نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان تبریز، تبریز، ایران
2 گروه شیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
3 گروه شیمی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
4 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
چکیده
در این مطالعه، برهم کنش مولکول پاکلی تاکسول با پروتئین آستروپسینA در محیط آبی از طریق شبیه سازی دینامیک مولکولی و معادله پواسون- بولتزمن مطالعه شده است. انرژی اتصال ما بین پاکلیتاکسول و آستروپسینA به کمک معادله پواسون- بولتزمن در سیستم های به تعادل رسیده محاسبه شده و با روش دینامیک مولکولی شبیه سازی شده است. هدف اصلی در این مطالعه، بررسی سایت های فعال برای ایجاد برهم کنش موثر ما بین نانوذرات دارو و پروتئینها و همچنین تشکیل چهارچوبی برای دارو توسط پروتئین ها می باشد که بدین منظور از یک ، دو ، سه ، چهار و پنج آستروپسینA استفاده شده است. همچنین نتایج شبیه سازی دینامیک مولکولی همچون شعاع چرخش ، تابع توزیع شعاعی و پیوند هیدروژنی مورد بحث قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیهسازی سیستم ها در حضور و عدم حضور پاکلی تاکسول مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان میدهند با اضافه کردن هر چه بیشتر آستروپسینA به پاکلی تاکسول، حلالیت پاکلی تاکسول در آب افزایش مییابد. همچنین مشخص میشود اسیدآمینه های گلایسین ٢، لوسین ٢١، فنیل ١٤، سیستئین 3، پیروگلوتامیک اسید ١ بیشترین برهم-کنش با پاکلی تاکسول در سیستم های به ترتیب شامل یک، دو ، سه، چهار و پنج آستروپسین A دارند. نتایج نشانگر این است که با افزایش تعداد آستروپسینA، میزان اتصال پاکلی تاکسول به آستروپسینA ، افزایش می یابد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Study of the interactions between asteropsin_A and paclitaxel by the use of molecular dynamics simulation and MM-PBSA
نویسندگان [English]
1 Department of chemistry,Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
2 Department of chemistry, Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
3 Department of chemistry, Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
4 Department of physics, Faculty of Basic Sciences, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]
In this paper, the interactions between paclitaxel molecule and asteropsin_A protein in the aqueous media have been studied by molecular dynamics simulation and MM-PBSA method. The binding energies between paclitaxel and asteropsin_A have been evaluated by the help of MM-PBSA in these systems after equilibration and simulation. The main goal of this study is investigated the active sites to create effective interactions between drug nanoparticles and proteins and also to form a framework for drug by proteins, for this purpose used one, two, three, four and five asteropsin_A. The results of molecular dynamics simulations, such as radius of gyration, radial distribution functions and hydrogen bonding, have been discussed. The results were analyzed by the comparing their values in the systems with and without Paclitaxel. The results show that by increasing the number of asteropsin_A in the systems, the solubility of paclitaxel in water increases. Also, the results show that the residues Gly2, Leu21, Cys3, Phe14 and PGa1 have maximum interactions with paclitaxel in the systems containing one, two, three, four and five asteropsin_A proteins, respectively. The results represent that increasing the number of asteropsin A, lead to increasing the binding affinity of drug to proteins.
کلیدواژهها [English]
مطالعه برهمکنش پروتئین آستروپسینA و پاکلیتاکسول با استفاده ازشبیه سازی دینامیک مولکولی و معادله پواسون- بولتزمن تطبیقی (Adoptive Poison-Boltezman software)
جابرجهانبین سردرودی*١،٢، میترا دباغ حسینی پور١،٢،معصومه ایقایی بناب١،٢ و علیرضا راستکار ابراهیمزاده١،3
١ ایران، تبریز، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، دانشکده علوم پایه، آزمایشگاه شبیهسازی مولکولی
٢ ایران، تبریز، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، دانشکده علوم پایه، گروه شیمی
3 ایران، تبریز، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، دانشکده علوم پایه، گروه فیزیک
تاریخ دریافت: 01/03/1398 تاریخ پذیرش: 04/06/1398
چکیده
در این مطالعه، برهمکنش مولکول پاکلیتاکسول با پروتئین آستروپسینA در محیط آبی از طریق شبیهسازی دینامیک مولکولی و معادله پواسون- بولتزمن مطالعه شده است. انرژی اتصال ما بین پاکلیتاکسول و آستروپسینA به کمک معادله پواسون- بولتزمن در سیستمهای به تعادل رسیده محاسبه شده و با روش دینامیک مولکولی شبیهسازی شده است. هدف اصلی در این مطالعه، بررسی سایتهای فعال برای ایجاد برهمکنش مؤثر بین نانوذرات دارو و پروتئینها و همچنین تشکیل چهارچوبی برای دارو توسط پروتئینها میباشد که بدین منظور از یک ، دو ، سه ، چهار و پنج آستروپسینA استفاده شده است. همچنین نتایج شبیهسازی دینامیک مولکولی همچون شعاع چرخش، تابع توزیع شعاعی و پیوند هیدروژنی مورد بحث قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیهسازی سیستمها در حضور و عدم حضور پاکلیتاکسول مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان میدهند با اضافه کردن هر چه بیشتر آستروپسینA به پاکلیتاکسول، حلالیت پاکلیتاکسول در آب افزایش مییابد. همچنین مشخص میشود اسیدآمینههای گلایسین ٢، لوسین ٢١، فنیل ١٤، سیستئین 3، پیروگلوتامیک اسید ١ بیشترین برهمکنش با پاکلیتاکسول در سیستمهای به ترتیب شامل یک، دو ، سه، چهار و پنج آستروپسین A دارند. نتایج نشانگر این است که با افزایش تعداد آستروپسینA، میزان اتصال پاکلیتاکسول به آستروپسینA ، افزایش مییابد.
