiles of high reactivity in phosphoryl transfer reactions: .alpha.-effect compounds and fluoride ion//J. Am Chem. Soc., 1990, V. 112, pp. 1951-1956.

59. Keesee R G.; Castleman A. W. J. Hydration of monomelic metaphosphate anion in the gas phase //J. Am. Chem. Soc, 1989, V. Ill, pp. 9015-9018.

60. Westheimer F. H Monomelic metaphosphates // Chem. Rev, 1981, V. 81, pp. 313-326.

61. FlorianJ.; Warshel A Phosphate Ester Hydrolysis in Aqueous Solution: Associative versus Dissociative Mechanisms //J. Phys. Chem. B, 1998, V. 102, pp. 719-734.

62. Ma B.Y.; Xie Y. M; Shen M. Z; Schleyer P. V.; Schaefer H. F. //J. Am. Chem. Soc, 1993, V. 115, pp. 11169-11176.

63. Akola J.; Jones R. O. Density Functional Calculations of ATP Systems. 2. ATP Hydrolysis at the Active Site of Actin IIJ Phys. Chem. B, 2006, V. 110, pp. 8121-8129.

64. Ни С. H.; Т. Brinck Т. J. Theoretical Studies of the Hydrolysis of the Methyl Phosphate Anion //Phys. Chem. A, 1999, V. 103, pp. 5379-5388.

65. Wang Y. N.; Topol I. A ; Collins J. R; Burt S K. Theoretical Studies on the Hydrolysis of Mono-Phosphate and Tri-Phosphate in Gas Phase and Aqueous Solution // J. Am. Chem. Soc, 2003, V. 125, pp. 13265-13274.

66. Grigorenko B. L; RogovA. V.; NemukhinA. V. Mechanism of Triphosphate Hydrolysis in Aqueous Solution: QM/MM Simulations in Water Clusters II J. Phys Chem В., 2006, V. 110(9), pp. 4407-4412.

67. Библиотека базисов URL: http7/www.emsl.pnl.gov/forms/basisform html

68. Hay P. J.; Wadt W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for main group elements Na to Bi II J. Chem. Phys., 1985, V. 82, pp. 284-298.1. T)

69. Hay P. J.; Wadt W. R. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for К to Au including the outermost core orbitals II J. Chem Phys., 1985, V. 82, pp. 299-310.

70. Pacios LF.; Christiansen P. A. Ab initio relativistic effective potentials with spin-orbit operators. I. Li through ArIIJ. Chem Phys, 1985, V. 82, pp. 2664-2671.

71. Hodge Т.; Cope MJ. A myosin family tree II J. CellSci., 2000, V. 113, pp. 3353-3354.

72. Гусев Н.Б. Молекулярные механизмы мышечного сокращения // Соросовский образовательный журнал, 2000, том 6, №8, с. 24-32.

73. Левицкий Д.И.; Хайтлина С.Ю.; Гусев Н.Б. Белки и пептиды, Т.1 // Наука, 1995, Москва (под ред. Иванова В.Т., Липкина В.М.), с. 249-293.

74. Rayment /.; Rypniewski W.R.; Schmidt-Base К.; Smith R.; Tomchick D R.; Benning MM.; Winkelmann D.A.; Wesenberg G.; Holden H.M Three-dimensional structure of myosin subfragment-1: A molecular motor // Science, 1993, V. 261, pp. 50-58.7R

75. Поглазов Б Ф.; Левицкий Д.И. Миозин и биологическая подвижность // Наука, 1982, Москва, 162 с.

76. Тихонов А Н. Молекулярные основы биологической подвижности И Соросовский Образовательный Журнал, 1999, №6, с. 17-24.

77. Alberty R A. Thermodynamics of biochemical reactions I I John Wiley and Sons, 2003, Hoboken, NJ.1. A I

78. Alberty R A. Thermodynamics of the hydrolysis of adenosine triphosphate as a function oftemperature, pH, pMg, and ionic strength// J. Phys Chem. B, 2003, V. 107, pp. 12324-12330.ft?

79. Кольман Я.; Рем К.-Г. Наглядная биохимия // Мир, 2004, Москва.1. JJ1

80. Wei J.; Leyh Т. Conformational change rate-limits GTP hydrolysis: the mechanism of the ATP Sulfurylase-GTPase II Biochemistry, 1998, V. 37, pp. 17163-17169.

