[go: up one dir, main page]

RU2265244C2 - Method for modeling and predicting linking of ligand molecules with target molecules by quantum mechanics methods with consideration of solvent effect - Google Patents

Method for modeling and predicting linking of ligand molecules with target molecules by quantum mechanics methods with consideration of solvent effect Download PDF

Info

Publication number
RU2265244C2
RU2265244C2 RU2003128413/09A RU2003128413A RU2265244C2 RU 2265244 C2 RU2265244 C2 RU 2265244C2 RU 2003128413/09 A RU2003128413/09 A RU 2003128413/09A RU 2003128413 A RU2003128413 A RU 2003128413A RU 2265244 C2 RU2265244 C2 RU 2265244C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ligand
atoms
solvent
molecule
target
Prior art date
Application number
RU2003128413/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003128413A (en
Inventor
Е.А. Никитина (RU)
Е.А. Никитина
В.Б. Сулимов (RU)
В.Б. Сулимов
А.Н. Романов (RU)
А.Н. Романов
Original Assignee
Алгодайн Ллс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Алгодайн Ллс filed Critical Алгодайн Ллс
Priority to RU2003128413/09A priority Critical patent/RU2265244C2/en
Priority to AU2003302159A priority patent/AU2003302159A1/en
Priority to PCT/RU2003/000578 priority patent/WO2005029351A1/en
Publication of RU2003128413A publication Critical patent/RU2003128413A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2265244C2 publication Critical patent/RU2265244C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16CCOMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/50Molecular design, e.g. of drugs
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16BBIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
    • G16B15/00ICT specially adapted for analysing two-dimensional or three-dimensional molecular structures, e.g. structural or functional relations or structure alignment
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16BBIOINFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR GENETIC OR PROTEIN-RELATED DATA PROCESSING IN COMPUTATIONAL MOLECULAR BIOLOGY
    • G16B15/00ICT specially adapted for analysing two-dimensional or three-dimensional molecular structures, e.g. structural or functional relations or structure alignment
    • G16B15/30Drug targeting using structural data; Docking or binding prediction
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16CCOMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/10Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16CCOMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C10/00Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: pharmaceutics.
SUBSTANCE: method includes building models of inter-molecular complex and its components, using data concerning composition of target molecule and ligand molecule. Models for apparent and implicit flow count of solvent are introduced. Modeling of connection of ligand molecule and target molecule with consideration of solvent effect is performed either within limits of quantum-mechanical, or within limits of combined quantum-mechanical and classic approaches. Calculation of enthalpy of connection of target molecule and ligand molecule is performed, using full energies of molecular systems, calculated at minimal point or using average values of full energies, produced for a set of configurations of inter-molecular complex of target-ligands. In latter case, coordinates of atoms of target molecule, ligand molecule and their inter-molecular complex, appropriate for each of such configurations, are produced within limits of molecular-dynamic modeling. Calculation of entropy of connection of ligand molecule and target molecule is performed on basis of calculation of its oscillation, rotation and linear components. Free energy of connection of ligand molecule and target molecule is made on basis of enthalpy, entropy member and cavitation energy.
EFFECT: production at given precision level of energy values, characterizing intensiveness of connection of receptor and remedy, and, consecutively, are a criterion during predicting ligands as potential remedial substances.
3 cl, 9 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к разработке новых соединений для медицины, биотехнологии, физики конденсированных сред и различных областей материаловедения, в которых существенны межмолекулярные взаимодействия, и может быть использовано при разработке новых лекарственных препаратов методами in silico - то есть путем численного моделирования комплекса лекарственного вещества с рецептором или целевым белком. В ходе такого моделирования могут быть получены значения энергетических величин, характеризующих интенсивность взаимодействия белка и лекарственного вещества. На основании этих значений можно сделать вывод об устойчивости комплекса лекарственного вещества с рецептором или целевым белком. Устойчивость комплекса прямо связана с возможной эффективностью лекарственного соединения.The invention relates to the development of new compounds for medicine, biotechnology, condensed matter physics and various fields of material science in which intermolecular interactions are significant, and can be used to develop new drugs using in silico methods - that is, by numerically simulating a complex of a drug substance with a receptor or target protein. In the course of such modeling, values of energy quantities characterizing the intensity of the interaction of the protein and the drug substance can be obtained. Based on these values, it can be concluded that the complex of the drug substance with the receptor or target protein is stable. The stability of the complex is directly related to the possible effectiveness of the drug compound.

Для этой цели в настоящее время широко используются модели силового поля (например, такие, как AMBER2002, OPLS-AA, CHARMM, ab-initio силовое поле MMFF), в которых атомы в молекулах рассматриваются как классические частицы, взаимодействующие друг с другом с помощью потенциалов взаимодействия.For this purpose, force field models are currently widely used (for example, such as AMBER2002, OPLS-AA, CHARMM, ab-initio force field MMFF), in which atoms in molecules are considered as classical particles interacting with each other using potentials interactions.

Несмотря на широкое использование моделей силового поля для численного моделирования взаимодействия молекул друг с другом, эта методология часто неадекватно описывает поведение молекулярных систем. Это обусловлено тем, что поведение атомов в молекулах и электронов в атомах подчиняется законам квантовой, а не классической механики. В настоящее время квантовая механика широко применяется для вычисления характеристик молекул сравнительно небольшого размера (десятки атомов) и их взаимодействия между собой. В последнее время в связи с быстрым увеличением мощности компьютеров стали возможны квантовые расчеты молекулярных систем, содержащих сотни и даже тысячи атомов. Точность и время таких расчетов зависят от применяемых методов вычислений и используемых вычислительных мощностей. Учитывая интенсивное развитие первых и быстрый рост вторых, ясно, что применение квантовой механики для численного моделирования молекулярных систем будет возрастать. В частности, для вычисления интенсивности связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью методы классических силовых полей будут вытесняться методами, основанными на уравнениях квантовой механики.Despite the widespread use of force field models for numerically modeling the interaction of molecules with each other, this methodology often inadequately describes the behavior of molecular systems. This is due to the fact that the behavior of atoms in molecules and electrons in atoms obeys the laws of quantum rather than classical mechanics. At present, quantum mechanics is widely used to calculate the characteristics of relatively small molecules (tens of atoms) and their interactions. Recently, in connection with the rapid increase in the power of computers, quantum calculations of molecular systems containing hundreds and even thousands of atoms have become possible. The accuracy and time of such calculations depend on the applied calculation methods and the used computing power. Given the intensive development of the former and the rapid growth of the latter, it is clear that the use of quantum mechanics for the numerical simulation of molecular systems will increase. In particular, to calculate the intensity of binding of a ligand molecule to a target molecule, the methods of classical force fields will be replaced by methods based on equations of quantum mechanics.

Однако методы квантовой механики ранее крайне редко использовались для описания биологических молекул, которые, как правило, являются макромолекулами, содержащими сотни и тысячи атомов. Так, неэмпирический метод Хартри-Фока и метод функционала плотности (DFT) использованы в работах [1-3] для описания квантовой части системы, которая погружена в молекулярное окружение, описываемое классически с помощью некоторого силового поля. Это так называемое QM/MM приближение, в котором описание части системы происходит по законам квантовой механики (QM), а другой части системы - по законам классической молекулярной механики (MM). В частности, вычисление энергии взаимодействия (а точнее энтальпии взаимодействия) между двумя биологическими молекулами проведено в работе [2], в которой моделировалась фермент-субстратная реакция.However, the methods of quantum mechanics were previously extremely rarely used to describe biological molecules, which, as a rule, are macromolecules containing hundreds and thousands of atoms. Thus, the non-empirical Hartree-Fock method and the density functional method (DFT) were used in [1–3] to describe the quantum part of a system that is immersed in a molecular environment, described classically using a certain force field. This is the so-called QM / MM approximation, in which the part of the system is described by the laws of quantum mechanics (QM), and the other part of the system by the laws of classical molecular mechanics (MM). In particular, the interaction energy (or rather the interaction enthalpy) between two biological molecules was calculated in [2], in which an enzyme-substrate reaction was modeled.

Более простой и соответственно более быстрый квантово-химический полуэмпирический метод PM3 использован в работе [4] для моделирования активного центра в ферменте цитидин деаминаза. Рассмотренная при моделировании молекулярная система содержала активный центр из 1330 атомов. Для расчета столь большой молекулярной системы использовался так называемый метод Divide-and-Conquer (разделяй и побеждай) или сокращенно D&C или DAC.The simpler and correspondingly faster quantum-chemical semi-empirical PM3 method was used in [4] to model the active center in the cytidine deaminase enzyme. The molecular system considered in the simulation contained an active center of 1330 atoms. To calculate such a large molecular system, the so-called Divide-and-Conquer (divide and conquer) method, or D&C or DAC for short, was used.

Полуэмпирический квантово-механический метод AM1 применялся для исследования электронной структуры биологических макромолекул в растворе [5], при этом использовалась континуальная модель растворителя. Энтальпии связывания белок - белок и белок - ДНК получены как разность между энтальпиями образования соответствующих комплексов и энтальпиями образования отдельных их компонентов, однако полученные данные оказались достаточно нереалистическими (около 5-20 эВ).The semi-empirical quantum-mechanical method AM1 was used to study the electronic structure of biological macromolecules in solution [5], and a continuous model of the solvent was used. Protein – protein and protein – DNA binding enthalpies were obtained as the difference between the enthalpies of formation of the corresponding complexes and the enthalpies of formation of their individual components, however, the data obtained turned out to be quite unrealistic (about 5–20 eV).

Несколько органических макромолекул, содержащих от 256 до 9378 атомов, были рассчитаны в рамках полуэмпирического метода PM3 с использованием метода D&C в рамках пакета квантово-химических программ MOPAC [6]. При этом расчеты проводились как в вакууме, так и в водном растворе с использованием приближения COSMO, в котором растворитель моделировался континуально. При этом также не определялись энергетические характеристики исследуемых химических систем, и основное внимание уделялось получению оптимизированных структур макромолекул и времени, требуемому на оптимизацию.Several organic macromolecules containing from 256 to 9378 atoms were calculated using the semiempirical PM3 method using the D&C method as part of the MOPAC package of quantum chemical programs [6]. In this case, the calculations were carried out both in vacuum and in an aqueous solution using the COSMO approximation, in which the solvent was modeled continually. At the same time, the energy characteristics of the studied chemical systems were not determined, and the main attention was paid to obtaining optimized structures of macromolecules and the time required for optimization.

Большинство известных квантово-механических исследований биологических макромолекул посвящено расчету энергетических характеристик различных ферментативных реакций. При этом исследовались механизмы различных реакций с участием молекул воды, их переходные комплексы и соответствующие энергетические барьеры. Однако во всех этих работах нет оценок интенсивности связывания белков и лигандов в их межмолекулярных комплексах, и не учитывается влияние растворителя на рассматриваемые процессы в макромолекулах.Most of the known quantum-mechanical studies of biological macromolecules are devoted to calculating the energy characteristics of various enzymatic reactions. In this case, the mechanisms of various reactions involving water molecules, their transition complexes, and the corresponding energy barriers were studied. However, in all these works there are no estimates of the intensity of binding of proteins and ligands in their intermolecular complexes, and the influence of the solvent on the processes under consideration in macromolecules is not taken into account.

Таким образом, из известной литературы видно, что при применении методов квантовой механики в способах моделирования биологических макромолекул отсутствует единый подход в определении интенсивности связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями. В известных способах с помощью методов квантовой механики определяются, в основном, структурные и электронные характеристики индивидуальных макромолекул с использованием механизмов и энергетических барьеров ферментативных реакций разрыва пептидной связи в белках. Сравнение таких вычисленных данных с экспериментально полученными данными свидетельствует о неудовлетворительной точности полученных величин. Из уровня техники не известны способы моделирования на основе квантово-механических расчетов энергетических характеристик межмолекулярного взаимодействия молекул-лигандов и молекул-мишеней. Кроме того, в существующих способах квантово-механического исследования макромолекул не обеспечивается корректным образом учет влияния растворителя, что очень важно при моделировании связывания биологических молекул-мишеней с молекулами-лигандами, где существенную роль играют водородные связи.Thus, it is seen from the known literature that when applying the methods of quantum mechanics in the methods of modeling biological macromolecules, there is no single approach to determining the intensity of binding of ligand molecules to target molecules. In known methods using the methods of quantum mechanics, mainly structural and electronic characteristics of individual macromolecules are determined using the mechanisms and energy barriers of enzymatic reactions of peptide bond cleavage in proteins. Comparison of such calculated data with experimentally obtained data indicates unsatisfactory accuracy of the obtained values. The prior art methods for modeling based on quantum-mechanical calculations of the energy characteristics of the intermolecular interaction of ligand molecules and target molecules are not known. In addition, the existing methods of quantum-mechanical study of macromolecules do not correctly account for the influence of the solvent, which is very important in modeling the binding of biological target molecules to ligand molecules, where hydrogen bonds play an important role.

В связи с этим задачей настоящего изобретения является создание способа моделирования межмолекулярного взаимодействия в водном растворе на основе методов квантовых расчетов с учетом влияния растворителя, как на молекулярном уровне, так и в виде экранирующего континуума, с учетом пространственной релаксации атомов и перераспределения электронной плотности при образовании межмолекулярного комплекса. Такой способ моделирования должен быть применим к определению интенсивности связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями независимо от состава и размера этих молекул, а также независимо от типа применяемого метода квантового расчета. Этот способ должен использовать минимальное количество подгоночных параметров и опираться по возможности только на основные принципы квантовой механики. Техническим результатом является создание способа моделирования и прогнозирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями методами квантовой механики с учетом влияния растворителя.In this regard, the objective of the present invention is to provide a method for modeling intermolecular interaction in an aqueous solution based on quantum calculation methods, taking into account the influence of the solvent, both at the molecular level and in the form of a screening continuum, taking into account spatial relaxation of atoms and redistribution of electron density during the formation of intermolecular complex. This modeling method should be applicable to determining the intensity of binding of ligand molecules to target molecules, regardless of the composition and size of these molecules, and also regardless of the type of quantum calculation method used. This method should use the minimum number of adjustable parameters and rely, if possible, only on the basic principles of quantum mechanics. The technical result is the creation of a method for modeling and predicting the binding of ligand molecules to target molecules by quantum mechanics, taking into account the influence of the solvent.

Указанный результат достигается тем, что предложен способ моделирования и прогнозирования связывания молекул-мишеней и молекул-лигандов, при котором, исходя из структуры и состава межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганды, формируют модели межмолекулярного комплекса и его компонентов с явным и неявным учетом растворителя, которые используются далее при моделировании связывания молекулы-лиганда и молекулы-мишени с учетом влияния растворителя методами квантовой механики с выбранными параметрами моделирования. Используя результаты этого моделирования, вычисляют энтальпию, энтропию и свободную энергию связывания выбранной молекулы-лиганда и молекулы-мишени, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, которые для известных лигандов сравнивают с известными экспериментальными данными. Для новых лигандов вычисленные величины при подобранных параметрах моделирования являются критерием интенсивности связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью и, следовательно, являются критерием при прогнозировании лигандов как потенциальных лекарственных веществ.This result is achieved by the fact that a method for modeling and predicting the binding of target molecules and ligand molecules is proposed, in which, based on the structure and composition of the intermolecular target-ligand complex, target molecule and ligand molecule, models of the intermolecular complex and its components are formed with explicit and implicit accounting for the solvent, which are used later in modeling the binding of the ligand molecule and the target molecule, taking into account the influence of the solvent by quantum mechanics with the selected mode parameters elite. Using the results of this simulation, the enthalpy, entropy, and free binding energy of the selected ligand molecule and target molecule are calculated, which characterize the intensity of binding of the ligand molecule to the target molecule, which is compared with known experimental data for known ligands. For new ligands, the calculated values for the selected modeling parameters are a criterion for the intensity of binding of a ligand molecule to a target molecule and, therefore, are a criterion for predicting ligands as potential drug substances.

В заявленном способе моделирования структуру и состав молекулы-мишени и молекулы-лиганда получают с помощью экспериментальных измерений, из базы данных PDB (Protein Data Bank) [7], кроме того, структуру, состав и координаты атомов новой молекулы-лиганда могут получать с помощью специальных программ - построителей новых лигандов. Если в исходных структурах молекул-мишеней и молекул-лигандов отсутствуют данные о декартовых координатах водородных атомов, координаты недостающих атомов добавляют к координатам атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда, используя различные компьютерные программы построения молекулярных структур. Положения в пространстве добавленных атомов водорода определяют при молекулярно-механической или квантово-механической оптимизации из условия, при котором полная энергия молекулы-мишени и молекулы-лиганда достигает минимума при варьировании координат добавленных водородных атомов.In the claimed modeling method, the structure and composition of the target molecule and the ligand molecule are obtained using experimental measurements from the PDB database (Protein Data Bank) [7], in addition, the structure, composition and atomic coordinates of the new ligand molecule can be obtained using special programs - builders of new ligands. If the initial structures of target molecules and ligand molecules do not contain data on the Cartesian coordinates of hydrogen atoms, the coordinates of the missing atoms are added to the atomic coordinates of the target molecule and ligand molecule using various computer programs for constructing molecular structures. The positions in the space of the added hydrogen atoms are determined by molecular-mechanical or quantum-mechanical optimization from the condition under which the total energy of the target molecule and the ligand molecule reaches a minimum when the coordinates of the added hydrogen atoms are varied.

Структуру межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда получают с помощью стыковки молекулы-лиганда и молекулы-мишени или, как чаще принято называть, докинга, для чего выполняют преобразование координат атомов этих молекул таким образом, чтобы наименьшее расстояние между каждым из атомов лиганда и заданными атомами молекулы-мишени находилось в заданном диапазоне.The structure of the intermolecular complex of the target molecule and the ligand molecule is obtained by docking the ligand molecule and the target molecule or, as is often called, docking, for which the coordinates of the atoms of these molecules are transformed so that the smallest distance between each of the ligand atoms and given atoms of the target molecule was in a given range.

Для того чтобы учесть при моделировании влияние растворителя на связывание молекулы-мишени и молекулы-лиганда в рамках явного учета растворителя, множество координат молекул растворителя добавляют к множеству координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и к множествам координат молекулы-лиганда и молекулы-мишени по отдельности. Это делают так, чтобы молекулы растворителя заполняли собой без взаимопересечений и пересечений с атомами межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда все пространство вокруг этих молекулярных систем. Положение молекул растворителя оптимизируют, как правило, в рамках пакетов молекулярной механики или молекулярной динамики вблизи межмолекулярного комплекса и его компонентов, взятых индивидуально.In order to take into account the influence of a solvent on the binding of a target molecule and a ligand molecule in the course of explicit accounting of the solvent, the set of coordinates of the solvent molecules is added to the set of coordinates of the intermolecular complex of the target ligand and to the sets of coordinates of the ligand molecule and the target molecule separately. This is done so that the solvent molecules fill the entire space around these molecular systems without intersections and intersections with the atoms of the intermolecular complex, the target molecule and the ligand molecule. The position of the solvent molecules is optimized, as a rule, within the framework of packages of molecular mechanics or molecular dynamics near the intermolecular complex and its components taken individually.

Квантово-механические модели молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса строят на основе полученных структур этого межмолекулярного комплекса и его компонентов с явно учитываемым растворителем. Для этого проводят сортировку атомов межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда вместе с атомами растворителя на две группы. Для межмолекулярного комплекса в первую группу должны войти все атомы молекулы-лиганда, а также атомы молекулы-мишени и молекулы растворителя, расстояния от которых до каждого из атомов молекулы-лиганда не превышают заданное значение, а во вторую группу входят все остальные атомы молекулы-мишени и все остальные молекулы растворителя. Для модели молекулы-мишени в первую группу атомов должны войти те же атомы молекулы-мишени, которые входят в первую группу атомов межмолекулярного комплекса. Кроме этого, в первую группу должны войти молекулы растворителя, которые находятся от атомов молекулы-мишени, включенных в первую группу, на расстоянии, не превышающем заданную величину, а во вторую группу входят все остальные атомы молекулы-мишени и все остальные молекулы растворителя. Для модели молекулы-лиганда в первую группу атомов должны войти все атомы молекулы-лиганда, а также молекулы растворителя, которые находятся от атомов молекулы-лиганда на расстоянии, не превышающем заданную величину, а во вторую группу входят все остальные молекулы растворителя.Quantum-mechanical models of a target molecule, a ligand molecule, and their intermolecular complex are constructed on the basis of the obtained structures of this intermolecular complex and its components with an explicitly taken into account solvent. For this, the atoms of the intermolecular complex, the target molecule and the ligand molecule are sorted together with the solvent atoms into two groups. For an intermolecular complex, the first group should include all the atoms of the ligand molecule, as well as the atoms of the target molecule and the solvent molecule, the distances from which to each of the atoms of the ligand molecule do not exceed a specified value, and the second group includes all other atoms of the target molecule and all other solvent molecules. For the model of the target molecule, the same atoms of the target molecule that are included in the first group of atoms of the intermolecular complex must enter the first group of atoms. In addition, the first group should include solvent molecules that are located from the atoms of the target molecule included in the first group at a distance not exceeding a specified value, and the second group includes all other atoms of the target molecule and all other solvent molecules. To model a ligand molecule, the first group of atoms should include all atoms of the ligand molecule, as well as solvent molecules, which are located at a distance from the atoms of the ligand molecule not exceeding a specified value, and the second group includes all other solvent molecules.

Как правило, атомы первой группы всех рассматриваемых молекулярных систем моделируются методами квантовой механики, а атомы второй группы моделируются методами классической механики, или же атомы второй группы исключаются из моделирования. Для моделирования стыковки двух групп атомов, рассчитываемых в рамках квантового и классического методов, вводятся дополнительные атомы вблизи области пространства, где атомы первой и второй групп находятся на расстоянии друг от друга, не превышающем заданную величину. При этом дополнительные пограничные атомы рассчитывают одновременно в классическом и квантовом приближениях. Если только атомы первой группы рассчитываются в рамках квантового метода, а атомы второй группы исключаются из моделирования, добавленные атомы также рассчитываются в рамках квантового подхода. При этом дополнительные атомы добавляют таким образом, чтобы они образовывали новые ковалентные связи взамен оборванных ковалентных связей между атомами первой и второй групп.As a rule, the atoms of the first group of all considered molecular systems are modeled by the methods of quantum mechanics, and the atoms of the second group are modeled by the methods of classical mechanics, or the atoms of the second group are excluded from the simulation. To simulate the joining of two groups of atoms, calculated in the framework of quantum and classical methods, additional atoms are introduced near the space region where the atoms of the first and second groups are at a distance from each other not exceeding a given value. In this case, additional boundary atoms are calculated simultaneously in the classical and quantum approximations. If only the atoms of the first group are calculated in the framework of the quantum method, and the atoms of the second group are excluded from the simulation, the added atoms are also calculated in the framework of the quantum approach. In this case, additional atoms are added so that they form new covalent bonds instead of dangling covalent bonds between the atoms of the first and second groups.