واژه های کلیدی: شبیهسازی دینامیک مولکولی، پاکلیتاکسول، آستروپسینA، برهمکنش، مکانیک مولکولی با معادله پواسون-بولتزمن.
* نویسنده مسئول: تلفن: 31452043-041 ، پست الکترونیکی: jsardroodi@azaruniv.ac.ir
مقدمه
سرطان یکی از مرسومترین بیماریها در دنیا بوده و یکی از روشهای درمان ، شیمی درمانی است (10). تاکسان یکی از داروهای شیمی درمانی میباشد. حلالیت تاکسان بر اساس رهایش دارویی است (9). دو مورد از تاکسان، پاکلیتاکسول و دوستاکسول است که از مهمترین روش درمان پیشرفته و مخصوصاً برای درمان سرطان کبد میباشد. تاکسانها، سبب پایداری میکروتوبولها به دلیل متوقف کردن میتوز بعد از G2 یا چرخه در فاز M، میشوند که نشانگر محدودۀ وسیع فعالیت در چندین تومور از جمله سرطان تخمدان و شش است (20، 28 و 29). پاکلیتاکسول از پوست درخت سرخدار به دست آمد (16). تهیه ترکیبات فعال با این روش میتواند برخی مشکلات بهمراه داشته باشد که از جمله آنها میتوان به: مقدار کم ترکیبات فعال در گیاه، رشد تدریجی گیاه و تخریب منابع طبیعی اشاره کرد (15). چندین خواص پزشکی برای پاکلیتاکسول مطالعه و کشف گردید. پاکلیتاکسول در شیمی درمانی طیف وسیعی از سرطانها از جمله سرطان تخمدان، پستان، شُش، مثانه، پروستات، ملانوم، مری و Kaposi’s sarcoma به کار میرود. کاربرد بالینی اخیر که بمنظور کاهش اثرات جانبی جدی بکار میرود، کروموفور ای ال (cremophor EL) است. نانوذرات پلیمرهای زیست تخریبپذیر میتوانند یک راهحل مناسبی برای افزایش حلالیت پاکلیتاکسول باشند و رهایش دارویی کنترلشده با کارآیی بیشتر و اثر جانبی کمتر ایجاد کنند. امروزه با بهینه کردن اندازۀ ذرات و سطح پوشیده آنها، نانوذرات توانایی به سزایی در ترویج شیمی درمانی ایفا میکنند: 1) شیمی درمانی فردی: که بنا به نیاز شخصی بیمار به کار میرود. 2) شیمی درمانی موضعی: رهایش هدفمند داروهای ضد سرطانی 3) شیمی درمانی پایدار: بدون اینکه دارو به حضور چند داروی دیگر مقاومت نشان دهد 4) عبور از سد خونی-مغزی: به دلیل اندازه کوچک نانوذرات میتوانند از سد خونی –مغزی عبور کنند. 5) شیمی درمانی در جایی که بیمار در آن اقامت دارد: به صورت داروهای قابل مصرف دهانی، بینی و چشمی که توسط خود بیمار قابل استفاده است (28).