81. Yang M.; Leyh T.S. Altering the reaction coordinate of the ATP Sulfurylase-GTPase reaction // Biochemistry, 1997, V. 36, pp. 3270-3277.85

82. Сырцова Л А.; Тимофеева E А. Перенос электрона, сопряженный с гидролизом АТФ в нитрогеназе // Известия Академии наук, серия химическая, 2001, №10, с. 1706-1711.о/

83. Onishi Н; Mochizuki N.; Morales М. F. On the myosin catalysis of ATP hydrolysis // Biochemistry, 2004, V. 43, pp. 3757-3763.

84. Smith C.A.; Rayment I. X-ray structure of the magnesium(II).ADP.vanadate complex of the Dictyostelium discoideum myosin motor domain to 1.9 A resolution // Biochemistry, 1996, V. 35, pp. 5404-5417.

85. Bauer C.B.; Holden H. M.; Thoden J В.; Smith R.; Rayment I. X-ray structures of the apo and Mg-ATP-bound states of Dictyostelium discoideum myosin motor domain II J. Biol. Chem, 2000, V. 275, pp. 38494-38499.

86. Fisher A J.; Smith C.A.; Thoden J.B.; Smith R; Sutoh K; Holden H.M; Rayment I. X-ray structures of the myosin motor domain of Dictyostelium discoideum complexed with MgADP.BeFx and MgADP.AlF4- // Biochemistry, 1995, V. 34, pp. 8960-8972.

87. Smith C.A.; Rayment I. X-ray structure of the magnesium (II)ADP'vanadate complex of the Dyctyostelium discoideum myosin motor domain to 1.9 A resolution // Biochemistry, 1996, V. 35, pp. 5404-5417.

88. Ali M. Y.; Homma K; Iwane A.H.; Adachi K; Itoh H; Kinosita K. Jr.; Yanagida Т.; Ikebe M Unconstrained steps of myosin VI appear longest among known molecular motors // Biophys J., 2004, V. 86, pp. 3804-3810.

89. Wells A.L; Lin A. W.; Chen L Q; Safer D; Cain S M.; Hasson Т.; Carragher В О; Milligan R A.; Sweeney H.L Myosin VI is an actin-based motor that moves backwards // Nature, 1999, V. 401, pp. 505-508.

90. Rock R S; Rice S E.; Wells A.L.; Purcell TJ.; Spudich J.A.; Sweeney H.L Myosin VI is a processive motor with a large step size // PNAS, 2001, V. 98(24), pp. 13655-13659.

91. Altman D.; Sweeney H L; Spudich J.A. The mechanism of myosin VI translocation and its load-induced anchoring // Cell, 2004, V. 116, pp. 737-749.

92. KolomeiskyA В.; Fisher M.E. A simple kinetic model describes the processivity of myosin-V // Biophys. J., 2003, V. 84(3), pp. 1642-1650.

93. KolomeiskyA В; Widow B. A simplified ratchet model of molecular motors II J. Stat Phys, 1998, V. 93, pp. 633-645.

94. Fisher M.E.; Kolomeisky A.B. The force exerted by a molecular motor // Proc. Natl. Acad Sci., 1999, V. 96, pp. 6597-6602.

95. KolomeiskyA В; Stukalin E.B.; Popov A A. Understanding mechanochemical coupling in kinesins using first-time processes // Phys. Rev. E., 1999, V. 71(3), Art. No. 031902.

96. Robblee J P.; Olivares A.O.; De La Cruz E M. Mechanism of Nucleotide Binding to actomyosin VIII J. of Biol. Chem., 2004, V. 279(37), pp. 38608-38617.

97. De La Cruz E M.; Ostap E M.; Sweeney H.L. Kinetic mechanism and regulation of myosin VI II J. of Biol. Chem., 2001, V. 276(34), pp. 32373-32381.

98. Houdusse A.; Kalabokis V.N.; Himmel D; Szent-Gyorgyi A.G.; Cohen C. Atomic structure of scallop myosin subfragment SI complexed with MgADP: a novel conformation of the myosin head // Cell (Cambridge, Mass.), 1999, V. 97, pp. 459-470.