Для полученных моделей определяют зарядовые состояния различных молекулярных групп и согласно этому добавляют или убирают дополнительные атомы в соответствующих местах этих молекулярных групп. По этим зарядовым состояниям определяют полный заряд построенных моделей межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда.For the obtained models, the charge states of various molecular groups are determined and, according to this, additional atoms are added or removed in the corresponding places of these molecular groups. From these charge states, the total charge of the constructed models of the intermolecular target – ligand complex, target molecule, and ligand molecule is determined.

Когда растворителем является вода, для того, чтобы лучше воспроизвести образование и разрыв водородных связей, при переходе от комплекса к его компонентам, в модели вводят дополнительные молекулы воды. К межмолекулярному комплексу добавляют молекулы воды так, чтобы они находились между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом и образовывали с ними водородные связи. К молекуле-мишени и к молекуле-лиганду добавляют молекулы воды так, чтобы с их участием восстановить оборванные водородные связи, которые присутствовали в межмолекулярном комплексе между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом и которые были оборваны при удалении молекулы-лиганда из молекулы-мишени.When the solvent is water, in order to better reproduce the formation and breaking of hydrogen bonds, when passing from the complex to its components, additional water molecules are introduced into the model. Water molecules are added to the intermolecular complex so that they are between the target molecule and the ligand molecule and form hydrogen bonds with them. Water molecules are added to the target molecule and to the ligand molecule so that, with their participation, the dangling hydrogen bonds that were present in the intermolecular complex between the target molecule and the ligand molecule and which were broken off when the ligand molecule was removed from the target molecule are restored.

Однако для правильного учета влияния растворителя, как правило, недостаточно учесть явно некоторое количество молекул растворителя, и в этом случае требуется учесть растворитель в неявной модели, когда его экранирующее влияние учитывается путем введения в модель непрерывной среды с нужным значением диэлектрической проницаемости. В предложенном методе моделирования связывания мишени и лиганда использованы три типа модели неявного учета растворителя, а именно модель, реализующая решение уравнения Пуассона, модель непрерывного проводника и модель, реализующая решение уравнения Пуассона-Больцмана.However, in order to correctly take into account the influence of the solvent, as a rule, it is not enough to explicitly take into account a certain number of solvent molecules, and in this case, it is necessary to take into account the solvent in the implicit model, when its screening effect is taken into account by introducing into the model a continuous medium with the desired dielectric constant. In the proposed method for simulating target and ligand binding, three types of the model of implicit solvent accounting are used, namely, a model that implements the solution of the Poisson equation, a continuous conductor model, and a model that implements the solution of the Poisson-Boltzmann equation.

Все данные, полученные на этапе построения моделей молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса, используются для формирования входных файлов для квантово-механического моделирования. В этих входных файлах содержится информация о координатах и типах всех атомов рассматриваемых молекулярных систем, их полный заряд и мультиплетность, координаты и тип атомов молекул растворителя, добавленных в явной модели к межмолекулярному комплексу и его компонентам, параметры растворителя в неявной модели. Кроме того, во входных файлах содержится информация о параметрах оптимизационного процесса, а именно метод и параметры метода моделирования, тип оптимизационной процедуры, пределы самосогласования и минимизации.All data obtained at the stage of constructing models of the target molecule, ligand molecule, and intermolecular complex are used to form input files for quantum-mechanical modeling. These input files contain information on the coordinates and types of all atoms of the considered molecular systems, their total charge and multiplicity, the coordinates and type of atoms of the solvent molecules added in the explicit model to the intermolecular complex and its components, the parameters of the solvent in the implicit model. In addition, the input files contain information about the parameters of the optimization process, namely the method and parameters of the modeling method, the type of optimization procedure, the limits of self-consistency and minimization.

Входные файлы используют для того, чтобы с помощью соответствующей программы моделирования полной энергии молекулярной системы, основанной или на комбинации квантово-механического и классического приближения или только на квантово-механическом приближении, найти минимум полной энергии трех рассматриваемых молекулярных систем при варьировании положений всех или некоторых дополнительно определенных атомов. Полученные значения полных энергий молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса используют для вычисления энтальпии связывания компонентов в комплексе. Энтальпия связывания вычисляется как разность между полной энергией межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны, при соблюдении и при не соблюдении баланса молекул растворителя.The input files are used to use the appropriate program to simulate the total energy of the molecular system, based either on a combination of the quantum-mechanical and classical approximations, or only on the quantum-mechanical approximation, to find the minimum total energy of the three molecular systems under consideration when varying the positions of all or some of the additional certain atoms. The obtained values of the total energies of the target molecule, the ligand molecule and their intermolecular complex are used to calculate the enthalpy of binding of the components in the complex. The binding enthalpy is calculated as the difference between the total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent, on the one hand, and the sum of the total energies of the target molecule in the solvent and the ligand molecule in the solvent, on the other hand, while observing and not observing the balance of solvent molecules.

В соответствии с настоящим изобретением вычисление энтальпии связывания молекулы-мишени и молекулы-лиганда можно проводить, используя другой метод, при котором полные энергии молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса рассчитывают не в точке минимума, а как средние значения полных энергий, полученных для ряда конфигураций межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. При этом координаты атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, соответствующие каждой из таких конфигураций, могут быть получены в рамках молекулярно-динамического моделирования. В качестве исходных данных при таком виде моделирования также используется структура молекулы-мишени и молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, полученного стыковкой координат его компонентов. При молекулярно-динамическом моделировании может использоваться как явная, так и неявная модели растворителя, которые вводятся способами, описанными ранее.In accordance with the present invention, the enthalpy of binding of the target molecule and the ligand molecule can be calculated using another method, in which the total energies of the target molecule, ligand molecule and their intermolecular complex are calculated not at the minimum point, but as average values of the total energies, obtained for a number of configurations of the intermolecular target-ligand complex. In this case, the atomic coordinates of the target molecule, ligand molecule, and their intermolecular complex, corresponding to each of these configurations, can be obtained in the framework of molecular dynamics modeling. The structure of the target molecule and the ligand molecule and their intermolecular complex obtained by joining the coordinates of its components are also used as input data for this type of modeling. In molecular dynamics modeling, both the explicit and implicit solvent models can be used, which are introduced by the methods described previously.

Для межмолекулярного комплекса, вне зависимости от модели растворителя, моделирование осуществляется путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда с учетом наличия молекул растворителя, при этом определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения их теплового равновесия и определяют координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. Аналогично получают набор конфигураций молекулы-мишени и молекулы-лиганда.For an intermolecular complex, regardless of the solvent model, modeling is carried out by solving the Newton or Lagrange equations, taking into account the thermal motion of all atoms of the target molecule and the ligand molecule taking into account the presence of solvent molecules, and the state of the molecular system is determined in which it reaches thermal equilibrium. Then, the motion paths of all atoms of the system are determined after their thermal equilibrium is reached, and the coordinates of all atoms of the interacting target molecule, ligand molecule, and solvent molecules are determined at predetermined time intervals for a given number of times for a given set of configurations of the intermolecular target-ligand complex. Similarly, a set of configurations of the target molecule and the ligand molecule is obtained.

Для каждого набора координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда в явной или неявной модели растворителя проводят сортировку всех атомов на группы аналогично тому, как это осуществлялось ранее. Для каждой конфигурации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда формируют входной файл для квантово-механического моделирования межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, как описано выше. Для каждого входного файла, то есть для каждой конфигурации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда, с помощью выбранного метода моделирования проводят расчет полной энергии этих молекулярных систем в растворителе без оптимизации пространственного строения комплекса. Затем вычисляют средние значения полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда в растворителе по всему выбранному набору конфигураций этой молекулярной системы. Используя полученные средние значения полных энергий межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, вычисляют энтальпию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе как разность между полной энергией межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны.For each coordinate set of the intermolecular target-ligand complex, target molecule, ligand molecule, in an explicit or implicit solvent model, all atoms are sorted into groups in the same way as before. For each configuration of the intermolecular target-ligand complex, target molecules, ligand molecules, an input file is generated for quantum-mechanical modeling of the target-ligand intermolecular complex in a solvent, as described above. For each input file, that is, for each configuration of the target-ligand intermolecular complex, target molecule, ligand molecule, the total energy of these molecular systems in a solvent is calculated using the selected modeling method without optimizing the spatial structure of the complex. Then, the average values of the total energy of the target-ligand intermolecular complex, the target molecule, and the ligand molecule in the solvent are calculated over the entire selected set of configurations of this molecular system. Using the obtained average values of the total energies of the target-ligand intermolecular complex in the solvent, the target molecules in the solvent, and the ligand molecules in the solvent, the enthalpy of binding of the ligand molecule to the target molecule in the solvent is calculated as the difference between the total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent on the one hand, and the sum of the total energies of the target molecule in the solvent and the ligand molecule in the solvent, on the other hand.

Расчет энтропии связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе связывания можно разделить на расчет трех ее компонентов, а именно колебательной, поступательной и вращательной составляющих.The calculation of the entropy of binding of a ligand molecule to a target molecule in a binding solvent can be divided into the calculation of its three components, namely, the vibrational, translational, and rotational components.

Энтропия, связанная с потерей колебательных степеней свободы при переходе от свободных состояний молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе к их межмолекулярному комплексу, определяется колебательными частотами молекул, участвующих в рассматриваемом процессе. Для получения колебательных частот рассматриваемых молекулярных систем, в рамках используемого способа квантово-механического моделирования рассчитываются силовые постоянные или вторые производные полных энергий, относящиеся к межмолекулярному комплексу, молекуле-мишени и молекуле-лиганду, по всем координатам атомов в точках соответствующих минимумов.Entropy associated with the loss of vibrational degrees of freedom during the transition from free states of a target molecule and a ligand molecule in a solvent to their intermolecular complex is determined by the vibrational frequencies of the molecules involved in the process under consideration. To obtain the vibrational frequencies of the considered molecular systems, the force constant or second derivatives of the total energies related to the intermolecular complex, the target molecule, and the ligand molecule are calculated for all atomic coordinates at the points of the corresponding minima within the framework of the quantum-mechanical modeling method used.

В изменение энтропии при связывании молекулы-лиганда с молекулой-мишенью вносит вклад и то, что эти молекулы при связывании теряют и поступательные и вращательные степени свободы, которыми они обладали в свободном состоянии. Для вычисления этой части энтропии используются только координаты и атомные веса атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, и этот расчет, как правило, вынесен за рамки квантово-механического моделирования. Полное изменение энтропии при связывании молекулы-лиганда с молекулой-мишенью рассчитывают как сумму изменений различных ее компонент.The entropy change upon binding of the ligand molecule to the target molecule is also contributed by the fact that these molecules lose both the translational and rotational degrees of freedom that they possessed in the free state upon binding. To calculate this part of the entropy, only the coordinates and atomic weights of the atoms of the target molecule, the ligand molecule, and their intermolecular complex are used, and this calculation, as a rule, is outside the scope of quantum-mechanical modeling. The total change in entropy upon binding of the ligand molecule to the target molecule is calculated as the sum of the changes in its various components.

Процесс связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью происходит в растворителе. Каждая из этих молекул создает в растворителе полость, расталкивая молекулы растворителя. Этот процесс требует затраты определенной свободной энергии, которая называется энергией кавитации, и она зависит только от свойств растворителя и формы молекулы, помещаемой в растворитель. Изменение кавитационной энергии при связывании молекулы-мишени и молекулы-лиганда вычисляется дополнительно и учитывается при расчете свободной энергии связывания в комплексе. Последняя рассчитывается как сумма энтальпийного, энтропийного членов и члена, характеризующего изменение кавитационной энергии.The process of binding a ligand molecule to a target molecule occurs in a solvent. Each of these molecules creates a cavity in the solvent, pushing apart the solvent molecules. This process requires the expenditure of a certain free energy, which is called cavitation energy, and it depends only on the properties of the solvent and the form of the molecule placed in the solvent. The change in cavitation energy upon binding of the target molecule and the ligand molecule is additionally calculated and taken into account when calculating the free binding energy in the complex. The latter is calculated as the sum of the enthalpy, entropy terms and the term characterizing the change in cavitation energy.

Рассчитанные энтальпия, энтропия и свободная энергия связывания являются энергетическими характеристиками интенсивности связывания молекулы-мишени и молекулы-лиганда и используются для прогнозирования связывания новых лигандов с молекулами-мишенями.The calculated enthalpy, entropy, and free binding energy are energy characteristics of the binding intensity of the target molecule and the ligand molecule and are used to predict the binding of new ligands to target molecules.

Изобретение поясняется на примерах осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее:The invention is illustrated in the embodiments illustrated by the drawings, which represent the following:

Фиг.1 - блок-схема способа квантово-механического моделирования и прогнозирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью;Figure 1 is a flowchart of a method of quantum mechanical modeling and prediction of the binding of a ligand molecule to a target molecule;

Фиг.2 - блок-схема способа выбора молекулы-мишени и молекулы-лиганда и построения межмолекулярного комплекса, состоящего из лиганда и мишени;Figure 2 is a flow diagram of a method for selecting a target molecule and a ligand molecule and constructing an intermolecular complex consisting of a ligand and a target;

Фиг.3 - блок-схема способа построения квантово-механических моделей межмолекулярного комплекса лиганд-мишень и его компонентов с явным и неявным учетом растворителя;Figure 3 is a flowchart of a method for constructing quantum mechanical models of an intermolecular complex of a ligand-target and its components with explicit and implicit consideration of a solvent;

Фиг.4 - блок-схема способа квантово-механического моделирования межмолекулярного взаимодействия между молекулой-лигандом и молекулой-мишенью с учетом растворителя, включающего вычисления энтальпии, энтропии, свободной энергии связывания лиганда и мишени.Figure 4 is a flowchart of a method for quantum-mechanical modeling of intermolecular interaction between a ligand molecule and a target molecule, taking into account a solvent, including calculation of enthalpy, entropy, free binding energy of a ligand and a target.

Фиг.5 - блок-схема молекулярно-динамического способа квантово-механического моделирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями в растворителе.5 is a flowchart of a molecular dynamics method for quantum mechanical modeling of the binding of ligand molecules to target molecules in a solvent.

Фиг.6 - структурные формулы (левая колонка) и квантово-механически оптимизированные структуры (правая колонка) лигандов, соответствующих комплексам белок-лиганд, которые были выбраны как тестовые системы для моделирования связывания в системе белок-лиганд методами квантовой механики.6 - structural formulas (left column) and quantum-mechanically optimized structures (right column) of ligands corresponding to protein-ligand complexes that were selected as test systems for modeling binding in a protein-ligand system by quantum mechanics.

Фиг.7 - модель активного центра комплекса 1AJ6 (система 5 по таблице 1). Белок представлен тонкими палочками, молекулы воды представлены толстыми палочками, молекула лиганда представлена шариками и палочками. Пунктирные линии обозначают водородные связи в комплексе белок-лиганд.7 is a model of the active center of the complex 1AJ6 (system 5 according to table 1). Protein is represented by thin rods, water molecules are represented by thick rods, the ligand molecule is represented by balls and rods. Dotted lines indicate hydrogen bonds in the protein-ligand complex.

Фиг.8 - схема способа W1 добавления молекул воды к компонентам комплекса белок-лиганд.Fig. 8 is a flow diagram of a method W1 for adding water molecules to components of a protein-ligand complex.

Фиг.9 - схема способа W2 добавления молекул воды к компонентам комплекса белок-лиганд.Fig.9 is a diagram of a method W2 adding water molecules to the components of the protein-ligand complex.

На фиг.1 изображена общая схема заявленного способа моделирования и прогнозирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью. На этапе 1 выбирают молекулу-мишень и молекулу-лиганд и получают их структуру. Из выбранных молекулы-мишени и молекулы-лиганда на этапе 2 формируют их межмолекулярный комплекс. Исходя из структуры и состава этого межмолекулярного комплекса, на этапе 3 формируют модели межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и его компонентов с явным и неявным учетом растворителя, которые используются далее на этапе 4 при моделировании связывания молекулы-лиганда и молекулы-мишени с учетом влияния растворителя методами квантовой механики с выбранными параметрами моделирования. Используя результаты этого моделирования, на этапе 5 вычисляют числовые данные, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, а именно энтальпию, энтропию и свободную энергию связывания выбранной молекулы-лиганда и молекулы-мишени, и записывают эти величины в виде числовых данных на носитель информации. На этапе 6 экспериментально измеряются аналогичные величины, характеризующие интенсивность связывания заданной молекулы-лиганда с заданной молекулой-мишенью. Затем рассчитанные при моделировании величины, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, сравниваются на этапе 7 с измеренными на этапе 6 соответствующими величинами. В случае расхождения выше заданного предела рассчитанных и измеренных величин на этапе 8 корректируются модель построения межмолекулярного комплекса и параметры квантово-механического моделирования взаимодействия молекулы-мишени и молекулы-лиганда, в частности корректируется модель учета влияния растворителя на связывание. Затем снова проводят моделирование на этапе 4 и рассчитывают на этапе 5 величины, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью. Этот процесс выработки оптимальной модели и параметров моделирования продолжается до тех пор, пока расхождение между рассчитанными и измеренными величинами, характеризующими связывание молекул между собой, не станет меньше заданной величины. После этого процесс подгонки параметров моделирования для заданной пары молекулы-мишени и молекулы-лиганда считается законченным.Figure 1 shows a General diagram of the claimed method for modeling and predicting the binding of a ligand molecule to a target molecule. In step 1, a target molecule and a ligand molecule are selected and their structure is obtained. From the selected target molecules and ligand molecules, at stage 2, their intermolecular complex is formed. Based on the structure and composition of this intermolecular complex, in step 3, models of the target-ligand intermolecular complex and its components are formed with explicit and implicit solvent considerations, which are used later in step 4 to model the binding of the ligand molecule and target molecule taking into account the influence of the solvent by methods quantum mechanics with selected simulation parameters. Using the results of this simulation, at step 5, numerical data characterizing the intensity of binding of the ligand molecule to the target molecule, namely the enthalpy, entropy, and free binding energy of the selected ligand molecule and target molecule, are calculated, and these values are written in the form of numerical data on storage medium. At step 6, similar values are experimentally measured that characterize the binding rate of a given ligand molecule with a given target molecule. Then, the values calculated during the simulation, characterizing the intensity of binding of the ligand molecule to the target molecule, are compared in step 7 with the corresponding values measured in step 6. In case of discrepancy above the predetermined limit of the calculated and measured values, at step 8, the model for constructing the intermolecular complex and the parameters of quantum-mechanical modeling of the interaction of the target molecule and the ligand molecule are corrected, in particular, the model for taking into account the influence of the solvent on binding is adjusted. Then, the simulation is again carried out in step 4 and the values characterizing the binding intensity of the ligand molecule with the target molecule are calculated in step 5. This process of developing the optimal model and modeling parameters continues until the discrepancy between the calculated and measured values characterizing the binding of molecules to each other is less than a given value. After that, the process of fitting modeling parameters for a given pair of target molecules and ligand molecules is considered complete.

Далее, выбирается другая пара молекулы-лиганда и молекулы-мишени, и для нее повторяются описанные выше этапы формирования модели межмолекулярного комплекса (3), квантово-механического моделирования (4), вычисления величин, характеризующих связывание молекулы-лиганда с молекулой-мишенью (5), измерения этих величин (6), сравнения вычисленных и измеренных величин (7) и корректировки параметров (8). В качестве начальных параметров используются значения параметров моделирования, полученные для предыдущей пары молекулы-мишени и молекулы-лиганда. Затем выбирается следующая пара молекулы-мишени и молекулы-лиганда и т.д.Next, another pair of the ligand molecule and the target molecule is selected, and the steps described above for the formation of the model of the intermolecular complex (3), quantum-mechanical modeling (4), and the calculation of the quantities characterizing the binding of the ligand molecule to the target molecule are repeated for it (5 ), measuring these values (6), comparing the calculated and measured values (7) and adjusting the parameters (8). As the initial parameters, the values of the simulation parameters obtained for the previous pair of the target molecule and the ligand molecule are used. Then the next pair of target molecules and ligand molecules, etc., is selected.

В результате такой самосогласованной процедуры определяются параметры моделирования, которые позволяют получать с заданной точностью значения величин, характеризующих интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, а именно энтальпию, энтропию и свободную энергию связывания, для определенного множества пар молекул-мишеней и молекул-лигандов. Этот процесс расширения множества пар молекул-мишеней и молекул-лигандов и самосогласованной подгонки параметров моделирования продолжается до тех пор, пока для очередной взятой вновь пары молекулы-мишени и молекулы-лиганда характеризующие интенсивность связывания величины, вычисленные с использованием параметров моделирования, полученных для других пар молекул, не будут совпадать с заданной точностью с измеренными для данной пары молекул величинами, характеризующими интенсивность связывания. После этого окончательные значения параметров моделирования записываются на этапе 7 (фиг.1) на носитель информации, и в дальнейшем они используются для прогнозирования.As a result of such a self-consistent procedure, modeling parameters are determined that allow one to obtain, with a given accuracy, the values characterizing the intensity of binding of a ligand molecule to a target molecule, namely, enthalpy, entropy, and free binding energy, for a certain set of pairs of target molecules and ligand molecules . This process of expansion of many pairs of target molecules and ligand molecules and self-consistent fitting of the modeling parameters continues until, for the next pair of target molecules and the ligand molecule, characterizing the binding intensity, the values calculated using the modeling parameters obtained for other pairs molecules will not coincide with a given accuracy with the values measured for a given pair of molecules characterizing the binding intensity. After that, the final values of the simulation parameters are recorded at step 7 (Fig. 1) on a storage medium, and then they are used for forecasting.

На этапе 9 проводится подтверждение правильности выбранных методов формирования квантово-механических моделей и методов моделирования межмолекулярного взаимодействия в комплексе путем демонстрации совпадения с заданной точностью (которая должна быть порядка точности самих квантовых расчетов 0,1-2,0 ккал/моль) экспериментальных и вычисленных в рамках выработанной модели величин, характеризующих интенсивность связывания для очередных пар молекул-мишеней и молекул-лигандов, которые не использовались в итерационной процедуре разработки способа моделирования. В дальнейшем процедура построения квантово-механической модели и моделирования межмолекулярного взаимодействия в комплексе, состоящем из молекулы-лиганда и молекулы-мишени, используются для определения на этапе 10 группы новых лигандов, имеющих лучшее связывание с заданной молекулой-мишенью.At stage 9, the correctness of the chosen methods for the formation of quantum-mechanical models and methods for modeling intermolecular interactions in the complex is demonstrated by demonstrating the coincidence with a given accuracy (which should be on the order of accuracy of the quantum calculations themselves 0.1-2.0 kcal / mol) experimental and calculated in within the framework of the developed model of quantities characterizing the binding intensity for the next pairs of target molecules and ligand molecules that were not used in the iterative procedure ki modeling method. In the future, the procedure for constructing a quantum-mechanical model and modeling intermolecular interactions in a complex consisting of a ligand molecule and a target molecule is used to determine, at step 10, a group of new ligands that have better binding to a given target molecule.