شکل ١- ساختار شیمیایی پاکلیتاکسول
به منظور افزایش کارایی دارو، غلظت دارو میتواند افزایش داده شود ولی در این مورد، بر سمیت و اثرات جانبی دیگر نیز افزوده میشود. پاکلیتاکسول حلالیت کمی در آب دارد (24) بنابراین رهایش دارویی جدید نیازمند بهبود فعالیت دارویی آن میباشد، بدین معنی که برای کاهش اثرات جانبی و افزایش حلالیت پاکلیتاکسول، نیازمند استفاده از نانوذرات بوده که این امر سبب پیشرفت در رهایش دارویی نوین شده است (37). تاکنون ولف و همکارانش (13)، برهمکنش میان ورقههای توبولین که حاوی روی القاء شده است، با تاکسول مورد بررسی قرار دادند. مطالعات نشان داده است که در محل اتصال تاکسول، توبولین ساختار پایداری از خود نشان میدهد. برهمکنش اصلی میان توبولین با تاکسول در لوپ B8-H9 مشاهده میشود (شکل 1). در مطالعه دیگری که توسط سناپاتی و ناتارجان (32) انجام یافته است، برهمکنش میان تاکسول با دو نوع پروتئین شامل توبولین وحشی و سه نوع توبولین جهش یافته ، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که توبولین جهش یافته انعطافپذیر تر از توبولین وحشی است . جهشها محل اتصال با تاکسول را تغییر داده و سبب ضعیف شدن پیوند میشود . گیانناکاکو و همکارانش (١5) و کاوالاریس و همکاران (8).، برهمکنش اپوتیلون که یک داروی ضد سرطان است، با سلولهای سرطانی مقاوم به دارو را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشانگر این است که مقاومت سلولهای سرطانی به دارو میزان کارایی دارو را کاهش داده و سبب عدم پایداری میکروتوبولها میشود. مقاوم بودن سلولهای سرطانی بدلیل وجود جهش در این سلولها مشاهده شد. به منظور اتصال دارو به سلولها، جهش دیگر در این سلولها باید انجام شود تا سبب پایداری آن شود. وانگ و همکارانش (7) به بررسی برهمکنش پاکلیتاکسول با β-توبولین پرداختند. در این مطالعه به روش داکینگ انرژی اتصال، الکترواستاتیکی و انرژی پیوند هیدروژنی کمپلکس پاکلیتاکسول-اسیدهای آمینه توبولین و سپس با شبیهسازی دینامیک مولکولی پاکلیتاکسول با β-توبولین محاسبه انرژی کمپلکس پاکلیتاکسول-اسیدهای آمینه توبولین را انجام دادند. همچنین صرفا به کمک داکینگ، انرژیهای مورد نیاز کمپلکس پاکلیتاکسول- اسیدهای آمینه توبولین را محاسبه کردند. از این نتایج میتوان به برهمکنش پایدار پاکلیتاکسل با اسیدهای آمینه توبولین دست یافت. پروتئینها با حلالیت بالا میتوانند به عنوان سیستم رهایش استفاده شوند. آستروپسین A بدلیل داشتن پپتیدهای گرهدار با آرایش مولکولی دیسولفید صلب و سه β-sheet fold، یک قالب جدید برای داروهای پپتیدی خوراکی، به دلیل مقاومت پروتئولیتیک و شیمیایی نسبتاً قوی آنها، مورد توجه همگان قرار گرفته است. تاکنون آستروپسینA در اسفنج دریایی یافت شده است (25). آستروپسینA تنها یکی از چهار پپتید مشتق شده از اسفنجی است که دارای دو قسمت مساوی از دیسولفید میباشد. ساختار کریستالی آن، شامل N- ترمینال پیروگلوتامیک اسید، کنفورماسیون سیس- ترانس پرولین و جفت دیسولفید میباشد. N- ترمینال پیروگلوتامیک اسید برای کنفورماسیون مناسب پپتیدها مهم است. از چهار پپتید، دوتای آن دارای ساختار سیس است. در ساختار آستروپسین A، سه β-sheet غیر موازی پل دیسولفید وجود دارد. دو تا از آنها در وسط ساختار و سومین پل دیسولفید در نزدیکی همسایه N- ترمینال واقع شده است. آستروپسین A دارای اسید آمینۀ اسیدی است. فعالیت بیولوژیکی متمایز همراه با ویژگیهای متعدد دیگر مانند توالی کم، تشکیل N- ترمینال پیروگلوتامیک اسید و سیس پرولین، آستروپسین A را از دیگر پپتیدهای گرهدار مشتق شده از اسفنج دریایی متمایز میکند (26).