99. Li G.; Cui Q. Mechanochemical coupling in myosin: a theoretical analysis with molecular dynamics and combined QM/MM reaction path calculations // J. Phys. Chem. B, 2004, V. 108, pp. 3342-3357.

100. A kola J.; Jones R. O. ATP hydrolysis in water a density functional study 11 J. Phys. Chem B, 2003, V. 107, pp. 11774-11781.

101. Schwarzl S M.; Smith J.C.; Fischer S Insight into the chemomechanical coupling of the myosin motor from simulation of its ATP hydrolysis mechanism // Biochemistry, 2006,1. V. 45(18), pp. 5830-5847.

102. Miller D. L.; Westheimer F. H. The hydrolysis of y-phenylpropyl di- and triphosphates // JAm.Chem Soc., 1996, V. 88, pp. 1507-1511.

103. Bags haw C.R.; Trent ham D R.; Wolcott R; Boyer P. Oxygen exchange in the gamma-phosphoryl group of protein-bound ATP during Mg2+-dependent adenosine triphosphatase activity of myosin // Proc Natl Acad Set USA, 1975, V. 72(7), pp. 2592-2596.

104. Admiraal S J.; Herschlag D. Mapping the transition state for ATP hydrolysis: Implications for enzymatic catalysis // Chem. Biol, 1995, V. 2, pp. 729-739.

105. Houdusse A.; Kalabokis V.N; Himmel D.; Szent-Gyorgyi A.G; Cohen С Atomic structure of scallop myosin subfragment S1 complexed with MgADP: a novel conformation of the myosin head // Cell (Cambridge,Mass.), 1999, V. 97, pp. 459-470.

106. TopolIA.; Cachau R E.; Nemukhin A.V; Grigorenko B.L.; Burt SК Quantum chemical modeling of the GTP hydrolysis by the RAS-GAP protein complex // Biochimica et Biophysica Acta, 2004, V. 1700, pp. 125- 136.

107. Bagshaw C.R; Trenthan D.R.; Wolcott R.G.; Boyer P D Oxygen exchange in the yл ,phosphoryl group of protein-bound ATP during Mg -dependent adenosine triphosphatase activity of myosin // Proc. Natl. Acad Sci. USA, 1975, V. 72, pp. 2592-2596.

108. Ditmar Furch M.S; Fujita-Becker S.; Greeves MA ; Holmes K.C; Manstein DJ. Role of the salt-bridge between switch-1 and switch-2 of Dictyostelium myosin // J Mol Biol., 1999, V. 290, pp. 797-809.

109. Lehninger A.L; Nelson D.L.; Cox MM. Principles of Biochemistry // Worth Publishers, 1993.

110. Scheffzek K.; Ahmadian M.R.; Kabsch W.; Wiesmuller L.; Lautwein A.; Schmitz F.; Wittinghofer A. The Ras-RasGAP complex: structural basis for GTPase activation and its loss in oncogenic ras mutations // Science, 1997, V. 277, pp. 333-338.

111. Resat H.; Straatsma T.P.; Dixon DA ; Miller J.H. The argentine finger of RasGAP helps

112. Gln-61 align the nucleophilic water in GAP-stimulated hydrolysis of GTP // PNAS, 2001,

113. V. 98(11), pp. 6033-6038. 110

114. Ma J.; Karplus M. Molecular switch in signal transduction: Reaction paths of the conformational changes in rasp21 // Biophysics, 1997, V. 94, pp. 11905-11910.

115. Protein Data Bank, URL http://www.rcsb org/pdb/

116. Chung H.-H.; Benson D.R.; Schultz P.G. Probing the structure and mechanism of Ras protein with an expanded genetic code II Science, 1993, V. 259, pp. 806-809.

117. Schweins Т.; Langen R; Warshel A. Why have mutagenesis studies not located the general base in ras p21? II Nat. Struct. Biol., 1994, V. 1, pp. 476-484.

118. SondekJ.; Lambright D G.; Noel J P.; Hamm H.E; Sigler P.B GTPase mechanism of G proteins from the 1.7 A crystal structure of transducin a-GDP-AlF/ // Nature, 1994, V. 372, pp. 276-279.

119. Schweins Т.; Warshel A. Mechanistic Analysis of the Observed Linear Free Energy Relationships in p21ras and Related Systems // Biochemistry, 1996, V. 35, pp. 14232-14243.