Прогнозирование на этапе 11 молекул-лигандов, которые достаточно сильно связываются с заданной молекулой-мишенью и могут быть новыми потенциальными лекарственными веществами, заключается в следующем. Для заданной молекулы-мишени формируется множество молекул-лигандов, кандидатов для прогнозирования, исходя из различных баз данных и библиотек фрагментов с помощью программ, использующих определенные правила построения лигандов в активном центре молекулы-мишени. Исходные базы данных содержат информацию о структуре молекул или структуре фрагментов молекул, полученную в различных экспериментах, или содержат координаты атомов молекул или фрагментов молекул, построенных с помощью различных компьютерных программ. Количество молекул в таком множестве молекул-лигандов, являющихся кандидатами для прогнозирования, может быть огромно, до нескольких миллионов, и каждая из этих молекул существует в реальности или может быть синтезирована. Важно, чтобы для молекул этого множества имелась информация об их химическом составе, трехмерной структуре и координатах всех атомов. Для каждой молекулы-лиганда из выбранного множества проводится моделирование на этапе 5 (фиг.1) процесса связывания и вычисление на этапе 6 величин, характеризующих связывание, с учетом влияния растворителя, молекулы-лиганда с заданной молекулой-мишенью, а именно энтальпии, энтропии и свободной энергии связывания с использованием окончательных значений параметров моделирования, полученных на предыдущем этапе. В результате такого моделирования получают величины, характеризующие интенсивность связывания всех молекул-лигандов из выбранного множества с заданной молекулой-мишенью. По результатам моделирования выбирают ряд наиболее перспективных молекул-лигандов, имеющих лучшие значения величин, характеризующих интенсивность связывания. Те молекулы-лиганды, для которых прогнозируется хорошее связывание, могут быть использованы в реальных химических экспериментах по связыванию с заданной молекулой-мишенью. Очевидно, что при таком подходе существенно сокращается число молекул-лигандов, для которых необходимо проводить экспериментальные тестирования. Таким образом, предлагаемый способ компьютерного прогнозирования молекул-лигандов, которые могут быть новыми потенциальными лекарственными веществами, позволяет избежать значительных временных и материальных затрат на синтез новых веществ и проведение экспериментов по измерению величин, характеризующих интенсивность связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями.Prediction at stage 11 of the ligand molecules, which are quite strongly associated with a given target molecule and may be new potential drug substances, is as follows. For a given target molecule, a lot of ligand molecules are formed, candidates for prediction based on various databases and fragment libraries using programs that use certain rules for constructing ligands in the active center of the target molecule. The source databases contain information about the structure of molecules or the structure of fragments of molecules obtained in various experiments, or contain the coordinates of the atoms of molecules or fragments of molecules constructed using various computer programs. The number of molecules in so many ligand molecules that are candidates for prediction can be huge, up to several million, and each of these molecules exists in reality or can be synthesized. It is important that for the molecules of this set there is information about their chemical composition, three-dimensional structure and the coordinates of all atoms. For each ligand molecule from the selected set, modeling is carried out at step 5 (Fig. 1) of the binding process and calculation at step 6 of the values characterizing the binding, taking into account the influence of a solvent, a ligand molecule with a given target molecule, namely, enthalpy, entropy and free binding energy using the final values of the simulation parameters obtained in the previous step. As a result of such modeling, values are obtained that characterize the intensity of binding of all ligand molecules from the selected set to a given target molecule. Based on the simulation results, a number of the most promising ligand molecules are selected that have the best values of the values characterizing the binding intensity. Those ligand molecules for which good binding is predicted can be used in real-world chemical experiments to bind to a given target molecule. Obviously, with this approach, the number of ligand molecules for which experimental testing is necessary is significantly reduced. Thus, the proposed method for computer-aided prediction of ligand molecules, which may be new potential drug substances, avoids significant time and material costs for the synthesis of new substances and experiments to measure values characterizing the intensity of binding of ligand molecules to target molecules.

Далее подробно описаны основные этапы, представленные на фиг.1, заявленного квантово-механического способа моделирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью с учетом влияния растворителя.The main steps presented in FIG. 1 are described in detail below, of the claimed quantum mechanical method for simulating the binding of a ligand molecule to a target molecule, taking into account the influence of a solvent.

На фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ формирования межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда (этап 2 на фиг.1) в соответствии с изобретением.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for forming an intermolecular complex of a target molecule and a ligand molecule (step 2 in FIG. 1) in accordance with the invention.

Исходя из множества 12 известных молекул-лигандов на этапе 13 выбирают молекулу-мишень, для которой необходимо произвести моделирование и прогнозирование связывания с ней различных молекул-лигандов. Структуру и состав этой молекулы-мишени получают на этапе 14 с помощью экспериментальных измерений, например с помощью рентгеноструктурного анализа, методами рассеяния нейтронов или ядерного магнитного резонанса. Структуру и состав молекулы-мишени можно также получить в виде набора декартовых координат соответствующих атомов, полученных в ходе молекулярно-механического или молекулярно-динамического моделирования, проводимого после считывания с соответствующих носителей информации предварительно сохраненных данных, извлеченных из различных баз данных о строении молекулы-мишени. В том случае, когда молекула-мишень является белком, ее структуру и состав получают из базы данных PDB (Protein Data Bank) [7], доступной через Интернет.Based on the set of 12 known ligand molecules, in step 13, a target molecule is selected for which it is necessary to model and predict the binding of various ligand molecules to it. The structure and composition of this target molecule is obtained in step 14 using experimental measurements, for example, using X-ray diffraction analysis, neutron scattering or nuclear magnetic resonance methods. The structure and composition of the target molecule can also be obtained in the form of a set of Cartesian coordinates of the corresponding atoms obtained during molecular-mechanical or molecular-dynamic modeling carried out after reading previously stored data extracted from various databases on the structure of the target molecule from the corresponding information carriers . In the case when the target molecule is a protein, its structure and composition are obtained from the PDB database (Protein Data Bank) [7], available via the Internet.

Как правило, в исходных структурах молекул-мишеней отсутствуют данные о декартовых координатах водородных атомов. Координаты недостающих атомов водорода добавляют на этапе 15 там, где это необходимо, к координатам тяжелых атомов молекулы-мишени, используя различные компьютерные программы построения молекулярных структур. Оптимизированные значения декартовых координат добавленных атомов водорода определяют на этапе 16 из условия, при котором полная энергия молекулы-мишени достигает минимума (при молекулярно-механической или квантово-механической оптимизации) при варьировании координат добавленных водородных атомов.As a rule, the initial structures of target molecules do not contain data on the Cartesian coordinates of hydrogen atoms. The coordinates of the missing hydrogen atoms are added in step 15, where necessary, to the coordinates of the heavy atoms of the target molecule using various computer programs for constructing molecular structures. The optimized values of the Cartesian coordinates of the added hydrogen atoms are determined at step 16 from the condition under which the total energy of the target molecule reaches a minimum (with molecular-mechanical or quantum-mechanical optimization) with varying coordinates of the added hydrogen atoms.

Информацию о структуре и составе, а также о координатах всех атомов, включая координаты добавленных атомов водорода молекулы-мишени, записывают на этапе 17 на носитель информации в соответствующем формате.Information on the structure and composition, as well as the coordinates of all atoms, including the coordinates of the added hydrogen atoms of the target molecule, is recorded at step 17 on the information carrier in the appropriate format.

Исходя из множества 18 известных молекул-лигандов на этапе 19 выбирают молекулу-лиганд, для которой далее будет проводиться моделирование связывания ее с выбранной молекулой-мишенью. Помимо этого можно построить множество 20 новых лигандов, исходя из различного рода баз данных или библиотек фрагментов лигандов, и выбрать на этапе 19 из этого множества молекулу-лиганд, для которой далее будет проводиться прогнозирование связывания ее с выбранной молекулой-мишенью. Структуру, состав и координаты атомов известной молекулы-лиганда получают на этапе 21 аналогично тому, как это делалось для молекулы-мишени, а именно или с помощью экспериментальных измерений, в рамках молекулярно-механического или молекулярно-динамического моделирования или исходя из базы данных PDB. Структуру, состав и координаты атомов новой молекулы-лиганда могут получать с помощью специальных программ - построителей новых лигандов.Based on a plurality of 18 known ligand molecules, a ligand molecule is selected in step 19, for which it will then be modeled to bind to the selected target molecule. In addition, one can construct many 20 new ligands based on various kinds of databases or libraries of ligand fragments, and select at the stage 19 a ligand molecule from this set, for which it will be further predicted to bind to the selected target molecule. The structure, composition, and atomic coordinates of a known ligand molecule are obtained in step 21 in the same way as for a target molecule, namely, using experimental measurements, in the framework of molecular-mechanical or molecular-dynamic modeling, or based on the PDB database. The structure, composition and coordinates of atoms of a new ligand molecule can be obtained using special programs - builders of new ligands.

Если экспериментально известная или вновь сформированная структура молекулы-лиганда не содержит атомов водорода, то на этапе 22 к координатам тяжелых атомов лиганда добавляют там, где это необходимо, координаты недостающих атомов водорода, используя различные компьютерные программы формирования молекулярных структур. Координаты этих атомов водорода определяют на этапе 23 путем минимизации (или в рамках молекулярной механики, или в рамках квантовой механики) полной энергии молекулы-лиганда при варьировании координат добавленных атомов водорода. Координаты всех атомов молекулы-лиганда, включая координаты добавленных атомов водорода, записывают на этапе 24 на носитель информации в соответствующем формате.If the experimentally known or newly formed structure of the ligand molecule does not contain hydrogen atoms, then at step 22, coordinates of the missing hydrogen atoms are added to the coordinates of the heavy ligand atoms, using various computer programs for the formation of molecular structures. The coordinates of these hydrogen atoms are determined at step 23 by minimizing (either within the framework of molecular mechanics or within the framework of quantum mechanics) the total energy of the ligand molecule while varying the coordinates of the added hydrogen atoms. The coordinates of all atoms of the ligand molecule, including the coordinates of the added hydrogen atoms, are recorded at step 24 on the information carrier in the appropriate format.

Затем на этапе 25 с помощью стыковки молекулы-лиганда и молекулы-мишени получают структуру межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда (2 на фиг.1), который впоследствии используется в квантово-механическом моделировании. Для этого считывают координаты всех атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда, включая координаты добавленных атомов водорода, с носителя информации в память компьютера. После этого выполняют преобразование координат атомов этих молекул таким образом, чтобы наименьшее расстояние между каждым из атомов лиганда и заданными атомами молекулы-мишени находилось в заданном диапазоне. Такая процедура стыковки или, как чаще принято называть, докинга, необходима для совмещения в пространстве двух молекул, так как обычно координаты их атомов получаются из различных источников информации. Полученные таким образом координаты атомов межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда записывают на этапе 26 в память компьютера и используют для построения квантово-механической модели соответствующего межмолекулярного комплекса.Then, at step 25, by joining the ligand molecule and the target molecule, the structure of the intermolecular complex of the target molecule and ligand molecule (2 in FIG. 1) is obtained, which is subsequently used in quantum mechanical modeling. For this, the coordinates of all atoms of the target molecule and the ligand molecule, including the coordinates of the added hydrogen atoms, are read from the information carrier in the computer memory. After that, the coordinates of the atoms of these molecules are transformed so that the smallest distance between each of the ligand atoms and the given atoms of the target molecule is in the specified range. Such a docking procedure, or, as it is more commonly called, docking, is necessary for combining two molecules in space, since usually the coordinates of their atoms are obtained from various sources of information. The atomic coordinates of the intermolecular complex of the target molecule and the ligand molecule obtained in this way are written to computer memory at step 26 and used to construct a quantum-mechanical model of the corresponding intermolecular complex.

Далее межмолекулярный комплекс и его компоненты преобразуют таким образом, чтобы учесть при моделировании влияние растворителя на связывание молекулы-мишени и молекулы-лиганда на основе модели явного учета растворителя. Для этого на этапе 27 множество координат молекул растворителя добавляют к множеству координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. На этапах 28 и 29 множество координат молекул растворителя добавляют к множеству координат компонентов этого комплекса, взятых индивидуально, а именно к множеству координат молекулы-мишени (на этапе 28) и к множеству координат молекулы-лиганда (на этапе 29). Для межмолекулярного комплекса это делают на этапе 27 путем компьютерного вычисления координат, соответствующих положениям в пространстве множества молекул растворителя, так чтобы их средняя плотность соответствовала экспериментально наблюдаемой плотности растворителя. Молекулы растворителя должны заполнять собой без взаимопересечений и пересечений с атомами межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда пространство как между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом, так и вокруг них. Аналогично координаты множества молекул растворителя добавляют только к множеству координат молекулы-мишени на этапе 28, так чтобы их средняя плотность соответствовала экспериментально наблюдаемой плотности растворителя, и они заполняли собой без взаимопересечений и пересечений с атомами молекулы-мишени пространство вокруг нее. Также координаты множества молекул растворителя добавляют только к множеству координат молекулы-лиганда на этапе 29, так чтобы их средняя плотность соответствовала экспериментально наблюдаемой плотности растворителя, и они заполняли собой без взаимопересечений и пересечений с атомами молекулы-лиганда пространство вокруг нее. Положение молекул растворителя оптимизируют, как правило, в рамках пакетов молекулярной механики или молекулярной динамики вблизи межмолекулярного комплекса на этапе 30, а также вблизи его компонентов, взятых индивидуально, а именно вблизи молекулы-мишени на этапе 31 и молекулы-лиганда на этапе 32. На этапе 33 записывают на носитель информации в соответствующем формате координаты атомов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд вместе с координатами атомов молекул растворителя, находящимися вблизи поверхности комплекса. Кроме того, на этапе 33 отдельно на носитель записывают в соответствующем формате координаты атомов молекулы-мишени вместе с координатами атомов молекул растворителя, находящимися вблизи ее поверхности, и координаты атомов молекулы-лиганда вместе с координатами атомов молекул растворителя, находящимися вблизи ее поверхности.Further, the intermolecular complex and its components are transformed in such a way as to take into account, when modeling, the influence of the solvent on the binding of the target molecule and the ligand molecule based on the model of explicit accounting of the solvent. For this, at step 27, the multiple coordinates of the solvent molecules are added to the multiple coordinates of the intermolecular target-ligand complex. At steps 28 and 29, the multiple coordinates of the solvent molecules are added to the multiple coordinates of the components of this complex, taken individually, namely, the multiple coordinates of the target molecule (at step 28) and the multiple coordinates of the ligand molecule (at step 29). For the intermolecular complex, this is done at step 27 by computer calculation of the coordinates corresponding to the positions in the space of many solvent molecules, so that their average density corresponds to the experimentally observed density of the solvent. Solvent molecules must fill the space between the target molecule and the ligand molecule, and around them, without intersections and intersections with the atoms of the intermolecular complex of the target molecule and the ligand molecule. Similarly, the coordinates of many solvent molecules are added only to the set of coordinates of the target molecule at step 28, so that their average density corresponds to the experimentally observed density of the solvent, and they fill the space around it without intersections and intersections with the atoms of the target molecule. Also, the coordinates of the multiple solvent molecules are added only to the multiple coordinates of the ligand molecule at step 29, so that their average density corresponds to the experimentally observed density of the solvent, and they fill the space around it without intersections and intersections with the atoms of the ligand molecule. The position of the solvent molecules is optimized, as a rule, within the framework of packages of molecular mechanics or molecular dynamics near the intermolecular complex at step 30, as well as near its individual components, namely, near the target molecule in step 31 and the ligand molecule in step 32. At step 33, the coordinates of the atoms of the intermolecular target-ligand complex are recorded on the information carrier in an appropriate format together with the coordinates of the atoms of the solvent molecules located near the surface of the complex. In addition, at step 33, the coordinates of the atoms of the target molecule together with the coordinates of the atoms of the solvent molecules located near its surface and the coordinates of the atoms of the ligand molecule along with the coordinates of the atoms of the solvent molecules located near its surface are recorded separately on a carrier in the appropriate format.

Исходя из структуры полученного межмолекулярного комплекса, состоящего из молекулы-мишени и молекулы-лиганда, а также молекул растворителя затем формируют (этап 3 на фиг.1) квантово-механические модели этого межмолекулярного комплекса и его компонентов с явным и неявным учетом растворителя, используемые в квантово-механическом моделировании. На фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая соответствующий изобретению способ формирования таких квантово-механических моделей и, соответственно, формирования входных файлов, используемых далее для моделирования связывания в межмолекулярном комплексе мишень-лиганд.Based on the structure of the obtained intermolecular complex, consisting of a target molecule and a ligand molecule, as well as solvent molecules, quantum mechanical models of this intermolecular complex and its components are then formed (step 3 in FIG. 1) with explicit and implicit solvents used in quantum mechanical modeling. Figure 3 is a flowchart illustrating a method according to the invention for generating such quantum-mechanical models and, accordingly, generating input files, which are then used to model binding in a target-ligand intermolecular complex.

С помощью компьютерной программы на этапе 34 считывают из памяти компьютера координаты атомов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд вместе с добавленными молекулами растворителя, а также считывают координаты атомов молекулы-мишени, вместе с добавленными к ней молекулами и координаты атомов молекулы-лиганда, вместе с добавленными к ней молекулами растворителя. Затем вычисляют расстояния от атомов молекулы-лиганда в межмолекулярном комплексе до каждого атома молекулы-мишени и растворителя. Для формирования модели межмолекулярного комплекса мишень-лиганд на этапе 35 проводят сортировку атомов этого комплекса на две группы. Это делают таким образом, чтобы в первую группу вошли все атомы молекулы-лиганда, а также атомы молекулы-мишени и молекулы растворителя, расстояния от которых до каждого из атомов молекулы-лиганда не превышают заданное значение, а во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и все остальные молекулы растворителя. При этом, если хотя бы один атом какой-либо молекулы растворителя находится в пределах заданного расстояния от атомов молекулы-лиганда, то в первую группу атомов включаются все атомы этой молекулы растворителя. После этого на этом же этапе 35 начинают формировать с использованием координат атомов первой и второй групп входной файл для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы первой группы моделируются методами квантовой механики, а атомы второй группы моделируются методами классической механики. При этом оператор полной энергии строится в виде суммы следующих операторов: оператора полной энергии для квантовой части, состоящей из атомов первой группы, оператора полной энергии для классической части, состоящей из атомов второй группы, и оператора взаимодействия между классической и квантовой частями.Using a computer program, at step 34, the coordinates of the atoms of the target-ligand intermolecular complex together with the added solvent molecules are read from computer memory, and the coordinates of the atoms of the target molecule, together with the molecules added to it, and the coordinates of the atoms of the ligand molecule, along with those added to her solvent molecules. Then, the distances from the atoms of the ligand molecule in the intermolecular complex to each atom of the target molecule and solvent are calculated. To form a model of the intermolecular target – ligand complex, at stage 35, atoms of this complex are sorted into two groups. This is done so that the first group includes all the atoms of the ligand molecule, as well as the atoms of the target molecule and the solvent molecule, the distances from which to each of the atoms of the ligand molecule do not exceed a predetermined value, and the second group includes all other atoms of the molecule - targets and all other solvent molecules. Moreover, if at least one atom of a solvent molecule is within a specified distance from the atoms of a ligand molecule, then all atoms of this solvent molecule are included in the first group of atoms. After that, at the same stage 35, they begin to form, using the coordinates of the atoms of the first and second groups, an input file for calculating the intermolecular target-ligand complex in the solvent using the corresponding simulation program so that the atoms of the first group are modeled by quantum mechanics and the atoms of the second group are modeled methods of classical mechanics. In this case, the total energy operator is constructed as the sum of the following operators: the total energy operator for the quantum part, consisting of atoms of the first group, the total energy operator for the classical part, consisting of atoms of the second group, and the interaction operator between the classical and quantum parts.

Для формирования модели молекулы-мишени на этапе 36 проводят сортировку атомов молекулы-мишени и относящихся к ней молекул растворителя таким образом, что в первую группу атомов включают те же атомы молекулы-мишени, которые входят в первую группу атомов, сформированную на этапе 35. Кроме того, в первую группу включают также молекулы растворителя, которые находятся от атомов молекулы-мишени, включенных в первую группу, на расстоянии, не превышающем заданную величину, а во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и все остальные молекулы растворителя. После этого на этом же этапе 36 начинают формировать с использованием координат атомов первой и второй групп входной файл для расчета молекулы-мишени в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы первой группы моделируются методами квантовой механики, а атомы второй группы моделируются методами классической механики.To form the model of the target molecule, at stage 36, the atoms of the target molecule and the solvent molecules related to it are sorted so that the same atoms of the target molecule are included in the first group of atoms, which are included in the first group of atoms formed in stage 35. In addition to Moreover, the first group also includes solvent molecules that are located from the atoms of the target molecule included in the first group at a distance not exceeding a specified value, and the second group includes all other atoms of the target molecule and everything remains nye solvent molecules. After that, at the same stage 36, they begin to form, using the coordinates of the atoms of the first and second groups, an input file for calculating the target molecule in the solvent using the corresponding simulation program in such a way that the atoms of the first group are modeled by quantum mechanics, and the atoms of the second group are modeled by classical mechanics.

Для формирования модели молекулы-лиганда на этапе 37 проводят сортировку атомов молекулы-лиганда и молекул растворителя таким образом, что в первую группу атомов включаются все атомы молекулы-лиганда, а также молекулы растворителя, которые находятся от атомов молекулы-лиганда на расстоянии, не превышающем заданную величину, а во вторую группу включают все остальные молекулы растворителя. После этого на этом же этапе 37 начинают формировать с использованием координат атомов первой и второй групп входной файл для расчета молекулы-лиганда в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы первой группы моделируются методами квантовой механики, а атомы второй группы моделируются методами классической механики.To form a model of a ligand molecule, at stage 37, the atoms of the ligand molecule and solvent molecules are sorted in such a way that all atoms of the ligand molecule, as well as solvent molecules that are located at a distance from the atoms of the ligand molecule, are not included in the first group of atoms a given value, and the second group includes all other solvent molecules. After that, at the same stage 37, they begin to form, using the coordinates of the atoms of the first and second groups, an input file for calculating the ligand molecule in the solvent using the appropriate simulation program so that the atoms of the first group are modeled by quantum mechanics, and the atoms of the second group are modeled by classical mechanics.

В случае, когда молекула-мишень является белком, сортировку атомов на две группы (на этапе 35) в межмолекулярном комплексе проводят следующим образом. В первую группу атомов включают атомы молекулы-лиганда, атомы молекул растворителя, находящиеся на расстоянии, не превышающем заданное значение от атомов молекулы-лиганда, и атомы молекулы-мишени, которые составляют целые аминокислотные остатки, хотя бы один атом которых находится на расстоянии, не превышающем заданное значение от каждого атома молекулы-лиганда. Во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и молекул растворителя. При построении модели молекулы-мишени, которая является белком, в первую группу атомов включают (на этапе 36) атомы молекулы-мишени, которые составляют целые аминокислотные остатки, отнесенные в первую группу атомов для межмолекулярного комплекса.In the case where the target molecule is a protein, the atoms are sorted into two groups (at step 35) in the intermolecular complex as follows. The first group of atoms includes atoms of the ligand molecule, atoms of the solvent molecules located at a distance not exceeding the specified value from the atoms of the ligand molecule, and the atoms of the target molecule, which make up the whole amino acid residues, at least one atom of which is at a distance, not exceeding the set value from each atom of the ligand molecule. The second group includes all other atoms of the target molecule and solvent molecules. When constructing a model of the target molecule, which is a protein, the atoms of the target molecule, which comprise the whole amino acid residues assigned to the first group of atoms for the intermolecular complex, are included in the first group of atoms (at step 36).