در رهایش دارویی، آزادسازی مولکولهای بیولوژیکی متأثر از تجمع مولکولهای بیولوژیکی میباشد. برای درک بهتر مولکولهای بیولوژیکی با مولکولهای آب نیازمند کنترل پدیده تجمع در محیط آبی میباشد. در این کار پژوهشی به منظور درک بهتر برهمکنش و تجمع آستروپسینA در محلول آبی پاکلیتاکسول، محلولهای آبی پاکلیتاکسول شبیهسازی شد. بدین منظور بهینهسازی ساختار الکترونی حالت پایه پاکلیتاکسول و بخشی از اسید آمینه آستروپسین A با استفاده از تئوری چگالی احتمال بدست آمده است. برای طراحی دارو، بررسی برهمکنش های این تحقیق بین دارو و نانوذرات پروتئینی از اهمیت به سزایی برخوردار است. شبیه سازی دینامیک مولکولی یکی از روشهای محاسباتی است که میتوان برای طراحی دارو و برهمکنشهای بین مولکولی از آن استفاده کرد (3). با توجه به تعدد گروههای عاملی پاکلی تاکسول و ساختار نسبتاً پیچیده آن، به منظور افزایش احتمال برقراری تمام برهمکنشهای ممکن، بیش از یک عدد پروتئین استفاده شد. همچنین برای بررسی چگونگی و میزان وابستگی خواص مورد مطالعه به تعداد پروتئینها، برهمکنش پاکلی تاکسول با یک تا پنج پروتئین شبیه سازی شد.
مواد و روشها
مراحل شبیهسازی: محاسبات تئوری تابع چگالی (4) به منظور دستیابی به ساختار بهینه شده مولکول پاکلیتاکسول و زنجیر جانبی اسید آمینه مولکول آستروپسین A به کار برده شد. این محاسبات با استفاده از تابعیت هیبریدی (6) B3LYP/6-311G (23) انجام گرفت. تمامی محاسبات با استفاده از برنامه G09 (30) برای دستیابی به سیستم شبیهسازی ساختار الکترونی مولکولی و اتمی به کار گرفته شد. ساختار شبیهسازی شده آنها که توسط این محاسبات به دست آمد و بهعنوان نقطه آغازین آرایش در شبیهسازی دینامیک مولکولی مورد استفاده قرار گرفت، در شکل ٢ نشان داده شده است.
O |
C |
H |
N |
الف)
O |
H |
N |
C |
ب)
شکل٢- ساختار بهینه شده الف) مولکول پاکلیتاکسول ب) زنجیر جانبی اسید آمینه مولکول آستروپسینA
شبیهسازی دینامیک مولکولی با نرم افزار گرومکس (22) نسخه ٤.٥.٤ انجام گرفت. میدان نیروی استفاده شده جهت شبیهسازی، GROMOS 53a6 (33) است. به منظور انجام شبیهسازی سیستم، جعبه مربعی ایجاد شد تا تعداد مولکولهای آبی که به آن اضافه میشود، تعیین شود. افزودن تعداد آستروپسین A به سیستم با استفاده از دستورهای نرمافزار گرومکس انجام گردید. در همه شبیهسازیها، دما و فشار با استفاده از الگوریتم برندسن(21) به ترتیب در 310 کلوین و 1 بار تنظیم گردید. طول پیوند با الگوریتم (14) LINCS به دست آمد. الگوریتم مش اوالد ذرات (11) به منظور برهمکنش طولانی برد به کار گرفته شد. برهمکنش لنارد-جونز با شعاع قطع ٦/١ نانومتر انتخاب گردید. لیست همسایه هر ٥ گام یکبار تنظیم شد. زمان هر گام فمتو ثانیه برای انتگرالگیری از معادله حرکت (5) استفاده گردید. شبیهسازی بعد از انجام تعادل و در دما و فشار ثابت، ٥٠ نانوثانیه طول کشید. بعد از انجام شبیهسازی به بررسی فشار، دما و انرژی سیستمهای مورد مطالعه پرداخته و همگرایی تمامی سیستمها در طول شبیهسازی مشاهده گردید که بعنوان نمونه سیستم پاکلیتاکسول+ یک آستروپسین A در نمودارهای 1 تا 3 نشان داده شده است.
نمودار1-همگرایی فشار در طول شبیهسازی در سیستم شامل پاکلیتاکسول+یک آستروپسین A
نمودار2-همگرایی انرژی طول شبیهسازی در سیستم شامل پاکلیتاکسول+یک آستروپسین A
نمودار3-همگرایی دما در طول شبیهسازی در سیستم شامل پاکلیتاکسول+یک آستروپسین A
خلاصه شبیهسازی در جدول 1 گردآوری شده است.