120. Mildvan A S Mechanisms of signaling and related enzymes // Proteins: Structure, Function, and Genetics, 1997, V. 29, pp. 401-416.

121. ScheidigA J; Burmester C.; Goody R S The pre-hydrolysis state of p21ras in complex with GTP: new insights into the role of water molecules in the GTP hydrolysis reaction of ras-like proteins II Structure, 1999, V. 7, pp. 1311-1324.

122. Futatsugi N.; HataM; Hoshino Т.; Tsuda M Ab initio study of the role of Lysine 16 for the molecular switching mechanism of Ras protein p21 // Biophysical Journal, 1999, V. 77,pp.3287-3292.

123. Glennon T.M.; Villa J.; Warshel A. How does GAP catalyze the GTPase reaction of Ras?: A computer simulation study // Biochemistry, 2000, V. 39, pp. 9641-9651.

124. Cheng H; Sukal S; Deng H.; Leyh T.S; Callender R. Vibrational structure of GDP and GTP bound to RAS: an isotope-edited FTIR study // Biochemistry, 2001, V. 40, pp. 4035-4043.

125. Allin C.; Gerwert K. Ras catalyzes GTP hydrolysis by shifting negative charges from y- to P-phosphate as revealed by time-resolved FTIR difference spectroscopy // Biochemistry, 2001,1. V. 40, pp. 3037-3046.

126. Mori K; Hata M.; Neya S; Hoshino T. A study on the role Mg2+ in a Ras protein by MD simulation // Chem-Bio Informatics Journal, 2002, V. 2(4), pp. 147-155.

127. Katagiri D.; Hata M.; Itoh Т.; Neya S; Hoshino T. Atomic-scale mechanism of the GTP □ GDP hydrolysis reaction by the Gial protein // J. Phys. Chem. B, 2003, V. 107, pp. 3278-3283.

128. ShurkiA.; Warshel A. Why does the Ras switch "break" by oncogenic mutations? // Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 2004, V. 55, pp. 1-10.

129. Григоренко Б JI.; Рогов А В.; Князева М.А.; Исаева Е В.; Немухин А.В. Моделирование механизма реакции гидролиза гуанозинтрифосфага белковым комплексом RAS-GAP // Вестник Московского Университета Химия, 2005, том 46, №1, с. 19-23.

130. Morris G.; Goodsell £>.; Halliday R; Huey R.; Hart W; Belew R; Olson A. Automated docking using a Lamarckian genetic algorithm and an empirical binding free energy function // J.Computational Chemistry, 1998, V. 19, pp. 1639-1662.

131. Основные публикации по теме диссертации

132. Шадрина М.С.; Рогов А.В.; Бравая КБ; Немухин А В. Молекулярный докинг производных гуанозиннуклеотидов в ГТФ-связывающие белки // Вестник Московского Университета. Химия, 2005, том 46, №6, с. 363-369.

133. Nemukhin A.V.; Grigorenko BL; Rogov A.V.; Topol I.A ; Burt SK. Modeling of serine protease prototype reactions with the flexible effective fragment potential quantum mechanical/molecular mechanical method // Theor.Chem Accounts, 2004, V.l 11, pp. 36-48.

134. Григоренко Б JI.; Рогов А.В.; Князева М А.; Исаева Е.В.; Немухин А В. Моделирование механизма реакции гидролиза гуанозинтрифосфата белковым комплексом RAS-GAP // Вестник Московского Университета. Химия, 2005, том 46, №1, с. 19-23.

135. Grigorenko В. L.; Rogov А. V.; Nemukhin А. V. Mechanism of Triphosphate Hydrolysis in Aqueous Solution: QM/MM Simulations in Water Clusters II J. Phys Chem. В, 2006, V. 110(9), pp. 4407-4412.

136. Немухин A.B.; Григоренко БJl; Епифановский ЕМ.; Рогов А.В. Моделирование механизмов ферментативных реакций комбинированными методами квантовой и молекулярной механики // Биомедицинская химия, 2004, том 50, Прил. №1, с. 49-55.

137. Nemukhin A. V; Gariev I A.; Rogov A. V.; Varfolomeev S D Serine hydrolases catalytic site: geometry invariants and modeling catalytic activity // Mendeleev Communications, 2006. -принята к печати.