Для более корректного моделирования стыковки двух групп атомов, для которых обработка данных осуществляется в рамках квантового и классического методов, на этапах 38, 39 и 40 добавляют координаты дополнительных атомов во входные файлы для соответствующей программы моделирования межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда соответственно. Эти дополнительные атомы расположены вблизи области пространства, где атомы первой и второй групп находятся на расстоянии друг от друга, не превышающем заданную величину.For a more correct simulation of the joining of two groups of atoms, for which the data are processed within the framework of the quantum and classical methods, add the coordinates of additional atoms to the input files for the corresponding simulation program of the intermolecular target – ligand complex, target molecule, and molecule at steps 38, 39, and 40 ligand, respectively. These additional atoms are located near the region of space, where the atoms of the first and second groups are at a distance from each other, not exceeding a given value.

Моделирование связывания компонентов в межмолекулярном комплексе мишень-лиганд можно выполнять также и другим образом так, что координаты атомов второй группы не включаются во входные файлы соответствующей программы моделирования межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда, а атомы первой группы моделируются методами квантовой механики. При этом координаты добавленных дополнительно атомов включаются во входные файлы соответствующей программы моделирования так, что они вместе с атомами первой группы моделируются методами квантовой механики. При таком способе моделирования, когда у атомов первой группы, которые имели ковалентные связи с атомами второй группы, остаются ненасыщенные оборванные связи, необходимо восстановить или скомпенсировать потерю этих ковалентных связей. В этом случае при формировании модели межмолекулярного комплекса мишень-лиганд на этапе 41 и модели молекулы-мишени на этапе 42 добавляют дополнительные атомы к атомам первой группы таким образом, чтобы они образовывали новые ковалентные связи взамен оборванных ковалентных связей между атомами первой и второй групп.The binding of components in the target-ligand intermolecular complex can also be modeled in another way so that the coordinates of the atoms of the second group are not included in the input files of the corresponding program for modeling the intermolecular complex of the target-ligand, target molecules and ligand molecules, and the atoms of the first group are modeled by quantum mechanics. In this case, the coordinates of the additional atoms added are included in the input files of the corresponding simulation program so that they, together with the atoms of the first group, are modeled by the methods of quantum mechanics. With this modeling method, when atoms of the first group that have covalent bonds with atoms of the second group have unsaturated dangling bonds, it is necessary to restore or compensate for the loss of these covalent bonds. In this case, when forming the model of the intermolecular target – ligand complex in step 41 and the model of the target molecule in step 42, additional atoms are added to the atoms of the first group so that they form new covalent bonds instead of dangling covalent bonds between the atoms of the first and second groups.

В случае, когда молекула-мишень является белком, оборванные ковалентные связи N-концов основной цепи белка замыкаются группами -C(O)-(CH3), а оборванные ковалентные связи С-концов основной цепи белка замыкаются группами -N(H)-(CH3).In the case where the target molecule is a protein, the dangling covalent bonds of the N-ends of the main chain of the protein are closed by the groups -C (O) - (CH 3 ), and the dangling covalent bonds of the C-ends of the main chain of the protein are closed by the groups -N (H) - (CH 3 ).

В ходе формирования входных файлов для моделирования связывания в комплексе белок-лиганд на этапах 43, 44 и 45 определяют зарядовые состояния различных молекулярных групп межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе (как правило, это определяется физико-химическими свойствами этих молекулярных групп в растворителе или непосредственно в экспериментах). Согласно этому добавляют или убирают дополнительные атомы в соответствующих местах межмолекулярного комплекса мишень-лиганд на этапе 46, молекулы-мишени на этапе 47 и молекулы-лиганда на этапе 48. Когда растворителем является вода, требуемые зарядовые состояния различных молекулярных групп компонентов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе получаются добавлением или убиранием дополнительных атомов водорода в соответствующих местах молекулы-мишени и молекулы-лиганда.During the formation of input files for modeling binding in the protein-ligand complex, steps 43, 44, and 45 determine the charge states of various molecular groups of the intermolecular target-ligand complex, target molecules, and ligand molecules in a solvent (as a rule, this is determined by physicochemical properties of these molecular groups in a solvent or directly in experiments). Accordingly, additional atoms are added or removed at appropriate locations in the target ligand intermolecular complex in step 46, the target molecule in step 47, and the ligand molecule in step 48. When the solvent is water, the required charge states of the various molecular groups of the components of the target ligand intermolecular complex , the target molecules and ligand molecules in the solvent are obtained by adding or removing additional hydrogen atoms in the corresponding places of the target molecule and ligand molecule.

Далее на этапе 49 проводят определение полного заряда межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда. Полный заряд межмолекулярного комплекса и его компонентов по отдельности, т.е. молекулы-мишени и молекулы-лиганда, получают простым сложением всех зарядов, которые были определены для отдельных молекулярных групп, входящих в состав рассматриваемых молекулярных систем. Полученные данные по полным зарядам моделей межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда используются далее при формировании трех входных файлов для соответствующей программы моделирования связывания в комплексе наряду с данными по мультиплетности рассматриваемых молекулярных систем, координатами и типами их атомов.Next, at step 49, the total charge of the intermolecular target-ligand complex, the target molecule and the ligand molecule are determined. The total charge of the intermolecular complex and its components separately, i.e. target molecules and ligand molecules are obtained by simple addition of all charges that have been determined for individual molecular groups that make up the molecular systems under consideration. The obtained data on the total charges of the models of the intermolecular target – ligand complex, target molecules, and ligand molecules are used further to form three input files for the corresponding binding simulation program in the complex along with data on the multiplicity of the considered molecular systems, coordinates and types of their atoms.

В случае, когда растворителем является вода, для того чтобы более точно учесть в явном виде влияние растворителя на процесс связывания молекулы-мишени и молекулы-лиганда в каждый из трех входных файлов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса необходимо добавить координаты атомов дополнительных молекул воды. Эти дополнительные молекулы воды вводятся в процесс моделирования для того, чтобы лучше воспроизвести образование и разрыв водородных связей, которые играют существенную роль в межмолекулярном комплексе мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда.In the case when the solvent is water, in order to more accurately take into account the explicit effect of the solvent on the binding of the target molecule and the ligand molecule, atom coordinates must be added to each of the three input files of the target molecule, ligand molecule, and their intermolecular complex additional water molecules. These additional water molecules are introduced into the modeling process in order to better reproduce the formation and breaking of hydrogen bonds, which play an essential role in the intermolecular complex of the target ligand, target molecule and ligand molecule.

На этапе 50 добавляются дополнительные молекулы воды к межмолекулярному комплексу так, чтобы они находились между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом и образовывали с ними водородные связи.At step 50, additional water molecules are added to the intermolecular complex so that they are between the target molecule and the ligand molecule and form hydrogen bonds with them.

Добавление молекул воды к молекуле-мишени на этапе 51 и к молекуле-лиганду на этапе 52 осуществляют так, чтобы с их участием восстановить оборванные водородные связи, которые присутствовали в межмолекулярном комплексе между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом и которые были оборваны при удалении молекулы-лиганда из молекулы-мишени. Кроме того, если молекулы воды располагались между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом и были связаны с ними обеими водородными связями, эти молекулы воды добавляются дважды каждая и во входной файл для расчета молекулы-мишени на этапе 51, и во входной файл для расчета молекулы-лиганда на этапе 52 при моделировании компонент межмолекулярного комплекса по отдельности.The addition of water molecules to the target molecule in step 51 and to the ligand molecule in step 52 is carried out in such a way that, with their participation, the dangling hydrogen bonds that were present in the intermolecular complex between the target molecule and the ligand molecule and which were disconnected when the molecule was removed were restored. ligand from a target molecule. In addition, if water molecules were located between the target molecule and the ligand molecule and were connected by both hydrogen bonds, these water molecules were added twice each to the input file for calculating the target molecule at step 51 and to the input file for calculating the molecule ligand at step 52 when modeling the components of the intermolecular complex separately.

Как правило, растворитель имеет значение диэлектрической проницаемости, отличное от значения диэлектрической проницаемости вакуума и значения диэлектрической проницаемости макромолекулы-мишени. Например, диэлектрическая проницаемость воды равна приблизительно 80 при комнатной температуре и нормальном давлении, в то время как диэлектрическая проницаемость растворенного в ней белка не превышает нескольких единиц, и при этом диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1. В этом случае наличие растворителя вокруг рассматриваемых молекул существенно изменяет электрический потенциал и поле, которые создаются зарядами атомов вокруг молекул. Для того чтобы учесть это экранирующее влияние растворителя, как правило, недостаточно учесть явно некоторое количество молекул растворителя, и в этом случае требуется учесть растворитель в неявной модели, когда его экранирующее влияние учитывается путем введения в модель непрерывной среды с нужным значением диэлектрической проницаемости.Typically, the solvent has a dielectric constant different from the dielectric constant of the vacuum and the dielectric constant of the target macromolecule. For example, the dielectric constant of water is approximately 80 at room temperature and normal pressure, while the dielectric constant of the protein dissolved in it does not exceed several units, and the dielectric constant of vacuum is 1. In this case, the presence of a solvent around the molecules in question significantly changes the electric potential and field that are created by charges of atoms around molecules. In order to take into account this screening effect of the solvent, as a rule, it is not enough to explicitly take into account a certain number of solvent molecules, and in this case, it is necessary to take into account the solvent in the implicit model, when its screening effect is taken into account by introducing into the model a continuous medium with the desired dielectric constant.

В рамках неявной модели растворителя на этапе 53 во входные файлы для расчетов межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда с помощью соответствующей программы моделирования молекулярных систем в растворителе включаются параметры растворителя в неявной модели. Для этого с использованием координат атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя, координаты которых включены в соответствующие входные файлы, формируют координаты точек, находящихся на поверхности, доступной растворителю. Эта поверхность охватывает молекулу-мишень, молекулу-лиганд и молекулы растворителя, в случае расчета межмолекулярного комплекса в растворителе, или охватывает только молекулу-мишень и молекулы растворителя, в случае расчета молекулы-мишени в растворителе, или охватывает только молекулу-лиганд и молекулы растворителя, в случае расчета молекулы-лиганда в растворителе. С помощью точек, находящихся на этих поверхностях, формируется математическая модель неявного учета растворителя.In the framework of the implicit solvent model, at step 53, the parameters of the solvent in the implicit model are included in the input files for calculating the intermolecular complex, the target molecule, and the ligand molecule using the appropriate program for modeling molecular systems in the solvent. For this, using the coordinates of the atoms of the target molecule, ligand molecule and solvent molecules, the coordinates of which are included in the corresponding input files, form the coordinates of points located on the surface accessible to the solvent. This surface covers the target molecule, ligand molecule and solvent molecules, in the case of calculating the intermolecular complex in the solvent, or covers only the target molecule and solvent molecules, in the case of calculating the target molecule in the solvent, or covers only the ligand molecule and solvent molecules , in the case of calculating a ligand molecule in a solvent. Using points located on these surfaces, a mathematical model of implicit solvent accounting is formed.

В предлагаемом изобретении рассматриваются три типа модели неявного учета растворителя.In the present invention, three types of implicit solvent accounting model are considered.

В первой из них в качестве математической модели неявного учета растворителя используют совокупность программных средств, реализующих решение уравнения Пуассона и описывающих взаимодействие молекулы-мишени и молекулы-лиганда с непрерывной средой, заполняющей все пространство вне поверхности, доступной растворителю и имеющей диэлектрическую проницаемость, равную диэлектрической проницаемости растворителя.In the first of them, as a mathematical model of the implicit accounting of the solvent, a set of software tools is used that implement the solution of the Poisson equation and describe the interaction of the target molecule and the ligand molecule with a continuous medium that fills the entire space outside the surface accessible to the solvent and having a dielectric constant equal to dielectric constant solvent.

При использовании растворителя с большим значением диэлектрической проницаемости растворителя (например, вода имеет диэлектрическую проницаемость около 80 при комнатной температуре) в качестве математической модели неявного учета растворителя используют совокупность программных средств, реализующих решение уравнений, описывающих взаимодействие молекулы-мишени и молекулы-лиганда с непрерывным проводником, заполняющим все пространство вне поверхности, доступной растворителю.When using a solvent with a high dielectric constant of the solvent (for example, water has a dielectric constant of about 80 at room temperature), a set of software tools that implement the solution of equations describing the interaction of a target molecule and a ligand molecule with a continuous conductor are used as a mathematical model of implicit solvent accounting filling all the space outside the surface accessible to the solvent.

При использовании растворителя, характеризуемого отличными от нуля диэлектрической проницаемостью и проводимостью, в качестве математической модели неявного учета растворителя используют совокупность программных средств, реализующих решение уравнения Пуассона-Больцмана. Это уравнение описывает взаимодействие молекулы-мишени и молекулы-лиганда с непрерывной средой, имеющей отличную от нуля диэлектрическую проницаемость и отличную от нуля проводимость и заполняющей все пространство вне поверхности, доступной растворителю.When using a solvent characterized by non-zero permittivity and conductivity, a set of software tools that implement the solution of the Poisson-Boltzmann equation is used as a mathematical model for implicit accounting of the solvent. This equation describes the interaction of a target molecule and a ligand molecule with a continuous medium having a non-zero dielectric constant and non-zero conductivity and filling the entire space outside the surface accessible to the solvent.

Формирование файлов, описывающих модели для квантово-механического расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе, заканчивается на этапе 54, и соответствующие входные файлы для квантово-механического расчета записываются на носитель информации.The generation of files describing the models for the quantum-mechanical calculation of the target-ligand intermolecular complex, the target molecule, and the ligand molecule in the solvent is completed at step 54, and the corresponding input files for the quantum-mechanical calculation are recorded on the information carrier.

Эти файлы используются, как правило, в зависимости от выбранного метода расчета в двух вариантах квантово-механического моделирования. В первом варианте моделирования расчет межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени, молекулы-лиганда в растворителе проводят так, что первая группа атомов комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда (описанная выше) рассчитывается методами квантовой механики, а вторая - классической механики. Во втором варианте моделирования расчет межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени, молекулы-лиганда в растворителе проводят так, что первая группа атомов рассчитывается методами квантовой механики, а вторая не включается в моделирование.These files are used, as a rule, depending on the chosen calculation method in two versions of quantum-mechanical modeling. In the first version of the simulation, the calculation of the intermolecular complex, the target molecule, the ligand molecule in the solvent is carried out so that the first group of atoms of the complex, target molecule and ligand molecule (described above) is calculated by quantum mechanics, and the second by classical mechanics. In the second version of the simulation, the calculation of the intermolecular complex, the target molecule, the ligand molecule in the solvent is carried out so that the first group of atoms is calculated by quantum mechanics, and the second is not included in the simulation.

Далее описывается процесс квантово-механического моделирования взаимодействия молекулы-лиганда и молекулы-мишени с учетом растворителя (этап 4 на фиг.1) и вычисления энергетических величин, характеризующих связывание молекулы-мишени и молекулы-лиганда (этап 5 на фиг.1). На фиг.4 представлена блок-схема, иллюстрирующая соответствующий изобретению способ квантово-механического моделирования межмолекулярного взаимодействия между молекулой-лигандом и молекулой-мишенью с учетом растворителя, включающего вычисление энтальпии, энтропии и свободной энергии связывания лиганда и мишени.The following describes the process of quantum-mechanical modeling of the interaction of a ligand molecule and a target molecule, taking into account the solvent (step 4 in FIG. 1) and calculation of energy quantities characterizing the binding of the target molecule and the ligand molecule (step 5 in figure 1). 4 is a flowchart illustrating a method according to the invention for quantum-mechanical modeling of intermolecular interaction between a ligand molecule and a target molecule, taking into account a solvent, including calculation of enthalpy, entropy and free binding energy of a ligand and a target.

Входные файлы, в которых записана информация о структуре и свойствах межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда, считываются с носителя информации на этапе 55. В этих входных файлах содержится информация о координатах и типах всех атомов рассматриваемых молекулярных систем, их полный заряд и мультиплетность, координаты и тип атомов молекул растворителя, добавленных в явной модели к межмолекулярному комплексу и его компонентам, параметры растворителя в неявной модели. Кроме того, во входных файлах содержится информация о параметрах оптимизационного процесса, а именно метод и параметры квантово-механического моделирования, тип оптимизационной процедуры, пределы самосогласования и минимизации.The input files, which contain information on the structure and properties of the intermolecular complex, target molecules, and ligand molecules, are read from the storage medium at step 55. These input files contain information on the coordinates and types of all atoms of the considered molecular systems, their total charge and multiplicity, coordinates and type of atoms of solvent molecules added in the explicit model to the intermolecular complex and its components, solvent parameters in the implicit model. In addition, the input files contain information about the parameters of the optimization process, namely the method and parameters of quantum-mechanical modeling, the type of optimization procedure, the limits of self-consistency and minimization.

На этапе 56 могут быть выбраны различные методы квантово-механического моделирования полной энергии молекулярных систем. При подходе, когда часть атомов межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда рассчитывается в рамках квантово-механического приближения, а другая часть атомов рассчитывается в рамках классического приближения, используют различные комбинации классических молекулярно-механических и молекулярно-динамических методов, с одной стороны, и квантово-механических методов, с другой стороны. Последние могут варьироваться от строгих неэмпирических методов и методов функционала плотности [1-3] до более быстрых, однако, менее точных полуэмпирических методов [4-7]. Такой подход, получивший широкую известность под названием QM/MM, реализован в настоящее время в виде ряда прикладных пакетов программ [8].At step 56, various methods of quantum mechanical modeling of the total energy of molecular systems can be selected. When approaching, when part of the atoms of the intermolecular complex, the target molecule and the ligand molecule is calculated in the framework of the quantum-mechanical approximation, and the other part of the atoms is calculated in the framework of the classical approximation, various combinations of classical molecular-mechanical and molecular-dynamic methods are used, on the one hand , and quantum mechanical methods, on the other hand. The latter can vary from rigorous non-empirical methods and density functional methods [1-3] to faster, however, less accurate semi-empirical methods [4-7]. This approach, widely known as QM / MM, is currently implemented as a series of application software packages [8].

Кроме того, возможен и другой подход, в котором часть атомов межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда рассчитывается в рамках квантово-механического приближения, а другая часть атомов полностью исключается из процесса моделирования. Для того чтобы более точно воспроизвести энергетические характеристики связывания в межмолекулярном комплексе, при таком подходе приходится брать для квантово-механического моделирования как можно большие участки молекулы-мишени, описывающие место связывания с молекулой-лигандом при минимальном влиянии краевых эффектов. При этом наиболее перспективными методами квантово-механического моделирования являются относительно быстрые в расчетах полуэмпирические методы, которые в последнее время реализованы в ряде прикладных пакетов программ с ускоренным счетом [9]. Однако применение для такого вида моделирования более точных, но более медленных неэмпирических методов и методов функционала плотности также возможно.In addition, another approach is possible in which a part of the atoms of the intermolecular complex, the target molecule and the ligand molecule is calculated in the framework of the quantum-mechanical approximation, and the other part of the atoms is completely excluded from the modeling process. In order to more accurately reproduce the energy characteristics of binding in the intermolecular complex, with this approach it is necessary to take for quantum mechanical modeling as large sections of the target molecule as possible that describe the binding site with the ligand molecule with minimal influence of edge effects. In this case, the most promising methods of quantum-mechanical modeling are relatively quick calculations of semi-empirical methods, which have recently been implemented in a number of applied software packages with accelerated counting [9]. However, the use of more accurate, but slower non-empirical methods and density functional methods for this type of modeling is also possible.

В начале оптимизационной процедуры на этапах 57, 58 и 59 проводят определение варьируемых параметров межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда и относящихся к этим системам молекул растворителя, а именно проводят определение варьируемых координат атомов, при изменении которых будет находиться минимум полной энергии каждой из молекулярных систем.At the beginning of the optimization procedure, at steps 57, 58, and 59, the variable parameters of the intermolecular target – ligand complex, the target molecule, the ligand molecule, and solvent molecules belonging to these systems are determined, namely, the variable coordinates of the atoms are determined, with a change in which there will be a minimum the total energy of each of the molecular systems.

Затем на этапе 60 с помощью соответствующей программы моделирования полной энергии молекулярной системы, основанной или на комбинации квантово-механического и классического приближения или основанной только на квантово-механическом приближении, находят минимум полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя при варьировании положений всех или некоторых определенных атомов комплекса и растворителя. После этого записывают на носитель информации найденные новые координаты атомов и полную энергию системы, состоящей из межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя, и соответствующих координат атомов.Then, at step 60, using the appropriate program for modeling the total energy of the molecular system, based either on a combination of the quantum-mechanical and classical approximations or based only on the quantum-mechanical approximation, a minimum of the total energy of the intermolecular target-ligand and solvent complex is found with varying positions of all or some certain atoms of the complex and solvent. After this, the found new atomic coordinates and the total energy of the system, consisting of the intermolecular target-ligand complex and the solvent, and the corresponding atomic coordinates are recorded on the information carrier.

Аналогично на этапе 61 находят минимум полной энергии молекулы-мишени и растворителя при варьировании положений всех или части атомов молекулы-мишени и растворителя, и проводят запись на носитель информации найденные новые координаты атомов и полную энергию системы, состоящей из молекулы-мишени и растворителя, и соответствующих координат атомов.Similarly, at step 61, the minimum of the total energy of the target molecule and the solvent is found by varying the positions of all or part of the atoms of the target molecule and the solvent, and the new atom coordinates and the total energy of the system consisting of the target molecule and the solvent are recorded on the information carrier, and corresponding atomic coordinates.

Наконец на этапе 62 находят минимум полной энергии молекулы-лиганда и растворителя при варьировании положений всех или части атомов молекулы-мишени и растворителя, и проводят запись на носитель информации найденные новые координаты атомов и полную энергию системы, состоящей из молекулы-лиганда и растворителя, и соответствующих координат атомов.Finally, at step 62, a minimum of the total energy of the ligand molecule and solvent is found by varying the positions of all or part of the atoms of the target molecule and the solvent, and the new atom coordinates and the total energy of the system consisting of the ligand molecule and solvent are found on the information carrier and corresponding atomic coordinates.

Используя полученные полные энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя, молекулы-мишени и растворителя, а также молекулы-лиганда и растворителя, на этапе 63 вычисляют энтальпию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе. При этом возможны два случая расчета энтальпии.Using the obtained total energies of the intermolecular complex of the target ligand and solvent, the target molecule and solvent, as well as the ligand molecule and solvent, the enthalpy of binding of the ligand molecule to the target molecule in the solvent is calculated in step 63. In this case, two cases of calculating the enthalpy are possible.