جدول١- خلاصه شبیهسازی دینامیک مولکولی
تعداد مولکول پاکلیتاکسل |
Aتعداد مولکول آستروپسین |
تعداد مولکول حلال |
١ |
٠ |
١٣٨٣ |
٠ |
١ |
٦٢٤٢ |
٠ |
٢ |
٤٨٧٢ |
٠ |
٣ |
٤٧٠٩ |
٠ |
٤ |
٣٧٦٩ |
٠ |
٥ |
٣٤٩٠ |
١ |
١ |
٦٢٢٣ |
١ |
٢ |
٤٨٣٣ |
١ |
٣ |
٤٤١٤ |
١ |
٤ |
٣٧١٤ |
١ |
٥ |
٣٤٢٨ |
محاسیات انژری آزاد حلالپوشی و اتصال: به منظور محاسبه انرژی آزاد حلالپوشی و انرژی آزاد اتصال لیگند ( پاکلیتاکسول ) و پروتئینها ( آستروپسین A )، ساختار کمپلکس آنها، پروتئین و دارو در آخرین مرحله شبیهسازی با فرمت pdb (19) ذخیره شد. سپس با استفاده از نرمافزار AUTODOCK نسخه ٢.٠.٤ (17) فایل pdb به فایل PQR (12) تبدیل شد که شامل اطلاعات شعاع اتمی و بار است. با نرمافزار PYMOL (27) سطح مولکولی کمپلکسها مشاهده گردید. روش محاسبه دینامیک مولکولی با معادله پواسون- بولتزمن (36) برای محاسبه انرژی آزاد اتصال به کار گرفته شد. انرژی آزاد اتصال به صورت زیر محاسبه میشود:
∆G bind=∆G complex – ( ∆G protein - ∆G drug ) (معادله 1)
میدان نیروی CHARMM استفاده گردید و ثابت حلشونده و حلال به ترتیب ٢ و ٥٤/٧٨ استفاده شد (٣5). معادله زیر برای محاسبه انرژی آزاد حلال پوشی به کار گرفته شد:
∆G solv= G el– G vacuum (معادله 2)
انرژی آزاد حلالپوشی در خلأ با ثابت دی الکتریک ١ و در محیط حلال با ثابت دی الکتریک ٥٤/٧٨ محاسبه شد (31 و 34). برای محاسبه انرژی آزاد الکترواستاتیک نیز از روش محاسبه دینامیک مولکولی با معادله پواسون- بولتزمن استفاده گردید.
نتایج و بحث
برخی از داروهای ضد سرطانی مانند پاکلیتاکسل، باعث مهار فرآیند پلیمریزاسیون میکروتوبولها میشوند. به منظور طراحی و توسعه چنین داروهای ضد سرطانی، این ترکیبات توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است (1). امروزه با استفاده از شبیهسازی دینامیک مولکولی و سایر روشهای محاسباتی، طراحی دارو سریعتر و با درصد خطای کمتری میتواند انجام پذیرد (2).
شبیهسازی دینامیک مولکولی کمپلکسهای لیگند- نانوذرات پروتئین در ٥٠ نانوثانیه انجام یافت. تصاویر مرحله نهایی سیستمهای پاکلیتاکسول- آستروپسین A- آب در شکل ٣ الف تا ٣ ث نشان داده شده است. در تصاویر مربوطه مولکولهای آب نشان داده نشده است.
الف)
ب)
پ)
ت)
ث)
شکل ٣- تصاویر شبیهسازی دینامیک مولکولی بعد از ٥٠ نانوثانیه در سیستمهای شامل پاکلیتاکسول با آستروپسین A در آب، الف) سیستم شامل یک آستروپسین A ، ب) سیستم شامل دو آستروپسین A ، پ) سیستم شامل سه آستروپسین A ، ت) سیستم شامل چهار آستروپسین A و ث) سیستم شامل پنج آستروپسین A.
مقادیر شعاع چرخش آستروپسینA در حضور و عدم حضور پاکلیتاکسول در جدول ٢ نشان داده شده است.
شعاع چرخش پروتئین، با حضور وعدم حضور پاکلیتاکسول، افزایش یافته است. جدول2 نشان میدهد با زیاد کردن تعداد مولکولهای پروتئین مقدار شعاع چرخش افزایش مییابد ولی نرخ این افزایش به تدریج کم میشود که بیانگر جمع شدن مولکولهای پروتئین در اطراف پاکلیتاکسول میباشد.
در نمودار 4 مشاهده میشود که شعاع چرخش بر حسب تعداد پروتئین به شکل خطی افزایش مییابد.
جذر میانگین مربع نوسانات اتمی پاکلیتاکسول در سیستمهای شبیهسازی شده شامل آستروپسین A – پاکلیتاکسول در 10 نانوثانیه نهایی در جدول ٣ گنجانده شده است.
جدول ٢- شعاع چرخش آستروپسین A در حضور و عدم حضور پاکلیتاکسول در سیستمهای مختلف در 10 نانوثانیه نهایی.
سیستمها |
شعاع چرخش ( نانومتر) |
Aیک آستروپسین |
٠.٧٩ |
-پاکلیتاکسولAیک آستروپسین |
٠.٨١ |
Aدو آستروپسین |
١.29 |
-پاکلیتاکسولAدو آستروپسین |
١.8٧ |
Aسه آستروپسین |
١.91 |
-پاکلیتاکسولAسه آستروپسین |
٢.٠٣ |
Aچهار آستروپسین |
٢.٤٣ |
-پاکلیتاکسولAچهار آستروپسین |
٢.59 |
Aپنج آستروپسین |
٢.63 |
-پاکلیتاکسلAپنج آستروپسین |
٢.74 |
جدول٣- میانگین مقادیر جذر میانگین مربع نوسانات اتمی پاکلیتاکسول در سیستمهای شبیهسازی شده مختلف شامل پاکلیتاکسل-آستروپسین A.
Aتعداد آستروپسین |
میانگین مقدارجذر میانگین مربع نوساناتاتمی پاکلیتاکسول ( نانومتر) |
١ |
٠.٠٩٣ |
٢ |
٠.٠٨٩ |
٣ |
٠.٠85 |
٤ |
0.080 |
٥ |
0.078 |
نمودار٤- شعاع چرخش آستروپسینA به ازای افزایش تعداد پروتئینها در سیستمهای مختلف پاکلیتاکسول+ آستروپسینA در 10 نانوثانیه نهایی.
جدول نشان میدهد که با افزایش تعداد آستروپسینA، از میزان نوسانات پاکلیتاکسول کاسته میشود. زیرا با افزایش تعداد پروتئین، آستروپسینA برای پاکلیتاکسول ممانعت فضایی ایجاد کرده و احتمال احاطه شدن دارو توسط پروتئین افزایش یافته و از میزان نوسانات دارو کاسته شده است.
مقادیر حداقل فواصل ما بین پاکلیتاکسول و آستروپسینA در 10 نانوثانیه نهایی شبیهسازی در نمودار 5 نشان داده
شده است.
با توجه به نمودار 5، میتوان نتیجه گرفت با افزایش تعداد نانوذرات پروتئینی، حداقل فواصل بین پاکلیتاکسول و آستروپسینA کاهش یافته است و با کاهش فواصل بین دارو و پروتئین برهمکنش دارو با پروتئین افزایش یافته و به دلیل آرایش پاکلیتاکسول و آستروپسینA، دارو توسط نانوذرات پروتئینی احاطه شده است.
به منظور تعیین پایداری پیوند هیدروژنی مابین پاکلیتاکسول و هریک از اسیدآمینههای آستروپسین A، آنالیز پیوند هیدروژنی انجام یافت. با توجه به آنالیز، قدرت برهمکنشها در طول شبیهسازی متفاوت بود. پیوند هیدروژنی مابین اسید آمینههای متفاوت مولکول پروتئین و دارو در طول شبیهسازی در جدول4 نشان داده شده است.
با توجه به جدول فوق اسیدآمینههای مختلف آستروپسینA که با پاکلیتاکسول در مسیر شبیهسازی پیوند هیدروژنی دادهاند، نشان داده شده است، ولی تعداد پیوندهای هیدروژنی داده شده در تمامی اسیدآمینهها به یک میزان نبوده و در برخی تنها در لحظات بسیار کمی از زمان شبیهسازی دیده شد ولی تعدادی از اسید آمینهها نیز در تمام مسیر، پس از حصول تعادل، پیوند هیدروژنی تشکیل دادهاند.
نمودار5- حداقل فواصل به هنجار شده ما بین پاکلیتاکسول و مجموعه آستروپسینA در سیستمهای مختلف در 10 نانوثانیه نهایی.
جدول4- اسیدآمینههای مختلف آستروپسین A در سیستمهای مختلف که با پاکلیتاکسول پیوند هیدروژنی پیوند دادهاند.