Первый случай реализуется, когда в процессе связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью соблюдается баланс молекул растворителя, то есть если сумма молекул растворителя, включенных в расчет молекулы-мишени, и молекул растворителя, включенных в расчет молекулы-лиганда, равна числу молекул растворителя, включенных в расчет межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. В этом случае на этапе 63 энтальпия связывания ΔHсвяз. молекулы-мишени и молекулы-лиганда вычисляется как разность между полной энергией межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны, согласно формуле:The first case is realized when, in the process of binding a ligand molecule to a target molecule, the balance of solvent molecules is observed, that is, if the sum of the solvent molecules included in the calculation of the target molecule and the solvent molecules included in the calculation of the ligand molecule is equal to the number of solvent molecules, included in the calculation of the intermolecular complex of the target ligand. In this case, at step 63, the binding enthalpy ΔH bond . target molecules and ligand molecules is calculated as the difference between the total energy of the intermolecular target ligand complex in the solvent, on the one hand, and the sum of the total energies of the target molecule in the solvent and the ligand molecule in the solvent, on the other hand, according to the formula:

ΔHсвяз.комплекса_Nмол.раств.-(Емишени_Lмол.раств.лиганда_Mмол.раств.),ΔH bond = E complex_Nmol. - (E target_Lmol. + E ligand_Mmol. ),

где Екомплекса_Nмол.раств. - полная энергия комплекса мишень-лиганд, связанного с N молекулами растворителя, Емишени_Lмол.раств. - полная энергия комплекса мишень-лиганд, связанного с L молекулами растворителя, Елиганда_Mмол.раств - полная энергия комплекса мишень-лиганд, связанного с M молекулами растворителя. В случае соблюдения баланса молекул растворителя N=L+M.where E complex_Nmol.rast. is the total energy of the target ligand complex bound to N solvent molecules, E of the target_Lmol. is the total energy of the target ligand complex bound to L solvent molecules, E ligand_Mol. solutions is the total energy of the target ligand complex bound to M solvent molecules. If the balance of solvent molecules is N = L + M.

Второй случай реализуется, когда в процессе связывания молекулы-лиганда с молекулой мишенью не соблюдается баланс молекул растворителя, то есть если сумма молекул растворителя, включенных в расчет молекулы-мишени, и молекул растворителя, включенных в расчет молекулы-лиганда, не равна числу молекул растворителя, включенных в расчет межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. В этом случае на этапе 63 энтальпия связывания ΔHсвяз. молекулы-мишени и молекулы-лиганда также вычисляется как разность между полной энергией межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны. Однако при расчете энтальпии связывания ΔHсвяз. на этом этапе следует учесть энергию, которую необходимо затратить, чтобы удалить из растворителя то количество молекул растворителя, которое необходимо добавить в рассматриваемую систему для соблюдения баланса по числу молекул растворителя в процессе связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, согласно формулеThe second case is realized when, during the binding of the ligand molecule to the target molecule, the balance of the solvent molecules is not observed, that is, if the sum of the solvent molecules included in the calculation of the target molecule and the solvent molecules included in the calculation of the ligand molecule is not equal to the number of solvent molecules included in the calculation of the intermolecular target-ligand complex. In this case, at step 63, the binding enthalpy ΔH bond . target molecules and ligand molecules is also calculated as the difference between the total energy of the intermolecular target ligand complex in the solvent, on the one hand, and the sum of the total energies of the target molecule in the solvent and the ligand molecule in the solvent, on the other hand. However, in calculating the enthalpy of binding, ΔH bond . at this stage, it is necessary to take into account the energy that must be expended in order to remove from the solvent the number of solvent molecules that must be added to the system under consideration in order to maintain a balance in the number of solvent molecules in the process of binding the ligand molecule to the target molecule, according to the formula

ΔHсвяз.комплекса_Nмол.раств.+K*Eмол.раств.-мишени_Lмол.раств.лиганда_Mмол.раств.),ΔH bond = E complex_Nmol . + K * E mol. --- (E target_Lmol. + E ligand_Mmol. ),

где Екомплекса_Nмол.раств. - полная энергия комплекса мишень-лиганд, связанного с N молекулами растворителя, Емишени_Lмол.раств. - полная энергия комплекса мишень-лиганд, связанного с L молекулами растворителя, Елиганда_Mмол.раств - полная энергия комплекса мишень-лиганд, связанного с M молекулами растворителя, Eмол.раств -энергия удаления одной молекулы воды из растворителя, рассчитанная в том же квантово-механическом приближении, что и полные энергии межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда. В случае несоблюдения баланса молекул растворителя, то есть когда N=L+M-K, для соблюдения энергетического баланса в формуле, по которой рассчитывается энтальпия связывания молекулы-мишени и молекулы-лиганда, необходимо учесть также энергию К*Eмол.раств.where E complex_Nmol.rast. is the total energy of the target ligand complex bound to N solvent molecules, E of the target_Lmol. is the total energy of the target ligand complex bound to L solvent molecules, E ligand_Mol. solutions is the total energy of the target ligand complex bound to M solvent molecules, E mol solution is the energy of removal of one water molecule from the solvent calculated in the same quantum -mechanical approximation as the full energies of the intermolecular complex, the target molecule and the ligand molecule. If the balance of solvent molecules is not observed, that is, when N = L + MK, in order to maintain the energy balance in the formula by which the enthalpy of binding of the target molecule and the ligand molecule is calculated, it is also necessary to take into account the K * E molar solution energy .

Расчет энтропии связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе проводят в рамках используемого квантово-механического приближения для тех же моделей межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда, используя те же входные файлы, которые были использованы в расчетах полных энергий этих молекулярных систем. Эта энтропия связывания определяется колебательными частотами молекул, участвующих в рассматриваемом процессе. Для вычисления колебательных частот на этапах 64, 65 и 66 для межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда рассчитываются силовые постоянные или вторые производные полных энергий этих молекулярных систем по всем координатам атомов в точках соответствующих минимумов (глобальных или локальных). Из этих величин составляется матрица (матрица Гессе), и колебательные частоты находятся затем путем решения задачи на собственные значения матрицы Гессе. По значениям этих частот на этапе 67 рассчитывают составляющую энтропии (по формулам, например, в [10]), связанную с потерей колебательных степеней свободы при переходе от свободных состояний молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе к их межмолекулярному комплексу. Энтропия связывания, обусловленная потерей колебательных степеней свободы ΔSсвяз._колебат., вычисляется по формулеThe calculation of the entropy of binding of a ligand molecule to a target molecule in a solvent is carried out within the framework of the used quantum-mechanical approximation for the same models of the intermolecular complex, target molecule, and ligand molecule using the same input files that were used in calculating the total energies of these molecular systems. This binding entropy is determined by the vibrational frequencies of the molecules involved in the process under consideration. To calculate the vibrational frequencies at steps 64, 65, and 66 for the intermolecular complex, the target molecule, and the ligand molecule, the force constants or second derivatives of the total energies of these molecular systems are calculated for all atomic coordinates at the points of the corresponding minima (global or local). A matrix (Hessian matrix) is composed of these quantities, and the vibrational frequencies are then found by solving the eigenvalue problem of the Hessian matrix. At values of these frequencies, at step 67, the entropy component is calculated (using formulas, for example, in [10]), which is associated with the loss of vibrational degrees of freedom during the transition from free states of a target molecule and a ligand molecule in a solvent to their intermolecular complex. The entropy of binding due to the loss of vibrational degrees of freedom ΔS bond. calculated by the formula

ΔSсвяз._колебат=Sкомплекса_Nмол.раств.-(Sмишени_Lмол.раств.+Sлиганда_Mмол.раств.),ΔS bond_oscillation = S complex_Nmol . - (S target_Lmol. + S ligand_Mmol. ),

при соблюдении баланса молекул растворителя, и по формулеsubject to the balance of solvent molecules, and according to the formula

ΔSсвяз._колебат=Sкомплекса_Nмол.раств.+K*Sмол.раств.-(Sмишени_Lмол.раств.+Sлиганда_Mмол.раств.), при не соблюдении баланса молекул растворителя.ΔS bond_oscillation = S complex_N molar solution + K * S molar solution- (S target_L molar solution + S ligand_M molar solution ), without observing the balance of solvent molecules.

В изменение энтропии при связывании молекулы-лиганда с молекулой-мишенью дает вклад и то, что эти молекулы при связывании теряют каждая три поступательных и три вращательных степени свободы, которыми они обладают в свободном состоянии. Эта часть энтропии вычисляется на этапе 68 по формуле Сакура-Титрода, и для этого используются только координаты и атомные веса атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса (см., например, [11]). При этом атомные веса атомов однозначно определяются их типом (т.е. положением в Таблице Д.И. Менделеева), который записан в исходных файлах, считанных с носителя информации на этапе 55 (фиг.4). При связывании сравнительно небольших молекул-лигандов (обычно это молекулы с атомным весом, не превышающим 500 дальтон) с макромолекулами-мишенями, такими как протеины, молекулу-мишень можно считать неподвижной, и изменение энтропии, рассчитываемое на этапе 68, будет определяться только характеристиками молекулы-лиганда.The change in entropy upon binding of a ligand molecule to a target molecule also contributes to the fact that, upon binding, these molecules lose each of the three translational and three rotational degrees of freedom that they possess in a free state. This part of the entropy is calculated at step 68 using the Sakura-Titroda formula, and for this, only the coordinates and atomic weights of atoms of the target molecule, ligand molecule, and their intermolecular complex are used (see, for example, [11]). In this case, the atomic weights of atoms are uniquely determined by their type (i.e., position in the Table of D.I. Mendeleev), which is recorded in the source files read from the information carrier at step 55 (Fig. 4). When relatively small ligand molecules (usually molecules with an atomic weight not exceeding 500 daltons) are bound to target macromolecules, such as proteins, the target molecule can be considered immobile, and the change in entropy calculated in step 68 will be determined only by the characteristics of the molecule ligand.

На этапе 69, используя величины, рассчитанные на этапах 67 и 68, вычисляют полное изменение энтропии при связывании молекулы-лиганда с молекулой-мишенью как сумму изменений энтропии, полученных на этапах 67 и 68.In step 69, using the values calculated in steps 67 and 68, the total change in entropy upon binding of the ligand molecule to the target molecule is calculated as the sum of the changes in entropy obtained in steps 67 and 68.

Процесс связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью происходит в растворителе. Каждая из этих молекул, будучи помещенной в растворитель, создает в нем полость, расталкивая молекулы растворителя. Этот процесс требует затраты определенной свободной энергии, которая зависит от свойств растворителя. Эта свободная энергия называется энергией кавитации, и она зависит только от свойств растворителя и формы молекулы, помещаемой в растворитель. В настоящее время известны некоторые способы расчета кавитационной энергии растворения (см., например, работу [12] и приведенные в ней ссылки). Поскольку при связывании молекулы-лиганда с молекулой-мишенью и образовании межмолекулярного комплекса изменяется форма полостей, в которых находятся рассматриваемые молекулы, то при этом будет изменяться и кавитационная свободная энергия. Ее изменение ΔGкав вычисляется на этапе 70, и результат, будучи сложенным на этапе 71 с результатами расчетов энтальпии связывания ΔHсвяз, полученной на этапе 63 и энтропийного вклада -TΔSсвяз, вычисленного на этапе 69, дает значение полной свободной энергии связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе согласно формулеThe process of binding a ligand molecule to a target molecule occurs in a solvent. Each of these molecules, when placed in a solvent, creates a cavity in it, pushing apart the solvent molecules. This process requires the cost of a certain free energy, which depends on the properties of the solvent. This free energy is called cavitation energy, and it depends only on the properties of the solvent and the form of the molecule placed in the solvent. Currently, several methods are known for calculating the cavitation energy of dissolution (see, for example, [12] and the references therein). Since when the ligand molecule is bound to the target molecule and the formation of the intermolecular complex, the shape of the cavities in which the molecules are located changes, the cavitation free energy will also change. Kav its change ΔG is calculated in step 70 and the result, being folded at step 71 with the results of calculations of binding enthalpy ΔH bond derived at step 63 and the entropy contribution -TΔS binder, calculated in step 69, it gives the value of the total free energy of binding the ligand molecule with a target molecule in a solvent according to the formula

ΔGсвяз.=ΔHсвяз.-TΔSсвяз+ΔGкав ΔG bond = ΔH bond -TΔS the connected + ΔG Kav

В соответствии с настоящим изобретением вычисление энтальпии связывания молекулы-мишени и молекулы-лиганда (этап 63 на фиг.4) можно проводить, используя другой метод, при котором полные энергии молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса рассчитывают не в точке минимума, а как средние значения полных энергий, полученных для ряда конфигураций межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. При этом координаты атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, соответствующие каждой из таких конфигураций, могут быть получены в рамках молекулярно-динамического моделирования. На фиг.5 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ молекулярно-динамического формирования координат атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд для набора конфигураций межмолекулярного комплекса, а также способ расчета энтальпии связывания молекулы-мишени с молекулой-лигандом, на основе средних значений полных энергий, полученных для набора этих конфигураций.In accordance with the present invention, the enthalpy of binding of the target molecule and the ligand molecule (step 63 in FIG. 4) can be calculated using another method in which the total energies of the target molecule, ligand molecule and their intermolecular complex are calculated not at the minimum point as average values of the total energies obtained for a number of configurations of the intermolecular target-ligand complex. In this case, the atomic coordinates of the target molecule, ligand molecule, and their intermolecular complex, corresponding to each of these configurations, can be obtained in the framework of molecular dynamics modeling. 5 is a flowchart illustrating a method for molecularly dynamically generating atomic coordinates of a target molecule, a ligand molecule and a target-ligand intermolecular complex for a set of intermolecular complex configurations, as well as a method for calculating the enthalpy of binding of a target molecule to a ligand molecule, based on the average values of the total energies obtained for a set of these configurations.

Исходными данными для формирования входных файлов для набора конфигураций межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда являются считываемые на этапе 72 с носителя информации координаты атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, которые можно получить из базы данных PDB или с помощью различных программ-построителей молекулярных структур. Кроме того, если используется явная модель растворителя, исходными данными являются координаты атомов молекул растворителя, которые вводятся на этапе 73, аналогично тому, как это осуществлялось ранее на этапах 27, 28 и 29. Если используется неявная модель растворителя, которая вводится на этапе 74, аналогично вышеописанному этапу 53, координаты атомов молекул растворителя явным образом не включаются в моделирование.The initial data for the formation of input files for a set of configurations of the intermolecular complex, target molecule, and ligand molecule are the coordinates of atoms of the target molecule, ligand molecule, and their intermolecular complex, which can be obtained from the PDB database or from using various molecular structure builders. In addition, if an explicit solvent model is used, the initial data are the atomic coordinates of the solvent molecules that are entered in step 73, similar to what was done earlier in steps 27, 28 and 29. If you use the implicit solvent model that is entered in step 74, similar to the above step 53, the coordinates of the atoms of the solvent molecules are not explicitly included in the simulation.

Процедура молекулярно-динамического формирования входных файлов с координатами атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд для ряда конфигураций с явной моделью растворителя включает следующие этапы.The procedure for molecular-dynamic formation of input files with the coordinates of the atoms of the target molecule, the ligand molecule and the intermolecular target-ligand complex for a number of configurations with an explicit solvent model includes the following steps.

Используя координаты атомов межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда, а также молекул растворителя (этапы 26, 27 и 30 на фиг.2) и, если это необходимо, вводя дополнительные атомы для установления нужного заряда межмолекулярного комплекса мишень-лиганд (этапы 46, 49 на фиг.3), проводят молекулярно-динамическое моделирование комплекса мишень-лиганд на этапе 75 в рамках явной модели растворителя. При этом путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда с учетом наличия молекул растворителя определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения ими теплового равновесия, когда средние значения наблюдаемых величин (например, энергия взаимодействия молекулы-лиганда с молекулой-мишенью) перестают меняться со временем (обычно это длины траекторий по времени около одной наносекунды), и записывают на этапе 76 на носитель информации координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций межмолекулярного комплекса мишень-лиганд.Using the coordinates of the atoms of the intermolecular complex, the target molecule and the ligand molecule, as well as the solvent molecules (steps 26, 27 and 30 in FIG. 2) and, if necessary, introducing additional atoms to establish the desired charge of the intermolecular target-ligand complex (steps 46, 49 in FIG. 3), a molecular dynamics simulation of the target ligand complex is performed in step 75 as part of an explicit solvent model. In this case, by solving the Newton or Lagrange equations, taking into account the thermal motion of all atoms of the target molecule and the ligand molecule interacting with each other, taking into account the presence of solvent molecules, determine the state of the molecular system at which it reaches thermal equilibrium. Then, the motion paths of all atoms of the system are determined after they reach thermal equilibrium, when the average values of the observed values (for example, the interaction energy of the ligand molecule with the target molecule) cease to change with time (usually these are the lengths of the paths in time of about one nanosecond), and are recorded on step 76, on the information carrier, the coordinates of all atoms of the interacting target molecule, ligand molecule, and solvent molecules at predetermined intervals a predetermined number of times for a given set of configurations of the intermolecular target – ligand complex.

Используя координаты атомов молекулы-мишени, а также молекул растворителя (этапы 17, 28 и 31 на фиг.2) и, если это необходимо, вводя дополнительные атомы для установления нужного заряда молекулы-мишени (этапы 47, 49 на фиг.3), проводят на этапе 77 молекулярно-динамическое моделирование молекулы-мишени в рамках явной модели растворителя. При этом путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени с учетом наличия молекул растворителя определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения их теплового равновесия и записывают на этапе 78 на носитель информации координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-мишени и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций молекулы-мишени.Using the coordinates of the atoms of the target molecule, as well as the solvent molecules (steps 17, 28 and 31 in FIG. 2) and, if necessary, introducing additional atoms to establish the desired charge of the target molecule (steps 47, 49 in FIG. 3), at step 77, a molecular dynamics simulation of the target molecule is performed as part of an explicit solvent model. In this case, by solving the Newton or Lagrange equations, taking into account the thermal motion of all atoms of the target molecule interacting with each other, taking into account the presence of solvent molecules, determine the state of the molecular system at which it reaches thermal equilibrium. Then, the motion paths of all atoms of the system are determined after their thermal equilibrium is reached, and at step 78, the coordinates of all atoms of the interacting target molecules and solvent molecules are recorded on the information carrier at specified intervals for a specified number of times for a given set of configurations of the target molecule.

Используя координаты атомов молекулы-лиганда, а также молекул растворителя (этапы 24, 29 и 32 на фиг.2) и, если это необходимо, вводя дополнительные атомы для установления нужного заряда молекулы-лиганда (этапы 48, 49 на фиг.3), проводят на этапе 79 молекулярно-динамическое моделирование в рамках явной модели растворителя. При этом путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-лиганда с учетом наличия молекул растворителя на этапе 79 определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения их теплового равновесия и записывают на этапе 80 на носитель информации координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций молекулы-лиганда.Using the coordinates of the atoms of the ligand molecule, as well as solvent molecules (steps 24, 29 and 32 in FIG. 2) and, if necessary, introducing additional atoms to establish the desired charge of the ligand molecule (steps 48, 49 in FIG. 3), at step 79, molecular dynamics simulation is performed as part of an explicit solvent model. In this case, by solving the Newton or Lagrange equations, taking into account the thermal motion of all atoms of the ligand molecule interacting with each other, taking into account the presence of solvent molecules, the state of the molecular system at which it reaches thermal equilibrium is determined at step 79. Then, the motion paths of all atoms of the system are determined after their thermal equilibrium is reached, and at step 80, the coordinates of all atoms of the interacting ligand molecule and solvent molecules are recorded on the information carrier at specified intervals for a specified number of times for a given set of ligand molecule configurations.

Процедура молекулярно-динамического формирования входных файлов с координатами атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд для ряда конфигураций с неявной моделью растворителя включает следующие этапы.The molecular dynamics procedure for generating input files with atomic coordinates of a target molecule, a ligand molecule, and an intermolecular target-ligand complex for a number of configurations with an implicit solvent model includes the following steps.

Используя координаты атомов межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда (этап 26 на фиг.2) и, если это необходимо, вводя дополнительные атомы для установления нужного заряда межмолекулярного комплекса мишень-лиганд (этапы 46, 49 на фиг.3), проводят молекулярно-динамическое моделирование в рамках неявной модели растворителя. Растворитель в этом случае учитывается с помощью неявной модели, как описано выше (этап 53 на фиг.3) в рамках решения уравнений Пуассона, Пуассона-Больцмана, уравнения для непрерывного проводника или иным способом, учитывающим влияние растворителя без использования координат молекул растворителя. Затем аналогично тому, как это было сделано в рамках явной модели растворителя, путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда на этапе 75 определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения их теплового равновесия и записывают на этапе 76 на носитель информации координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций межмолекулярного комплекса мишень-лиганд.Using the coordinates of the atoms of the intermolecular complex of the target molecule and the ligand molecule (step 26 in figure 2) and, if necessary, introducing additional atoms to establish the desired charge of the intermolecular complex of the target ligand (steps 46, 49 in figure 3), carry out molecular dynamics modeling in the framework of the implicit solvent model. The solvent in this case is taken into account using the implicit model, as described above (step 53 in FIG. 3), in the framework of solving the Poisson, Poisson-Boltzmann equations, the equations for a continuous conductor, or in another way that takes into account the influence of the solvent without using the coordinates of the solvent molecules. Then, in the same way as in the framework of the explicit solvent model, by solving the Newton or Lagrange equations, taking into account the thermal motion of all atoms of the target molecule and the ligand molecule interacting with each other, determine the state of the molecular system at which it reaches the thermal equilibrium. Then, the motion paths of all atoms of the system are determined after their thermal equilibrium is reached, and at step 76, the coordinates of all atoms of the interacting target molecules, ligand molecules, and solvent molecules are recorded on a data carrier at specified intervals for a given number of times for a given set of configurations of the target-ligand intermolecular complex .

Используя координаты атомов молекулы-мишени и, если это необходимо, вводя дополнительные атомы для установления нужного заряда молекулы-мишени (этапы 47, 49 на фиг.2), проводят молекулярно-динамическое моделирование в рамках неявной модели растворителя. Растворитель в этом случае учитывается с помощью неявной модели (этап 53 на фиг.3) в рамках решения уравнений Пуассона, Пуассона-Больцмана, уравнения для непрерывного проводника или иным способом, учитывающим влияние растворителя без использования координат молекул растворителя. Затем аналогично тому, как это было сделано в рамках явной модели растворителя, путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени с учетом наличия молекул растворителя на этапе 77 определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения их теплового равновесия и записывают на этапе 78 на носитель информации координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-мишени и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций молекулы-мишени.Using the coordinates of the atoms of the target molecule and, if necessary, introducing additional atoms to establish the desired charge of the target molecule (steps 47, 49 in FIG. 2), molecular dynamics modeling is performed within the implicit solvent model. The solvent in this case is taken into account using the implicit model (step 53 in FIG. 3) in the framework of solving the Poisson, Poisson-Boltzmann equations, the equation for a continuous conductor, or in another way that takes into account the influence of the solvent without using the coordinates of the solvent molecules. Then, in the same way as in the framework of the explicit solvent model, by solving the Newton or Lagrange equations, taking into account the thermal motion of all atoms of the target molecule interacting with each other, taking into account the presence of solvent molecules, determine the state of the molecular system at step 77, at which it reaches thermal equilibrium. Then, the motion paths of all atoms of the system are determined after their thermal equilibrium is reached, and at step 78, the coordinates of all atoms of the interacting target molecules and solvent molecules are recorded on the information carrier at specified intervals for a specified number of times for a given set of configurations of the target molecule.

Используя координаты атомов молекулы-лиганда и, если это необходимо, вводя дополнительные атомы для установления нужного заряда молекулы-лиганда (этапы 47, 49 на фиг.3), проводят молекулярно-динамическое моделирование в рамках неявной модели растворителя. Растворитель в этом случае учитывается с помощью неявной модели (этап 53 на фиг.3) в рамках решения уравнений Пуассона, Пуассона-Больцмана, уравнения для непрерывного проводника или иным способом, учитывающим влияние растворителя без использования координат молекул растворителя. Затем аналогично тому, как это было сделано в рамках явной модели растворителя, путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-лиганда с учетом наличия молекул растворителя на этапе 79 определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения их теплового равновесия и записывают на этапе 80 на носитель информации координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций молекулы-лиганда.Using the coordinates of the atoms of the ligand molecule and, if necessary, introducing additional atoms to establish the desired charge of the ligand molecule (steps 47, 49 in FIG. 3), molecular dynamics modeling is performed within the framework of an implicit solvent model. The solvent in this case is taken into account using the implicit model (step 53 in FIG. 3) in the framework of solving the Poisson, Poisson-Boltzmann equations, the equation for a continuous conductor, or in another way that takes into account the influence of the solvent without using the coordinates of the solvent molecules. Then, similarly to how this was done in the framework of the explicit solvent model, by solving the Newton or Lagrange equations, taking into account the thermal motion of all atoms of the ligand molecule interacting with each other, taking into account the presence of solvent molecules, determine the state of the molecular system at step 79, at which it reaches thermal equilibrium. Then, the motion paths of all atoms of the system are determined after their thermal equilibrium is reached, and at step 80, the coordinates of all atoms of the interacting ligand molecule and solvent molecules are recorded on the information carrier at specified intervals for a specified number of times for a given set of ligand molecule configurations.

Далее для каждого набора координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в явной или неявной модели растворителя, полученного на этапе 76, проводят на этапе 81 разбиение всех атомов на группы аналогично тому, как это осуществлялось ранее (этап 35 на фиг.3).Next, for each coordinate set of the intermolecular target – ligand complex in the explicit or implicit model of the solvent obtained in step 76, in step 81, all atoms are divided into groups in the same way as before (step 35 in FIG. 3).

Для каждого набора координат молекулы-мишени в растворителе, полученного на этапе 78, проводят разбиение всех атомов на группы по способу 82, аналогичному способу 36.For each coordinate set of the target molecule in the solvent obtained in step 78, all atoms are divided into groups according to method 82, similar to method 36.

Для каждого набора координат молекулы-лиганда в растворителе, полученного по способу 80, проводят на этапе 83 разбиение всех атомов на группы аналогично тому, как это осуществлялось ранее (этап 37 на фиг.3).For each set of coordinates of the ligand molecule in the solvent obtained by method 80, at step 83, all atoms are divided into groups in the same way as before (step 37 in FIG. 3).

Для каждой конфигурации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, то есть для каждого полученного в молекулярно-динамическом моделировании набора его координат, формируют на этапе 84 входной файл для квантово-механического моделирования межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, как описано выше (этап 4 на фиг.1 и этап 56 на фиг.4).For each configuration of the target-ligand intermolecular complex, that is, for each set of its coordinates obtained in molecular dynamics modeling, an input file is generated at step 84 for quantum-mechanical simulation of the target-ligand intermolecular complex in a solvent, as described above (step 4 in FIG. .1 and step 56 in FIG. 4).

Аналогично для каждой конфигурации молекулы-мишени, то есть для каждого полученного в молекулярно-динамическом моделировании набора ее координат, формируют на этапе 85 входной файл для квантово-механического моделирования молекулы-мишени в растворителе, как описано выше (этап 4 на фиг.1 и этап 56 на фиг.4).Similarly, for each configuration of the target molecule, that is, for each set of its coordinates obtained in molecular dynamics modeling, an input file is generated in step 85 for quantum-mechanical modeling of the target molecule in a solvent, as described above (step 4 in FIG. 1 and step 56 of FIG. 4).

Для каждой конфигурации молекулы-лиганда, то есть для каждого полученного в молекулярно-динамическом моделировании набора ее координат, формируют на этапе 86 входной файл для квантово-механического моделирования молекулы-лиганда в растворителе, как описано выше (этап 4 на фиг.1 и этап 56 на фиг.4).For each configuration of the ligand molecule, that is, for each set of its coordinates obtained in molecular dynamics modeling, an input file is generated at step 86 for quantum-mechanical modeling of the ligand molecule in a solvent, as described above (step 4 in FIG. 1 and step 56 in FIG. 4).

Для каждого входного файла, сформированного на этапе 84, то есть для каждой конфигурации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, с помощью выбранного на этапе 87 метода моделирования на этапе 88 проводят расчет полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе без оптимизации пространственного строения комплекса. Затем на этапе 89 вычисляют среднее значение полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе по всему выбранному набору конфигураций этой молекулярной системы.For each input file generated in step 84, that is, for each configuration of the target-ligand intermolecular complex, using the modeling method selected in step 87, at step 88, the total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent is calculated without optimizing the spatial structure of the complex. Then, at step 89, the average total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent is calculated over the entire selected set of configurations of this molecular system.

Для каждого входного файла, сформированного на этапе 85, то есть для каждой конфигурации молекулы-мишени, с помощью выбранного на этапе 87 метода моделирования на этапе 90 проводят расчет полной энергии молекулы-мишени в растворителе без оптимизации ее пространственного строения. Затем на этапе 91 вычисляют среднее значение полной энергии молекулы-мишени в растворителе по всему выбранному набору конфигураций этой молекулярной системы.For each input file generated in step 85, that is, for each configuration of the target molecule, using the simulation method selected in step 87, in step 90, the total energy of the target molecule in the solvent is calculated without optimizing its spatial structure. Then, at step 91, the average total energy of the target molecule in the solvent is calculated over the entire selected set of configurations of this molecular system.

Для каждого входного файла, сформированного на этапе 86, то есть для каждой конфигурации молекулы-лиганда, с помощью выбранного на этапе 87 метода моделирования на этапе 92 проводят расчет полной энергии молекулы-лиганда в растворителе без оптимизации ее пространственного строения. Затем на этапе 93 вычисляют среднее значение полной энергии молекулы-лиганда в растворителе по всему выбранному набору конфигураций этой молекулярной системы.For each input file generated in step 86, that is, for each configuration of the ligand molecule, using the modeling method selected in step 87, in step 92, the total energy of the ligand molecule in the solvent is calculated without optimizing its spatial structure. Then, at step 93, the average value of the total energy of the ligand molecule in the solvent is calculated over the entire selected set of configurations of this molecular system.

Используя полученные средние значения полных энергий межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, полученные на этапах 89, 91 и 93 соответственно, на этапе 94 вычисляется энтальпия связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе как разность между средним значением полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой средних значений полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны. Далее вычисляется энтропия связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе и свободная энергия связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе (этапы 69 и 71 на фиг.4).Using the obtained average values of the total energies of the target-ligand intermolecular complex in the solvent, the target molecules in the solvent, and the ligand molecules in the solvent obtained in steps 89, 91, and 93, respectively, the enthalpy of binding of the ligand molecule to the target molecule in solvent, as the difference between the average value of the total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent, on the one hand, and the sum of the average values of the total energies of the target molecule in the solvent and the ligand molecule in solvent, on the other hand. Next, the entropy of binding of the ligand molecule to the target molecule in the solvent and the free binding energy of the ligand molecule to the target molecule in the solvent are calculated (steps 69 and 71 in FIG. 4).

Приведенный выше способ моделирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями методами квантовой механики с учетом влияния растворителя был осуществлен авторами настоящего изобретения для ряда межмолекулярных комплексов белков и лигандов, для которых экспериментально были известны энергетические характеристики связывания, а именно энтальпия связывания. В соответствии с заявленным способом для этих тестовых комплексов было проведено вычисление энтальпии связывания белок-лиганд. Путем сравнения полученных результатов с соответствующими экспериментальными величинами была дана первоначальная оценка точности заявленного способа моделирования.The above method of modeling the binding of ligand molecules to target molecules by quantum mechanics, taking into account the influence of a solvent, was carried out by the authors of the present invention for a number of intermolecular complexes of proteins and ligands for which the binding energy characteristics, namely binding enthalpy, were experimentally known. In accordance with the claimed method, the protein-ligand binding enthalpy was calculated for these test complexes. By comparing the obtained results with the corresponding experimental values, an initial assessment of the accuracy of the claimed modeling method was given.

Для проведения тестового моделирования были выбраны восемь комплексов белков с лигандами, для которых были известны не только экспериментальные значения энтальпии связывания, но и структуры, полученные с помощью рентгеноструктурного анализа и занесенные в базу данных PDB (Protein Data Bank) [7]. В таблице 1 представлен список исследованных комплексов. В этой таблице приведены названия этих комплексов согласно базе данных PDB, латинские названия соответствующих белков и лигандов, экспериментальные значения энтальпий связывания для каждого комплекса, а также ссылки на работы, из которых эти данные были получены. На фиг.6 приведены структурные формулы и оптимизированные в рамках квантовой механики структуры лигандов соответствующих комплексов.For test modeling, eight protein complexes with ligands were selected for which not only the experimental values of the binding enthalpy were known, but also the structures obtained by X-ray diffraction analysis and entered into the PDB database (Protein Data Bank) [7]. Table 1 presents a list of the studied complexes. This table shows the names of these complexes according to the PDB database, the Latin names of the corresponding proteins and ligands, the experimental values of the binding enthalpies for each complex, as well as links to the works from which these data were obtained. Figure 6 shows the structural formulas and the structures of the ligands of the corresponding complexes optimized within the framework of quantum mechanics.

Таблица 1
Комплексы белок-лиганд с экспериментально известными значениями энтальпии связывания, которые были выбраны как тестовые системы для моделирования связывания в системе белок-лиганд методами квантовой механики
Table 1
Protein-ligand complexes with experimentally known binding enthalpy values that were selected as test systems for modeling binding in the protein-ligand system by quantum mechanics
NNNn PDB системаPDB system БелокProtein ЛигандLigand ΔHсв(Эксп.), ккал/мольΔH St. (Exp.) , Kcal / mol СсылкаLink 11 1ABE1ABE L-Arabinose-binding protein of Escherichia coliL-Arabinose-binding protein of Escherichia coli L-ArabinoseL-arabinose -15,3±0,5-15.3 ± 0.5 [13][thirteen] 22 1A781A78 Galectin-1Galectin-1 ThiodigalactopyranosideThiodigalactopyranoside -10,1±0,8-10.1 ± 0.8 [14][14] 33 1SWD1SWD Apo-Core-StreptavidinApo-core-streptavidin BiotinBiotin -28,6±0,4-28.6 ± 0.4 [15][fifteen] 44 1DF81DF8 S45A Mutant of StreptavidinS45A Mutant of Streptavidin BiotinBiotin -21,1±0,5-21.1 ± 0.5 [15][fifteen] 55 1AJ61AJ6 R136H Mutant 24kDa fragment from the B subunit of DNA gyraseR136H Mutant 24kDa fragment from the B subunit of DNA gyrase NovobiocinNovobiocin -17,5±0,1-17.5 ± 0.1 [16][16] 66 1I3H1I3H Concanavalin AConcanavalin a DimannosideDimannoside -7,0-7.0 [17][17] 77 1CVN1CVN Concanavalin AConcanavalin a TrimannosideTrimannoside -10,7-10.7 [17][17] 88 1SHA1SHA Phosphotyrosine recognition domain SH2 of the v-srcPhosphotyrosine recognition domain SH2 of the v-src Tyrosine-phosphorylated peptide (Tyr-Val-Pro-Met-Leu, Phosphorylated Tyr)Tyrosine-phosphorylated peptide (Tyr-Val-Pro-Met-Leu, Phosphorylated Tyr) -2,7±0,8-2.7 ± 0.8 [18][18]

Как видно из приведенной таблицы 1 и из фиг.6, выбранные комплексы содержат лиганды, которые представляют собой различные по химическому составу и свойствам органические соединения. Среди них есть углеводы (системы 1, 2, 6 и 7 по нумерации таблицы 1), гетероциклические соединения (системы 3 и 4 по нумерации таблицы 1), ароматическое соединение (система 5 по нумерации таблицы 1) и олигопептид (система 8 по нумерации таблицы 1). Некоторые из этих лигандов отрицательно заряжены, некоторые нейтральны, число атомов в них колеблется от 20 атомов до 94. Экспериментальные значения энтальпий связывания изменяются в выбранном ряду комплексов от -2,7 до -28,6 ккал/моль. Два выбранных комплекса (системы 3 и 4 по нумерации таблицы 1) содержат одинаковые лиганды и разные белки, другие два комплекса (системы 6 и 7 по нумерации таблицы 1) содержат разные лиганды и одинаковые белки. Таким образом, выбранный ряд межмолекулярных комплексов белок-лиганд представлял собой достаточно широкий ряд систем, представляющий собой интерес при тестировании заявленного метода моделирования.As can be seen from the above table 1 and figure 6, the selected complexes contain ligands, which are organic compounds with different chemical composition and properties. Among them are carbohydrates (systems 1, 2, 6 and 7 according to the numbering of table 1), heterocyclic compounds (systems 3 and 4 according to the numbering of table 1), aromatic compound (system 5 by the numbering of table 1) and oligopeptide (system 8 according to the numbering of the table 1). Some of these ligands are negatively charged, some are neutral, the number of atoms in them ranges from 20 atoms to 94. The experimental values of the binding enthalpies in the selected series of complexes vary from -2.7 to -28.6 kcal / mol. Two selected complexes (systems 3 and 4 according to the numbering of table 1) contain the same ligands and different proteins, the other two complexes (systems 6 and 7 according to the numbering of table 1) contain different ligands and the same proteins. Thus, the selected series of protein-ligand intermolecular complexes was a fairly wide range of systems, which is of interest when testing the claimed modeling method.

Исходные структуры комплексов, а именно декартовы координаты их атомов, были взяты из базы данных PDB. Практически все исходные структуры белков и лигандов содержали только координаты тяжелых (C, N, O, S) атомов. Водородные атомы были добавлены к структурам белков всех комплексов с помощью программы REDUCE [19] на первом этапе построения моделей комплексов. Водородные атомы были добавлены к структурам лигандов всех комплексов с помощью пакета Materials Studio Visualizer, предоставляемого компанией Accelrys [20].The initial structures of the complexes, namely, the Cartesian coordinates of their atoms, were taken from the PDB database. Almost all of the initial structures of proteins and ligands contained only the coordinates of heavy (C, N, O, S) atoms. Hydrogen atoms were added to the protein structures of all complexes using the REDUCE program [19] at the first stage of building complex models. Hydrogen atoms were added to the ligand structures of all complexes using the Materials Studio Visualizer package provided by Accelrys [20].

В данном случае учет влияния растворителя проводился в рамках явной модели воды, однако в настоящем моделировании не проводилось добавление молекул воды в молекулярной механике или в молекулярной динамике. Положения молекул воды, связанных с комплексом и его компонентами, были взяты из экспериментальных данных (PDB данные рентгеноструктурного анализа) о структурированных в комплексе молекулах воды.In this case, the influence of the solvent was taken into account within the framework of an explicit water model; however, in the present simulation, no water molecules were added in molecular mechanics or in molecular dynamics. The positions of water molecules associated with the complex and its components were taken from experimental data (PDB data of X-ray diffraction analysis) on water molecules structured in the complex.

Для каждого комплекса была проведена сортировка атомов на две группы согласно способу, предложенному в заявленном изобретении. Эта процедура была выполнена с помощью программы LigEnv [21], разработанной в компании Алгодайн. Для каждого комплекса в первую группу атомов включили атомы лиганда и атомы белка, которые составляли целые аминокислотные остатки, хотя бы один атом которых находился на расстоянии, не превышающем заданное значение от каждого атома лиганда. Кроме того, в первую группу включили атомы молекул воды, которые присутствовали во входных данных, полученных из базы данных PDB, каждый из которых находился на расстоянии, не превышающем заданное значение от атомов лиганда. Во вторую группу включили все остальные атомы белка и молекул воды. При построении модели белка в первую группу атомов включили атомы белка, отнесенные в первую группу атомов для межмолекулярного комплекса. Для моделирования энтальпии связывания во всех выбранных комплексах был выбран подход, при котором атомы белка, лиганда и их комплекса вместе с молекулами воды, относящиеся к первым группам, моделировались методами квантовой механики, а атомы вторых групп исключались из моделирования. При таком способе моделирования, как уже говорилось, во-первых, необходимо было выбирать достаточно большие модели белка, адекватно описывающие место связывания лиганда, а следовательно, для ускорения счета был выбран полуэмпирический квантово-механический метод расчета PM3 [22]. Этот метод наряду с достаточно высокой скоростью счета дает удовлетворительную точность при расчете полной энергии молекулярных систем, имеющих водородные связи. Во вторых, при таком подходе необходимо было вводить ряд дополнительных атомов, которые восстанавливали оборванные ковалентные связи атомов белков при разбиении их на группы. Оборванные ковалентные связи N-концов основных цепей белков замыкались группами -C(O)-(CH3), а оборванные ковалентные связи С-концов основных цепей белков замыкались группами -N(H)-(CH3). Дополнительно добавленные атомы при этом включались наряду с атомами первой группы в моделирование методами квантовой механики. В качестве оптимизируемых параметров выбирались координаты атомов лигандов, молекул воды и боковых цепей белков. Для поддержания трехмерной структуры белка, взятой из эксперимента, координаты тяжелых атомов (C, N, O) основных цепей белков и координаты добавленных атомов полагались как не оптимизируемые параметры.For each complex, atoms were sorted into two groups according to the method proposed in the claimed invention. This procedure was performed using the LigEnv program [21], developed by Algodine. For each complex, the first group of atoms included ligand atoms and protein atoms, which made up whole amino acid residues, at least one atom of which was at a distance not exceeding a specified value from each ligand atom. In addition, the first group included atoms of water molecules that were present in the input data obtained from the PDB database, each of which was at a distance not exceeding a specified value from the ligand atoms. The second group included all other atoms of the protein and water molecules. When constructing the protein model, the protein atoms included in the first group of atoms for the intermolecular complex were included in the first group of atoms. To model the enthalpy of binding in all selected complexes, an approach was chosen in which the atoms of the protein, ligand, and their complex, together with water molecules belonging to the first groups, were modeled by quantum mechanics, and the atoms of the second groups were excluded from the simulation. With this modeling method, as was already mentioned, firstly, it was necessary to select sufficiently large protein models that adequately describe the ligand binding site, and, therefore, the semiempirical quantum-mechanical method for calculating PM3 was chosen to speed up the counting [22]. This method, along with a sufficiently high counting rate, provides satisfactory accuracy in calculating the total energy of molecular systems with hydrogen bonds. Secondly, with this approach, it was necessary to introduce a number of additional atoms, which restored dangling covalent bonds of protein atoms when they were divided into groups. The dangling covalent bonds of the N-ends of the main chains of the proteins were closed by the groups -C (O) - (CH 3 ), and the dangling covalent bonds of the C-ends of the main chains of the proteins were closed by the groups -N (H) - (CH 3 ). The additionally added atoms were included along with the atoms of the first group in the simulation by quantum mechanics. The coordinates of ligand atoms, water molecules, and side chains of proteins were chosen as optimized parameters. To maintain the three-dimensional structure of the protein taken from the experiment, the coordinates of the heavy atoms (C, N, O) of the main chains of the proteins and the coordinates of the added atoms were considered as not optimized parameters.

В ходе формирования входных данных для моделирования определялись зарядовые состояния различных молекулярных групп белков и лигандов в воде при известных значениях pH. Согласно этому были добавлены или убраны дополнительные протоны в соответствующих кислотных или основных аминогруппах белка. Путем суммирования зарядовых состояний кислотных и основных аминогрупп определялся полный заряд моделей белков, лигандов и их межмолекулярных комплексов.During the formation of the input data for modeling, the charge states of various molecular groups of proteins and ligands in water were determined at known pH values. Accordingly, additional protons in the corresponding acidic or basic amino groups of the protein have been added or removed. By summing the charge states of acidic and basic amino groups, the total charge of protein models, ligands, and their intermolecular complexes was determined.

На фиг.7 представлена оптимизированная структура построенной таким образом модели одного из исследованных комплексов. Структуры всех остальных моделей, в общем случае, выглядят аналогично и для облегчения восприятия материала опускаются.Figure 7 presents the optimized structure of the thus constructed model of one of the studied complexes. The structures of all other models, in the general case, look similar and are omitted to facilitate the perception of the material.

В ходе моделирования было показано, что особое внимание необходимо уделять моделированию воды как растворителю, учитываемому явным образом. Были предложены два способа учета разрыва и образования водородных связей при переходе от комплекса к его компонентам и участия в этом процессе молекул воды. Соответственно, были рассмотрены два способа добавления молекул воды при переходе от комплекса к его компонентам. Условно эти способы были названы как подходы W1 и W2.During the simulation, it was shown that special attention should be paid to modeling water as a solvent, which is explicitly taken into account. Two methods have been proposed for taking into account the breaking and formation of hydrogen bonds during the transition from the complex to its components and the participation of water molecules in this process. Accordingly, two methods for adding water molecules during the transition from the complex to its components were considered. Conventionally, these methods have been named as approaches W1 and W2.

Согласно подходу W1, молекулы воды, положение которых было взято из эксперимента из базы данных PDB, связанные в комплексе с белком, рассчитывались при моделировании индивидуальных компонентов комплекса вместе с белком. Молекулы воды, положение которых было взято из эксперимента из базы данных PDB, связанные в комплексе с лигандом, рассчитывались при моделировании индивидуальных компонентов комплекса вместе с лигандом. Молекулы воды, связанные в комплексе одновременно и с белком, и с лигандом и образующие с ними мостики с водородными связями, учитывались при расчете по отдельности белка и лиганда два раза.According to the W1 approach, water molecules, the position of which was taken from the experiment from the PDB database, bound in a complex with a protein, were calculated by modeling individual components of the complex together with the protein. Water molecules, the position of which was taken from the experiment from the PDB database, linked in a complex with a ligand, were calculated by modeling the individual components of the complex together with the ligand. Water molecules bound in the complex simultaneously with the protein and the ligand and forming bridges with hydrogen bonds with them were taken into account when calculating the protein and ligand separately twice.

Согласно подходу W2, молекулы воды, положение которых было взято из эксперимента, учитывались также способом, аналогичным способу W1. Кроме этого, в этом случае дополнительные молекулы воды добавлялись и к белку, и к лиганду в тех местах, где в комплексе были водородные связи между белком и лигандом, так, чтобы заменить порванные водородные связи при переходе от межмолекулярного комплекса к его компонентам.According to the W2 approach, water molecules, the position of which was taken from the experiment, were also taken into account in a way similar to W1. In addition, in this case, additional water molecules were added to both the protein and the ligand in those places where the complex had hydrogen bonds between the protein and the ligand, so as to replace the broken hydrogen bonds during the transition from the intermolecular complex to its components.