اسیدآمینههای پیوند داده |
میانگین پیوند هیدروژنی در 10 نانوثانیه نهایی |
سیستم مورد بررسی |
|
پیروگلوتامیک اسید1، گلایسین2،والین12، فنیل آلانین14 |
0.964
|
پاکلیتاکسول+یک آستروپسینA |
|
گلوتامیک اسید6، گلوتامین13، لوسین21، لوسین23، تیروزین36 |
1.08
|
پاکلیتاکسول+دو آستروپسینA |
|
سیستئین3، گلوتامیکاسید8، سرین9، فنیلآلانین14، تیروزین15، تیروزین33، تیروزین 35 |
2.666 |
پاکلیتاکسول+سه آستروپسینA |
|
پیروگلوتامیک اسید1، گلایسین2، سیستئین3، گلوتامین 13، فنیلآلانین14، تیروزین15، سیستئین17، پرولین19، لوسین21 |
3.706 |
پاکلیتاکسول+چهار آستروپسینA |
|
پیروگلوتامیک اسید1، سیستئین17، گلایسین20، تیروزین24، سیستئین25، آسپارژینین29 |
4.248 |
پاکلیتاکسول+پنج آستروپسینA |
|
در نمودار6، میانگین تعداد پیوند هیدروژنی مابین دارو و مولکولهای پروتئین برحسب افزایش تعداد آستروپسینA، در سیستمهای مختلف شبیهسازی شدۀ دارو+پروتئین نشان داده شده است. در نمودار 6 مشاهده میشود که تعداد پیوند هیدروژنی بین پاکلیتاکسول و پروتئین به ازای هر پروتئین تقریباً ثابت است.
نمودار 6- تعداد میانگین پیوند هیدروژنی مابین پاکلیتاکسول و آستروپسینA، به ازای افزایش تعداد پروتئینها در سیستمهای مختلف در 10 نانوثانیه نهایی.
با توجه به تجزیه و تحلیل تابع توزیع شعاعی پاکلیتاکسول در اطراف زنجیر جانبی اسیدآمینهها در 10 نانوثانیه نهایی شبیهسازی که در نمودار 7 نشان داده شده است و محل قله تیز آن، به وجود برهمکنش میان پاکلیتاکسول با اسید آمینههای مربوطه میتوان پی برد.
نمودار 7- تابع توزیع شعاعی اسیدآمینههایی که با پاکلیتاکسول برهمکنش دادهاند.
پیکهای نشان داده شده در شکل نشانگر وجود برهمکنش مابین مولکولهای دارو و نانوذرات پروتئینی از نوع برهمکنش الکترواستاتیکی بار- بار میباشد. همچنین این شکل نشان میدهد که در سیستمهای پاکلیتاکسول+ آستروپسینA، محل اولین قله تابع توزیع شعاعی در فواصل 0.5 تا 0.9نانومتر میباشد که نشانگر وجود برهمکنش کولنی پاکلیتاکسول با آستروپسین A در این فواصل است.
به منظور تعیین برهمکنش پاکلیتاکسول و آستروپسین A، انرژی اتصال کمپلکس پاکلیتاکسول + پروتئین (ΔGb )، انرژی آزاد حلالپوشی پاکلیتاکسول با پروتئین (ΔGs) و انرژی الکترواستاتیک (E ) برای سیستمهای مورد مطالعه، محاسبه گردید. نتایج در جدول 5 نشان داده شده است.
جدول 5- مقادیر ΔGb، ΔGs و E در سیستمهای مختلف مورد مطالعه .
سیستمها |
E (kJ/mol) |
ΔGs (kJ/mol) |
ΔGb(kJ/mol) |
پاکلیتاکسل |
٠ |
-٠.٠١٣ |
̲ |
Aیک آستروپسین |
-١354.٦٧ |
-2902.16 |
̲ |
یک آستروپسینA +پاکلیتاکسول |
-١79٤.٦٥ |
-3148.23 |
-١.14 |
دو آستروپسینA +پاکلیتاکسول |
-٢٩٨١.٧٥ |
-7144.84 |
-١.36 |
سه آستروپسینA+پاکلیتاکسول |
-٧٠٢٥.۰٥ |
-11900.46 |
-١.64 |
چهار آستروپسینA+پاکلیتاکسول |
-١١٩٥٤.٧٥ |
-14733.52 |
-1.97 |
پنج آستروپسینA+پاکلیتاکسول |
-١٩١٢٨.٧٤ |
-20145.63 |
-2.05 |
اطلاعات این جدول نشان میدهد که پاکلیتاکسل انرژی آزاد حلالپوشی کمی دارد که ناشی از حلالیت پایین آن در آب است. آستروپسینA دارای بیشترین انرژی آزاد حلالپوشی میباشد. مقادیر منفی و بزرگ برای ΔGs ، به دلیل حلالیت بالای آستروپسینA در آب است. با اضافه کردن هر چه بیشتر آستروپسینA به پاکلیتاکسول، انرژی آزاد حلالپوشی پاکلیتاکسول منفیتر میشود. زیرا اتصال پاکلیتاکسول به آستروپسینA از سمت آبگریز پاکلیتاکسل به سمت آبگریز آستروپسین A اتفاق میافتد و بنابراین قسمتهای آبدوست پاکلیتاکسول و آستروپسینA در نزدیکی مولکولهای آب قرار گرفته و درنتیجه بر میزان حلالیت پاکلیتاکسول افزوده میشود.