Схематичное представление этих двух способов W1 и W2 учета молекул воды явным образом представлено на фиг.8 и 9 соответственно.A schematic representation of these two methods of accounting for water molecules W1 and W2 is explicitly presented in FIGS. 8 and 9, respectively.

Согласно приведенным схемам, вычисление энтальпии связывания белка и лиганда в комплексе согласно способу W1 производился согласно формулеAccording to the above schemes, the calculation of the enthalpy of binding of protein and ligand in the complex according to method W1 was carried out according to the formula

ΔHсвяз (W1)=ΔHLP-(ΔHP[nW(P), kW(LP)]+ΔHL[mW(L), kW(LP)])+k·ΔHW,ΔH bond (W1) = ΔH LP - (ΔH P [nW (P), kW (LP)] + ΔH L [mW (L), kW (LP)] ) + k · ΔH W ,

Здесь ΔHLP - рассчитанная энергия комплекса белок-лиганд (LP), взятого вместе со всеми молекулами воды, взаимодействующими с комплексом. ΔHP[nW(P),kW(LP)] - рассчитанная энергия белка (P), взятого вместе со всеми (n+k) молекулами воды, взаимодействующими с ним (см. фиг.8), ΔHL[mW(L),kW(LP)] - рассчитанная энергия лиганда (L), взятого вместе со всеми (m+k) молекулами воды, взаимодействующими с ним (см. фиг.8). k·ΔHW - рассчитанная энергия k молекул воды W(LP) (см. фиг.8), которая должна быть добавлена к сумме для поддержания энергетического баланса. ΔHW - это энергия молекулы воды, которая рассчитывается с учетом удаления ее из капли воды. В данном случае рассчитанная энергия ΔHW=-53,43 ккал/моль.Here ΔH LP is the calculated energy of the protein-ligand (LP) complex, taken together with all water molecules interacting with the complex. ΔH P [nW (P), kW (LP)] is the calculated energy of the protein (P) taken together with all (n + k) water molecules interacting with it (see Fig. 8), ΔH L [mW (L ), kW (LP)] is the calculated energy of the ligand (L) taken together with all (m + k) water molecules interacting with it (see Fig. 8). k · ΔH W is the calculated energy k of water molecules W (LP) (see Fig. 8), which must be added to the sum to maintain the energy balance. ΔH W is the energy of a water molecule, which is calculated taking into account its removal from a drop of water. In this case, the calculated energy ΔH W = -53.43 kcal / mol.

Вычисление энтальпии связывания белка и лиганда в комплексе согласно способу W2 выполнялось согласно формулеThe calculation of the enthalpy of binding of protein and ligand in the complex according to method W2 was performed according to the formula

ΔHbind (W2)=ΔHLP - (ΔHP[nW(P), kW(LP), qW(PHB)]+ΔHL[mW(L), kW(LP), tW(LHB)])+(k+q+t)ΔHW.ΔH bind (W2) = ΔH LP - (ΔH P [nW (P), kW (LP), qW (PHB)] + ΔH L [mW (L), kW (LP), tW (LHB)] ) + ( k + q + t) ΔH W.

Здесь ΔHLP - рассчитанная энергия комплекса белок-лиганд (LP), взятого вместе со всеми молекулами воды, взаимодействующими с комплексом. ΔHP[nW(P), kW(LP), qW(PHB)] - рассчитанная энергия белка (P), взятого вместе со всеми молекулами (n+k+q) воды, взаимодействующими с ним (см. фиг.9), ΔHL[mW(L), kW(LP), tW(LHB)] - рассчитанная энергия лиганда (L), взятого вместе со всеми (m+k+t) молекулами воды, взаимодействующими с ним (см. фиг.9). (k+q+t)ΔHW - рассчитанная энергия (k+q+t) молекул воды W(LP), W(PHB) и W(LHB) (см. фиг.9), которая должна быть добавлена к сумме для поддержания энергетического баланса.Here ΔH LP is the calculated energy of the protein-ligand (LP) complex, taken together with all water molecules interacting with the complex. ΔH P [nW (P), kW (LP), qW (PHB)] is the calculated energy of the protein (P) taken together with all water molecules (n + k + q) interacting with it (see Fig. 9) , ΔH L [mW (L), kW (LP), tW (LHB)] is the calculated energy of the ligand (L) taken together with all (m + k + t) water molecules interacting with it (see Fig. 9 ) (k + q + t) ΔH W is the calculated energy (k + q + t) of the water molecules W (LP), W (PHB) and W (LHB) (see Fig. 9), which should be added to the sum for maintaining energy balance.

Полученные в приближениях W1 и W2 согласно заявленному изобретению энтальпии связывания белков и лигандов для комплексов, взятых как тестовые системы (см. таблицу 1, системы 1-8), приведены в таблице 2 вместе с соответствующими экспериментальными данными и отклонениями вычисленных от экспериментальных величин.The enthalpies of binding of proteins and ligands obtained in approximations W1 and W2 according to the claimed invention for complexes taken as test systems (see table 1, systems 1-8) are shown in table 2 together with the corresponding experimental data and deviations calculated from the experimental values.

Как видно из этой таблицы, при обоих способах учета воды явным образом было получено достаточно разумное согласие вычисленных и экспериментальных данных по энтальпии связывания в комплексах белок-лиганд. Среднеквадратичное отклонение (RMS) вычисленных для всех комплексов энтальпий связывания в подходе W1 составило 7,0 ккал/моль, аналогичное среднеквадратичное отклонение, полученное для метода W2, составило 1,85 ккал/моль. Последняя точность вычисления энтальпии связывания является достаточно высокой и сравнима с точностью существующих экспериментальных методов измерения энтальпии связывания в комплексах белок-лиганд.As can be seen from this table, for both methods of water accounting, quite reasonable agreement was obtained between the calculated and experimental data on the enthalpy of binding in protein-ligand complexes. The standard deviation (RMS) calculated for all complexes of binding enthalpies in the W1 approach was 7.0 kcal / mol, the similar standard deviation obtained for the W2 method was 1.85 kcal / mol. The latter accuracy in calculating the binding enthalpy is quite high and comparable with the accuracy of existing experimental methods for measuring the binding enthalpy in protein-ligand complexes.

Таблица 2
Рассчитанные энтальпии связывания белков и лигандов для комплексов 1-8 согласно таблице 1
table 2
The calculated enthalpies of binding of proteins and ligands for complexes 1-8 according to table 1
NNNn PDB системаPDB system Расчет W1, ΔHсвяз(W1), ккал/мольCalculation of W1, ΔH bond (W1) , kcal / mol Расчет W1, error1), ккал/мольCalculation of W1, error 1) , kcal / mol Расчет W2, ΔHсвяз(W2), ккал/мольCalculation of W2, ΔH bond (W2), kcal / mol Расчет W2, error1), ккал/мольCalculation of W2, error 1) , kcal / mol 11 1ABE1ABE -18,14-18.14 2,82,8 -12,72-12.72 -2,58-2.58 22 1A781A78 -14,42-14.42 4,324.32 -9,79-9.79 -0,31-0.31 33 1SWD1SWD -24,66-24.66 -3,94-3.94 -26,47-26.47 -2,13-2.13 44 1DF81DF8 -17,01-17.01 -4,09-4.09 -18,06-18.06 -3,04-3.04 55 1AJ61AJ6 -13,22-13.22 -4,28-4.28 -18,91-18.91 1,411.41 66 1I3H1I3H -16,18-16.18 9,189.18 -7,65-7.65 0,650.65 77 1CVN1CVN -12,69-12.69 1,991.99 -11,58-11.58 0,880.88 88 1SHA1SHA -18,03-18.03 15,3315.33 -4,66-4.66 1,961.96 1) Отклонения рассчитанных в приближениях W1 и W2 энтальпий связывания белок-лиганд от экспериментальных величин. 1) Deviations of the protein-ligand binding enthalpies calculated in the W1 and W2 approximations from experimental values.

Список используемой литературыBibliography

1. Mulholland A.J.; Lyne P.D.; Richards W.G. Proteins: Struct Funct Genet 1997, 27, 9-25.1. Mulholland A.J .; Lyne P.D .; Richards W.G. Proteins: Struct Funct Genet 1997, 27, 9-25.

2. Mulholland A.J.; Lyne P.D.; Karplus M., Ab initio QM/MM study of the citrate synthase mechanism. A low-barrier hydrogen bond is not involved, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 534-535.2. Mulholland A.J .; Lyne P.D .; Karplus M., Ab initio QM / MM study of the citrate synthase mechanism. A low-barrier hydrogen bond is not involved, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 534-535.

3. Lyne P.D.; Hodoscek M.; Karplus M., A hybrid QM-MM potential employing Hartree-Fock of Density functional methods in the quantum region, J. Phys. Chem. A, 1999, 103, 3462-3471.3. Lyne P.D .; Hodoscek M .; Karplus M., A hybrid QM-MM potential employing Hartree-Fock of Density functional methods in the quantum region, J. Phys. Chem. A, 1999, 103, 3462-3471.

4. Lewis J.P., Carter C.W., Jr, Hermans J., Pan W., Lee T.-S., Yand W., Active species for the ground-state complex of cytidine deaminase: a linear-scaling quantum mechanical investigation, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5407-5410.4. Lewis JP, Carter CW, Jr, Hermans J., Pan W., Lee T.-S., Yand W., Active species for the ground-state complex of cytidine deaminase: a linear-scaling quantum mechanical investigation, J . Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5407-5410.

5. York D.M., Lee T.-S., Yang W., Quantum mechanical treatment of biological macromolecules in solution using linear-scaling electronic structure methods, Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 5011-5014.5. York D.M., Lee T.-S., Yang W., Quantum mechanical treatment of biological macromolecules in solution using linear-scaling electronic structure methods, Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 5011-5014.

6. Lee T.-S., York D.M., Yang W., Linear-scaling semiempirical quantum calculations for macromolecules, J. Chem. Phys. 1996, 105, 2744-2750.6. Lee T.-S., York D.M., Yang W., Linear-scaling semiempirical quantum calculations for macromolecules, J. Chem. Phys. 1996, 105, 2744-2750.

7. H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne, Nucleic Acids Research 28 (2000) 235-242, http://www.rcsb.org/pdb.7. H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne, Nucleic Acids Research 28 (2000) 235-242, http://www.rcsb.org/pdb.

8. Murphy R.B.; Philipp D.M.; Friesner R.A. J. Comp. Chem. 2000, 21, 1442-1457.8. Murphy R.B .; Philipp D.M .; Friesner R.A. J. Comp. Chem. 2000, 21, 1442-1457.

9. Stewart J. J. P. J Mol Struct (Theochem) 1997, 401, 195-205.9. Stewart J. J. P. J. Mol Struct (Theochem) 1997, 401, 195-205.

10. B. Tidor, M. Karplus, The contribution of vibrational entropy to molecular association, J.Mol.Biol. 238 (1994) 405-414.10. B. Tidor, M. Karplus, The contribution of vibrational entropy to molecular association, J. Mol. Biol. 238 (1994) 405-414.

11. Sonja Schwartzl et al. J. Comput. Chem. 23 (2002) 1143-1149.11. Sonja Schwartzl et al. J. Comput. Chem. 23 (2002) 1143-1149.

12. R.M. Levy, E. Gallicchio, Ann. Rev. Phys. Chem. 49 (1998) 531.12. R.M. Levy, E. Gallicchio, Ann. Rev. Phys. Chem. 49 (1998) 531.

13. Fukada H.; Sturtevant J.M.; Quiocho F.A. J. Biol. Chem. 1983, 258, 13193-13198.13. Fukada H .; Sturtevant J.M .; Quiocho F.A. J. Biol. Chem. 1983, 258, 13193-13198.

14. Schwarz F.P.; Ahmed H.; Bianchet M.A., Amzel L.M.; Vasta G.R. Biochem 1998, 37, 5867-5877.14. Schwarz F.P .; Ahmed H .; Bianchet M.A., Amzel L.M .; Vasta G.R. Biochem 1998, 37, 5867-5877.

15. Hyre D.E.; Trong I.L.; Freitag S.; Stenkamp R.E.; Stayton P.S. Prot. Sci. 2000, 9, 878-885.15. Hyre D.E .; Trong I.L .; Freitag S .; Stenkamp R.E .; Stayton P.S. Prot. Sci. 2000, 9, 878-885.

16. Holdgate G.A.; Tunnicliffe A.; Ward W.H.; Weston S.A.; Rosenbrock G.; Barth P.T.; Taylor I.W.; Paupti,t R.A.; Timms D. Biochem 1997, 36, 9663-9673.16. Holdgate G.A .; Tunnicliffe A .; Ward W.H .; Weston S.A .; Rosenbrock G .; Barth P.T .; Taylor I.W .; Paupti, t R.A .; Timms D. Biochem 1997, 36, 9663-9673.

17. Klotz I.M. Ligand-Receptor Energetics/ a guide for the perplexed, John Wiley & Sons, New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 1997, p.77.17. Klotz I.M. Ligand-Receptor Energetics / a guide for the perplexed, John Wiley & Sons, New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 1997, p. 77.

18. Henriques D.A.; Ladbury J.E.; Jackson R.M. Prot. Sci. 2000, 9, 1975-1985.18. Henriques D.A .; Ladbury J.E .; Jackson R.M. Prot. Sci. 2000, 9, 1975-1985.

19. Word J.M.; J. Mol. Biol. 1999, 285, 1733-1745.19. Word J.M .; J. Mol. Biol. 1999, 285, 1733-1745.

20. Materials Studio Visualizer, Materials Studio Release 2.2, San Diego: Accelrys Inc. 2002, http://www.accelrys.com/mstudio/visualizer.html.20. Materials Studio Visualizer, Materials Studio Release 2.2, San Diego: Accelrys Inc. 2002, http://www.accelrys.com/mstudio/visualizer.html.

21. Vlasov P. LigEnv: program for construction of a model represented an active site of protein-ligand complex from PDB molecular structure, Algodign, LLC, Moscow, 2002.21. Vlasov P. LigEnv: program for construction of a model represented an active site of protein-ligand complex from PDB molecular structure, Algodign, LLC, Moscow, 2002.

22. Stewart J.J.P. J. Comput. Chem. 1989, 10, 2, 209-264.22. Stewart J.J.P. J. Comput. Chem. 1989, 10, 2, 209-264.

Claims (30)