مقادیر انرژی آزاد اتصال نشانگر قدرت برهمکنش مابین پاکلیتاکسول و آستروپسینA میباشد. با توجه به جدول 5، با اضافه کردن تعداد آستروپسینA در سیستمهای پاکلیتاکسول+ آستروپسینA، انرژی آزاد اتصال منفیتر میشود. بنابراین بر میزان برهمکنش مابین پروتئینها و پاکلیتاکسول افزوده میشود.
مقدار انرژی الکترواستاتیک کل در سیستم دارای آستروپسینA در مقایسه با سیستم حاوی پاکلیتاکسول و آستروپسینA بیشتر است که نشانگر وجود برهمکنش الکترواستاتیک مابین دارو و پروتئینها میباشد.
با دقت در نمودارهای 8، 9 و 10 که نشاندهنده میزان انرژی آزاد حلالپوشی، اتصال و الکترواستاتیک به ازای هر پروتئین میباشد، می توان دریافت که این کمیتها با تعداد پروتئین رفتار خطی دارند.
نتیجهگیری
در این کار تحقیقاتی، سیستم پاکلیتاکسول در حضور پروتئین آستروپسینA و همچنین بدون حضور آن با استفاده از فنون شبیهسازی دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گرفت.
نمودار 8- انرژی آزاد حلالپوشی پاکلیتاکسول+ آستروپسین A به ازای افزایش تعداد پروتئینها.
نمودار 9- انرژی اتصال پاکلیتاکسول+ آستروپسین A به ازای افزایش تعداد پروتئینها.
نمودار 10- انرژی االکترواستاتیک پاکلیتاکسول+ آستروپسین A به ازای افزایش تعداد پروتئینها.
نتایج به دست آمده از آنالیز ساختاری سیستمها نشان میدهند پروتئینهای افزوده شده به سیستم پاکلیتاکسول+ آب در اطراف دارو تجمع مییابند. برهمکنش میان پاکلیتاکسول و پروتئین به صورت انرژی اتصال با استفاده از روش مکانیک مولکولی با معادله پواسون- بولتزمن تعیین گردید. مقادیر منفی و نسبتاً بزرگ انرژی اتصال پاکلیتاکسول- مولکول پروتئین نشان میدهد که وجود آستروپسینA سبب افزایش حلالیت پاکلیتاکسول در آب شده است. برخی پارامترهای ساختاری شامل تعداد پیوند هیدروژنی پاکلیتاکسول+ آستروپسینA ، فاصله میانگین پاکلیتاکسول+ آستروپسینA و موقعیت تابع توزیع شعاعی به دست آمده و نشانگر افزایش نسبی میزان برهمکنش پاکلیتاکسول با آستروپسینA است. بنابراین آستروپسینA میتواند یک عامل اصلاحکننده در کاربرد پاکلیتاکسول باشد.
قدردانی
این کار تحقیقاتی توسط دانشگاه شهید مدنی آذربایجان حمایت شده است.
1- آریاپور، حسن. جواهری مقدم، مصطفی. دهنوخلجی، علی اکبر (1394) . طراحی ترکیبات کرومنی جدید با فعالیت ضد سرطانی و بررسی چگونگی میانکش آنها با توبولین به روش داکینگ مولکولی. مجله پژوهشهای سلولی و مولکولی. 28(2): 190-178.
2- اخوان سپهی، عباس. حسینی، فرزانه. داوری، کامبیز. میرزایی، ساکو. نوروزی، جمیله (1398). کشف مهارکننده علیه بتالاکتاماز CTX-M-9باکتری E.coli با استفاده از مطالعات داکینگ مولکولی، MM/PBSA و دینامیک مولکولی. مجله پژوهشهای سلولی و مولکولی.32(1):46-33.
3- رزمی منش، فریبا. رضایی مارنانی، حسین. صدیفیان، غلامحسین(1395). بررسی نفوذ داروهای آسپیرین و ایبوپروفن در غشاء دو لایه لیپیدی به کمک شبیه سازی دینامیک مولکولی. مجله پژوهشهای سلولی و مولکولی. 31(2).328-317.