1. Способ квантово-механического моделирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями в растворителе, включающий этапы, на которых1. A method of quantum-mechanical modeling of the binding of ligand molecules to target molecules in a solvent, comprising the steps of a) получают структуру и состав молекулы-мишени в виде набора координат и типов атомов и записывают эти данные на носитель информации;a) receive the structure and composition of the target molecule in the form of a set of coordinates and types of atoms and write this data to the storage medium; б) получают структуру и состав молекулы-лиганда в виде набора координат и типа атомов и записывают эти данные на носитель информации;b) receive the structure and composition of the ligand molecule in the form of a set of coordinates and the type of atoms and write this data to the storage medium; в) считывают координаты атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда с носителя информации в память компьютера и выполняют преобразование координат атомов этих молекул таким образом, чтобы наименьшее расстояние между каждым из атомов молекулы-лиганда и заданными атомами молекулы-мишени находилось в заданном диапазоне, и записывают новые координаты атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда, образующих межмолекулярный комплекс мишень-лиганд, в память компьютера,c) read the coordinates of the atoms of the target molecule and the ligand molecule from the storage medium into the computer memory and perform the conversion of the coordinates of the atoms of these molecules so that the smallest distance between each of the atoms of the ligand molecule and the given atoms of the target molecule is in a given range, and write the new coordinates of the atoms of the target molecule and the ligand molecule, forming the intermolecular complex of the target ligand, in computer memory, г) к множеству координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд добавляют параметры растворителя на основе модели явного учета растворителя и записывают координаты всех атомов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя в память компьютера в виде первого множества координат,d) the solvent parameters are added to the set of coordinates of the intermolecular target-ligand complex based on the model of explicit accounting of the solvent and the coordinates of all atoms of the target-ligand intermolecular complex and the solvent are recorded in the computer memory as the first set of coordinates, д) к множеству координат молекулы-мишени добавляют параметры растворителя на основе модели явного учета растворителя и записывают координаты всех атомов молекулы-мишени и растворителя в память компьютера в виде второго множества координат,e) the solvent parameters are added to the target coordinate set based on the explicit solvent accounting model and the coordinates of all atoms of the target molecule and the solvent are recorded in the computer memory as a second set of coordinates, е) к множеству координат молекулы-лиганда добавляют параметры растворителя на основе модели явного учета растворителя и записывают координаты всех атомов молекулы-лиганда и растворителя в память компьютера в виде третьего множества координат,f) the solvent parameters are added to the coordinate set of the ligand molecule based on the explicit solvent accounting model and the coordinates of all atoms of the ligand molecule and the solvent are recorded in the computer memory as a third coordinate set, ж) с помощью компьютерной программы, которая считывает из памяти компьютера первое множество координат атомов межмолекулярного комплекса и растворителя, вычисляют расстояния от атомов молекулы-лиганда до каждого атома молекулы-мишени и растворителя и проводят сортировку всех атомов первого множества таким образом, чтобы в первую группу вошли все атомы молекулы-лиганда, а также атомы молекулы-мишени и атомы растворителя, расстояния от которых до каждого из атомов молекулы-лиганда не превышают заданное значение, а во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и растворителя,g) using a computer program that reads from the computer’s memory the first set of coordinates of the atoms of the intermolecular complex and the solvent, calculate the distances from the atoms of the ligand molecule to each atom of the target molecule and solvent and sort all the atoms of the first set so that the first group includes all atoms of the ligand molecule, as well as atoms of the target molecule and solvent atoms, the distances from which to each of the atoms of the ligand molecule do not exceed a specified value, and include in the second group removed all the remaining atoms of the target molecule and solvent, з) проводят сортировку всех атомов второго множества таким образом, чтобы в первую группу атомов вошли те же атомы молекулы-мишени, которые входят в первую группу атомов, сформированную на этапе (ж), а во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и все атомы растворителя, причем в первую и вторую группы атомов включают те же атомы молекул растворителя, которые входят в соответствующие группы атомов, сформированные на этапе (ж),h) sorting all the atoms of the second set so that the first group of atoms includes the same atoms of the target molecule that are in the first group of atoms formed in step (g), and the second group includes all the other atoms of the target molecule and all atoms of the solvent, and in the first and second groups of atoms include the same atoms of the solvent molecules that are included in the corresponding groups of atoms formed in step (g), и) проводят сортировку всех атомов третьего множества таким образом, чтобы в первую группу атомов вошли все атомы молекулы-лиганда и те атомы молекул растворителя, которые входят в первую группу атомов, сформированную на этапе (ж), а во вторую группу включают все остальные атомы молекул растворителя,i) they sort all the atoms of the third set so that the first group of atoms includes all the atoms of the ligand molecule and those atoms of the solvent molecules that are in the first group of atoms formed in step (g), and the remaining group includes all other atoms solvent molecules к) формируют с использованием координат атомов первой и второй групп, сформированных на этапе (ж), входной файл для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы упомянутой первой группы со своими ядрами и электронами моделируются методами квантовой механики, а атомы упомянутой второй группы моделируются методами классической механики,j) form using the coordinates of the atoms of the first and second groups formed in step (g), an input file for calculating the intermolecular target-ligand complex in a solvent using an appropriate simulation program so that the atoms of the first group with their nuclei and electrons are modeled by quantum mechanics, and the atoms of the second group mentioned are modeled by classical mechanics, л) формируют с использованием координат атомов первой и второй групп, сформированных на этапе (з), входной файл для расчета молекулы-мишени в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы упомянутой первой группы со своими ядрами и электронами моделируются методами квантовой механики, а атомы упомянутой второй группы моделируются методами классической механики,k) form using the coordinates of the atoms of the first and second groups formed in step (h), an input file for calculating the target molecule in the solvent using the appropriate simulation program so that the atoms of the first group with their nuclei and electrons are modeled by quantum mechanics , and the atoms of the second group mentioned are modeled by methods of classical mechanics, м) формируют с использованием координат атомов первой и второй групп, сформированных на этапе (и), входной файл для расчета молекулы-лиганда в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы упомянутой первой группы со своими ядрами и электронами моделируются методами квантовой механики, а атомы упомянутой второй группы моделируются методами классической механики,m) form using the coordinates of the atoms of the first and second groups formed in step (s), an input file for calculating the ligand molecule in the solvent using the appropriate simulation program so that the atoms of the first group with their nuclei and electrons are modeled by quantum mechanics , and the atoms of the second group mentioned are modeled by methods of classical mechanics, н) на основе физико-химических свойств соответствующих молекул определяют зарядовые состояния различных групп атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе и в соответствии с этим добавляют или убирают дополнительные атомы в соответствующих местах молекулы-мишени и молекулы-лиганда,m) on the basis of the physicochemical properties of the corresponding molecules, the charge states of various groups of atoms of the target molecule and the ligand molecule in the solvent are determined and, in accordance with this, additional atoms are added or removed in the corresponding places of the target molecule and the ligand molecule, о) определяют полный заряд молекулы-мишени, полный заряд молекулы-лиганда и полный заряд межмолекулярного комплекса мишень-лиганд,o) determine the total charge of the target molecule, the total charge of the ligand molecule and the total charge of the intermolecular complex of the target ligand, п) модифицируют входные файлы для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, расчета молекулы-мишени и расчета молекулы-лиганда с учетом координат соответствующих атомов, их типа, а также полных зарядов и мультиплетности этих молекул,o) modify the input files to calculate the intermolecular target-ligand complex, calculate the target molecule and calculate the ligand molecule, taking into account the coordinates of the corresponding atoms, their type, as well as the full charges and multiplicity of these molecules, р) во входные файлы для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда включают параметры растворителя в неявной модели, в которой с использованием координат атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя, координаты которых включены в соответствующие входные файлы, модифицированные на этапе (п), формируют координаты точек, находящихся на поверхности, доступной растворителю, которая охватывает молекулу-мишень, молекулу-лиганд и молекулы растворителя, или охватывает только молекулу-мишень и молекулы растворителя в случае расчета молекулы-мишени в растворителе, или охватывает только лиганд и молекулы растворителя в случае расчета молекулы-лиганда в растворителе, и с помощью этих точек формируют математическую модель неявного учета растворителя, и записывают на носитель информации эти входные файлы для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда с помощью соответствующей программы моделирования,p) the input parameters for calculating the intermolecular complex of the target ligand, target molecules and ligand molecules include the parameters of the solvent in an implicit model, in which, using the coordinates of the atoms of the target molecule, ligand molecule and solvent molecules, the coordinates of which are included in the corresponding input files modified in step (p) form the coordinates of points located on a surface accessible to the solvent, which encompasses the target molecule, ligand molecule, and solvent molecules, or encompasses only molecules -the target and solvent molecules in the case of calculating the target molecule in the solvent, or covers only the ligand and solvent molecules in the case of calculating the ligand molecule in the solvent, and using these points form a mathematical model of the implicit accounting of the solvent, and write these input files to the storage medium to calculate the intermolecular complex of the target ligand, the target molecule and the ligand molecule using the appropriate simulation program, с) вычисляют с помощью соответствующей программы моделирования полную энергию межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя, используя соответствующий входной файл, сформированный на этапе (р), и находят минимум полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя при варьировании положений по меньшей мере некоторых атомов межмолекулярного комплекса и растворителя; записывают на носитель информации значение минимума полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя, и соответствующие координаты атомов,c) using an appropriate simulation program, calculate the total energy of the target-ligand intermolecular complex and solvent using the corresponding input file generated in step (p), and find the minimum total energy of the target-ligand and solvent intermolecular complex with varying positions of at least some atoms intermolecular complex and solvent; write to the information carrier the value of the minimum total energy of the intermolecular complex of the target ligand and solvent, and the corresponding atomic coordinates, т) вычисляют с помощью соответствующей программы моделирования полную энергию молекулы-мишени и растворителя, используя соответствующий входной файл, сформированный на этапе (р), и находят минимум полной энергии молекулы-мишени и растворителя при варьировании положений по меньшей мере части атомов молекулы-мишени и растворителя; записывают на носитель информации значение минимума полной энергии молекулы-мишени и растворителя, и соответствующие координаты атомов,r) using the appropriate simulation program, calculate the total energy of the target molecule and solvent using the corresponding input file generated in step (p), and find the minimum total energy of the target molecule and solvent when varying the positions of at least part of the atoms of the target molecule and solvent; write to the information carrier the value of the minimum total energy of the target molecule and the solvent, and the corresponding atomic coordinates, у) вычисляют с помощью соответствующей программы моделирования полную энергию молекулы-лиганда и растворителя, используя входной файл, сформированный на этапе (р), и находят минимум полной энергии молекулы-лиганда и растворителя при варьировании положений по меньшей мере части атомов молекулы-лиганда и растворителя; записывают на носитель информации значение минимума полной энергии молекулы-лиганда и растворителя, и соответствующие координаты атомов,s) using the appropriate simulation program, calculate the total energy of the ligand molecule and solvent using the input file generated in step (p), and find the minimum total energy of the ligand molecule and solvent by varying the positions of at least part of the atoms of the ligand molecule and solvent ; write to the information carrier the value of the minimum total energy of the ligand molecule and the solvent, and the corresponding atomic coordinates, ф) используя значения минимумов полных энергий межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, и растворителя, молекулы-мишени и растворителя, и молекулы-лиганда и растворителя, полученные на этапах (с), (т) и (у), соответственно, вычисляют энтальпию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе, как разность между значением минимума полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, вычисленным на этапе (с) с одной стороны, и суммой значений минимумов полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, вычисленных соответственно на этапах (т) и (у), с другой стороны,f) using the values of the minima of the total energies of the target-ligand intermolecular complex, and the solvent, the target molecule and the solvent, and the ligand molecule and solvent obtained in steps (c), (t) and (y), respectively, the enthalpy of binding of the molecule is calculated a ligand with a target molecule in a solvent, as the difference between the minimum total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent calculated on the one hand in step (c) and the sum of the minimum energies of the target molecule in the solvent and the molecules ligand in the solvent, calculated respectively in steps (r) and (y), on the other hand, х) обеспечивают в процессе связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью баланса молекул растворителя, когда сумма молекул растворителя, включенных в расчет молекулы-мишени, и молекул растворителя, включенных в расчет молекулы-лиганда, равна сумме молекул растворителя, включенных в расчет межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, при этом, когда баланс молекул растворителя в процессе связывания нарушен, при расчете энтальпии связывания на этапе (ф) учитывают энергию, которую необходимо затратить, чтобы удалить из растворителя то количество молекул растворителя, которое необходимо добавить в рассматриваемую систему для соблюдения баланса по числу молекул растворителя в процессе связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью.x) provide, in the process of binding the ligand molecule to the target molecule, the balance of solvent molecules, when the sum of the solvent molecules included in the calculation of the target molecule and the solvent molecules included in the calculation of the ligand molecule is equal to the sum of the solvent molecules included in the calculation of the intermolecular complex the ligand target, in this case, when the balance of the solvent molecules during the binding process is impaired, when calculating the binding enthalpy in step (f), the energy that must be expended to remove from the solvent is taken into account the number of solvent molecules that must be added to the system under consideration in order to maintain a balance in the number of solvent molecules during the binding of the ligand molecule to the target molecule. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда молекула-мишень является белком, ее структура и состав получается из базы данных PDB.2. The method according to p. 1, characterized in that in the case when the target molecule is a protein, its structure and composition is obtained from the PDB database. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что структуру и состав молекулы-мишени получают в виде набора декартовых координат соответствующих атомов.3. The method according to p. 1, characterized in that the structure and composition of the target molecule is obtained in the form of a set of Cartesian coordinates of the corresponding atoms. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к координатам атомов молекулы-мишени добавляют там, где это необходимо, координаты недостающих атомов водорода, при этом определяют координаты добавленных атомов водорода, при которых полная энергия молекулы-мишени достигает минимума при варьировании координат этих атомов водорода, и записывают на носитель информации координаты всех атомов молекулы-мишени, включая координаты добавленных атомов водорода.4. The method according to claim 1, characterized in that the coordinates of the missing hydrogen atoms are added to the coordinates of the atoms of the target molecule, whereby the coordinates of the added hydrogen atoms are determined at which the total energy of the target molecule reaches a minimum when the coordinates are varied these hydrogen atoms, and the coordinates of all atoms of the target molecule, including the coordinates of the added hydrogen atoms, are recorded on the information carrier. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к координатам атомов молекулы-лиганда добавляют там, где это необходимо, координаты недостающих атомов водорода, при этом определяют координаты добавленных атомов водорода, при которых полная энергия молекулы-лиганда достигает минимума при варьировании координат этих атомов водорода, и записывают на носитель информации координаты всех атомов молекулы-лиганда, включая координаты добавленных атомов водорода.5. The method according to claim 1, characterized in that the coordinates of the missing hydrogen atoms are added to the coordinates of the atoms of the ligand molecule, whereby the coordinates of the added hydrogen atoms are determined at which the total energy of the ligand molecule reaches a minimum when the coordinates are varied these hydrogen atoms, and the coordinates of all atoms of the ligand molecule, including the coordinates of the added hydrogen atoms, are recorded on the information carrier. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что добавление параметров растворителя на основе модели явного учета растворителя осуществляют путем компьютерного вычисления координат, соответствующих положениям в пространстве множества молекул растворителя, так, чтобы их средняя плотность соответствовала экспериментально наблюдаемой плотности растворителя и они заполняли собой без взаимопересечений и пересечений с атомами молекулы-мишени и молекулы-лиганда пространство как между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом, так и вокруг них.6. The method according to p. 1, characterized in that adding the parameters of the solvent based on the model of explicit accounting for the solvent is carried out by computer calculation of the coordinates corresponding to the positions in the space of many solvent molecules, so that their average density corresponds to the experimentally observed density of the solvent and they filled without intersections and intersections with atoms of the target molecule and the ligand molecule, the space both between the target molecule and the ligand molecule, and around them. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во входные файлы для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда добавляют координаты дополнительных атомов в области пространства, где атомы первой и второй групп находятся на расстоянии друг от друга, не превышающем заданную величину, и моделируют сопряжение двух групп атомов, рассчитываемых соответственно методами квантовой и классической механики.7. The method according to p. 1, characterized in that the input files for calculating the intermolecular complex of the target ligand, the target molecule and the ligand molecule add the coordinates of additional atoms in the space where the atoms of the first and second groups are at a distance from each other not exceeding a predetermined value, and simulate the conjugation of two groups of atoms, calculated respectively by the methods of quantum and classical mechanics. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что координаты атомов второй группы не учитывают при формировании входных файлов соответствующей программы моделирования межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда, а координаты добавленных дополнительно атомов включают во входные файлы соответствующей программы моделирования так, что они вместе с атомами первой группы моделируются методами квантовой механики.8. The method according to p. 7, characterized in that the coordinates of the atoms of the second group are not taken into account when generating the input files of the corresponding program for modeling the intermolecular complex of the target ligand, the target molecule and the ligand molecule, and the coordinates of the additional atoms added are included in the input files of the corresponding program simulation so that they, together with the atoms of the first group, are modeled by the methods of quantum mechanics. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что с помощью дополнительных атомов компенсируют оборванные ковалентные связи, которые атомы первой группы имели с атомами второй группы.9. The method according to p. 8, characterized in that, using additional atoms, compensate for dangling covalent bonds that the atoms of the first group had with the atoms of the second group. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда молекула-мишень является белком, в первую группу атомов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд включают атомы молекулы-лиганда, атомы молекул растворителя, находящиеся на расстоянии, не превышающем заданное значение от атомов молекулы-лиганда, и атомы молекулы-мишени, которые составляют целые аминокислотные остатки, хотя бы один атом которых находится на расстоянии, не превышающем заданное значение от каждого атома молекулы-лиганда, а во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и молекул растворителя.10. The method according to p. 1, characterized in that in the case where the target molecule is a protein, the first group of atoms of the intermolecular complex of the target ligand include atoms of the ligand molecule, the atoms of the solvent molecules located at a distance not exceeding a predetermined value from atoms of the ligand molecule, and atoms of the target molecule, which make up whole amino acid residues, at least one atom of which is at a distance not exceeding the specified value from each atom of the ligand molecule, and the remaining group of m atoms are included in the second group target molecules and solvent molecules. 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда молекула-мишень является белком, в первую группу атомов, сформированную на этапе (з), включаются атомы молекулы-мишени, которые составляют целые аминокислотные остатки.11. The method according to p. 1, characterized in that in the case where the target molecule is a protein, the atoms of the target molecule that comprise the whole amino acid residues are included in the first group of atoms formed in step (h). 12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в случае, когда молекула-мишень является белком, дополнительные атомы замыкают оборванные ковалентные связи цепи белка таким образом, что N-конец оборванной цепи белка замыкается группой С(О)-(СН3), а C-конец оборванной цепи белка замыкается группой -NH-(СН3).12. The method according to p. 9, characterized in that in the case where the target molecule is a protein, additional atoms shorten the dangling covalent bonds of the protein chain so that the N-terminus of the dangling protein chain is closed by the C (O) - (CH 3 ), and the C-terminus of the dangling chain of the protein is closed by the group -NH- (CH 3 ). 13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда растворителем является вода, требуемые зарядовые состояния различных групп атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе получают добавлением или убиранием дополнительных атомов водорода в соответствующих местах молекулы-мишени и молекулы-лиганда.13. The method according to p. 1, characterized in that in the case when the solvent is water, the required charge states of various groups of atoms of the target molecule and the ligand molecule in the solvent are obtained by adding or removing additional hydrogen atoms in the corresponding places of the target molecule and molecule ligand. 14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что добавляют в каждый из трех входных файлов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд координаты атомов дополнительных молекул воды.14. The method according to p. 13, characterized in that the atom coordinates of additional water molecules are added to each of the three input files of the target molecule, ligand molecule and intermolecular target-ligand complex. 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что молекулы воды добавляют в межмолекулярный комплекс мишень-лиганд, таким образом, чтобы они образовывали водородные связи как с молекулой-мишенью, так и с молекулой-лигандом.15. The method according to p. 14, characterized in that the water molecules are added to the intermolecular target-ligand complex, so that they form hydrogen bonds with both the target molecule and the ligand molecule. 16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что молекулы воды добавляют к молекуле-мишени так, чтобы с их участием восстановить водородные связи, которые присутствовали в межмолекулярном комплексе мишень-лиганд и которые были оборваны при удалении молекулы-лиганда из молекулы-мишени.16. The method according to p. 14, characterized in that water molecules are added to the target molecule so that with their participation to restore hydrogen bonds that were present in the intermolecular complex of the target ligand and which were broken when the ligand molecule was removed from the target molecule . 17. Способ по п. 14, отличающийся тем, что молекулы воды добавляют к молекуле-лиганду так, чтобы с их участием восстановить водородные связи, которые присутствовали в межмолекулярном комплексе мишень-лиганд и которые были оборваны при удалении молекулы-лиганда из молекулы-мишени.17. The method according to p. 14, characterized in that the water molecules are added to the ligand molecule so that with their participation to restore hydrogen bonds that were present in the intermolecular complex of the target ligand and which were broken when the ligand molecule was removed from the target molecule . 18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве математической модели неявного учета растворителя используют совокупность программных средств, реализующих решение уравнения Пуассона и описывающих взаимодействие молекулы-мишени и молекулы-лиганда с непрерывной средой, заполняющей все пространство вне поверхности, доступной растворителю и имеющей диэлектрическую проницаемость, равную диэлектрической проницаемости растворителя.18. The method according to p. 1, characterized in that as a mathematical model of implicit accounting for the solvent using a combination of software that implements the solution of the Poisson equation and describes the interaction of the target molecule and the ligand molecule with a continuous medium filling the entire space outside the surface accessible to the solvent and having a dielectric constant equal to the dielectric constant of the solvent. 19. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании растворителя с большим значением диэлектрической проницаемости растворителя в качестве математической модели неявного учета растворителя используют совокупность программных средств, реализующих решение уравнений, описывающих взаимодействие молекулы-мишени и молекулы-лиганда с непрерывным проводником, заполняющим все пространство вне поверхности, доступной растворителю.19. The method according to p. 1, characterized in that when using a solvent with a high dielectric constant of the solvent as a mathematical model of the implicit accounting of the solvent using a set of software tools that implement the solution of the equations describing the interaction of the target molecule and the ligand molecule with a continuous conductor, filling all the space outside the surface accessible to the solvent. 20. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании растворителя, характеризуемого отличными от нуля диэлектрической проницаемостью и проводимостью, в качестве математической модели неявного учета растворителя используют совокупность программных средств, реализующих решение уравнения Пуассона-Больцмана и описывающих взаимодействие молекулы-мишени и молекулы-лиганда с непрерывной средой, имеющей отличную от нуля диэлектрическую проницаемость и отличную от нуля проводимость и заполняющей все пространство вне поверхности доступной растворителю.20. The method according to p. 1, characterized in that when using a solvent characterized by non-zero dielectric constant and conductivity, a set of software tools that implement the solution of the Poisson-Boltzmann equation and describe the interaction of the target molecule is used as a mathematical model of implicit solvent accounting a ligand molecule with a continuous medium having a non-zero dielectric constant and non-zero conductivity and filling the entire space outside the surface is accessible full of solvent. 21. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вычисляют колебательные частоты молекулы-лиганда, молекулы-мишени и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и с помощью этих частот рассчитывают энтропию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе.21. The method according to p. 1, characterized in that the vibrational frequencies of the ligand molecule, the target molecule and the intermolecular target-ligand complex are calculated, and the entropy of binding of the ligand molecule to the target molecule in the solvent is calculated using these frequencies. 22. Способ по п. 1 или 21, отличающийся тем, что, используя атомные веса и координаты атомов молекулы-лиганда, молекулы-мишени и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, вычисляют энтропию связывания, обусловленную потерей каждой из этих молекул трех вращательных и трех поступательных степеней свободы при связывании их в комплекс.22. The method according to p. 1 or 21, characterized in that, using the atomic weights and atomic coordinates of the ligand molecule, the target molecule and the intermolecular target-ligand complex, the entropy of binding due to the loss of each of these three rotational and three translational molecules is calculated degrees of freedom when bundling them into a complex. 23. Способ по п. 1 или 22, отличающийся тем, что, используя свойства молекул растворителя и координаты атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, вычисляют кавитационную энергию связывания, как разность кавитационной энергии сольватации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, с одной стороны, и суммы кавитационных энергий сольватации молекулы-мишени и молекулы-лиганда по отдельности, с другой стороны, причем кавитационная энергия сольватации вычисляется, как свободная энергия, которая необходима для создания в растворителе пустой полости, форма которой совпадает с формой растворяемой молекулы.23. The method according to p. 1 or 22, characterized in that, using the properties of the solvent molecules and the coordinates of the atoms of the target molecule, the ligand molecule and the intermolecular target-ligand complex, the cavitation binding energy is calculated as the difference between the cavitation energy of solvation of the intermolecular target-complex ligand, on the one hand, and the sum of the cavitation energy of solvation of the target molecule and the ligand molecule separately, on the other hand, and the cavitation energy of solvation is calculated as free energy, which is necessary and creating an empty cavity in the solvent, the shape of which matches the shape of the molecule is dissolved. 24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что, используя величины энтальпии и энтропии связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе, и величину кавитационной энергии связывания, вычисляют свободную энергию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе.24. The method according to p. 23, characterized in that, using the enthalpy and entropy of binding of the ligand molecule to the target molecule in the solvent, and the value of the cavitation binding energy, calculate the free binding energy of the ligand molecule with the target molecule in the solvent. 25. Молекулярно-динамический способ квантово-механического моделирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями в растворителе, включающий этапы, на которых25. Molecular-dynamic method of quantum-mechanical modeling of the binding of ligand molecules to target molecules in a solvent, comprising the steps of а) получают структуру и состав молекулы-мишени в виде набора координат и типов атомов и записывают эти данные на носитель информации;a) receive the structure and composition of the target molecule in the form of a set of coordinates and types of atoms and write this data to the storage medium; б) получают структуру и состав молекулы-лиганда в виде набора координат и типа атомов и записывают эти данные на носитель информации;b) receive the structure and composition of the ligand molecule in the form of a set of coordinates and the type of atoms and write this data to the storage medium; в) считывают координаты атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда с носителя информации в память компьютера и выполняют преобразование координат атомов этих молекул таким образом, чтобы наименьшее расстояние между каждым из атомов лиганда и заданными атомами молекулы-мишени находилось в заданном диапазоне, и записывают новые координаты атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда, образующих межмолекулярный комплекс мишнь-лиганд, в память компьютера,c) read the coordinates of the atoms of the target molecule and the ligand molecule from the storage medium into the computer memory and perform the conversion of the coordinates of the atoms of these molecules so that the smallest distance between each of the ligand atoms and the given atoms of the target molecule is in a given range, and record new the coordinates of the atoms of the target molecule and the ligand molecule, forming the intermolecular complex of the target ligand, in computer memory, г) к множеству координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд добавляют параметры растворителя на основе модели явного учета растворителя и записывают координаты всех атомов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя в память компьютера в виде первого множества координат,d) the solvent parameters are added to the set of coordinates of the intermolecular target-ligand complex based on the model of explicit accounting of the solvent and the coordinates of all atoms of the target-ligand intermolecular complex and the solvent are recorded in the computer memory as the first set of coordinates, д) к множеству координат молекулы-мишени добавляют параметры растворителя на основе модели явного учета растворителя и записывают координаты всех атомов молекулы-мишени и растворителя в память компьютера в виде второго множества координат,e) the solvent parameters are added to the target coordinate set based on the explicit solvent accounting model and the coordinates of all atoms of the target molecule and the solvent are recorded in the computer memory as a second set of coordinates, е) к множеству координат молекулы-лиганда добавляют параметры растворителя на основе модели явного учета растворителя и записывают координаты всех атомов молекулы-лиганда и растворителя в память компьютера в виде третьего множества координат,f) the solvent parameters are added to the coordinate set of the ligand molecule based on the explicit solvent accounting model and the coordinates of all atoms of the ligand molecule and the solvent are recorded in the computer memory as a third coordinate set, ж) используя координаты атомов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и растворителя, полученные на этапе (г), определяют траектории движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда с учетом наличия молекул растворителя путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете их теплового движения; после достижения в рассматриваемой системе атомов теплового равновесия записывают на носитель информации заданное количество раз координаты всех атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени;g) using the coordinates of the atoms of the intermolecular target-ligand complex and the solvent obtained in step (d), determine the motion paths of all atoms of the target molecule and the ligand molecule interacting with each other, taking into account the presence of solvent molecules by solving Newton or Lagrange equations taking them into account thermal movement; after reaching the thermal equilibrium atoms in the system under consideration, the coordinates of all atoms of the target molecule, ligand molecule and solvent molecules are recorded on the information carrier a specified number of times at certain intervals; з) используя координаты атомов молекулы-мишени и растворителя, полученные на этапе (д), определяют траектории движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени с учетом наличия молекул растворителя путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете их теплового движения; после достижения в рассматриваемой системе атомов теплового равновесия записывают на носитель информации заданное количество раз координаты всех атомов молекулы-мишени и молекул растворителя через определенные промежутки времени;h) using the coordinates of the atoms of the target molecule and the solvent obtained in step (e), determine the trajectories of all interacting atoms of the target molecule, taking into account the presence of solvent molecules by solving the Newton or Lagrange equations taking into account their thermal motion; after reaching the thermal equilibrium atoms in the system under consideration, the coordinates of all atoms of the target molecule and solvent molecules are recorded on the information carrier a specified number of times at certain intervals; и) используя координаты атомов молекулы-лиганда и растворителя, полученные на этапе (е), определяют траектории движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-лиганда с учетом наличия молекул растворителя путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете их теплового движения; после достижения в рассматриваемой системе атомов теплового равновесия записывают на носитель информации заданное количество раз координаты всех атомов молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени,i) using the coordinates of the atoms of the ligand molecule and the solvent obtained in stage (e), determine the trajectories of all interacting with each other atoms of the ligand molecule, taking into account the presence of solvent molecules by solving the Newton or Lagrange equations taking into account their thermal motion; after reaching the thermal equilibrium atoms in the system under consideration, the coordinates of all atoms of the ligand molecule and solvent molecules are recorded on the information carrier a specified number of times at certain intervals, к) для каждого набора координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, записанного на этапе (ж), проводят разбиение всех атомов на группы, при этом с помощью компьютерной программы, которая считывает из памяти компьютера первое множество координат атомов межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, включающего в себя координаты атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и растворителя, вычисляют расстояния от атомов молекулы-лиганда до каждого атома молекулы-мишени и растворителя и проводят сортировку всех атомов первого множества таким образом, чтобы в первую группу вошли все атомы молекулы-лиганда, а также атомы молекулы-мишени и атомы растворителя, расстояния от которых до каждого из атомов молекулы-лиганда не превышают заданное значение, а во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и растворителя,j) for each coordinate set of the target-ligand intermolecular complex in the solvent recorded in step (g), all atoms are divided into groups, using a computer program that reads from the computer's memory the first set of atomic coordinates of the target-ligand intermolecular complex, including the coordinates of the atoms of the target molecule, ligand molecule and solvent, calculate the distance from the atoms of the ligand molecule to each atom of the target molecule and solvent and sort all the atoms of the first sets so that the first group includes all the atoms of the ligand molecule, as well as the atoms of the target molecule and solvent atoms, the distances from which to each of the atoms of the ligand molecule do not exceed a specified value, and the second group includes all other atoms of the molecule target and solvent л) для каждого набора координат молекулы-мишени в растворителе, записанного на этапе (з), проводят сортировку всех атомов второго множества таким образом, чтобы в первую группу атомов вошли те же атомы молекулы-мишени, которые входят в первую группу атомов, сформированную на этапе (к), а во вторую группу включают все остальные атомы молекулы-мишени и все атомы растворителя, причем в первую и вторую группы атомов включают те же атомы молекул растворителя, которые входят в соответствующие группы атомов, сформированные на этапе (к),k) for each set of coordinates of the target molecule in the solvent recorded in step (h), all atoms of the second set are sorted so that the same atoms of the target molecule are included in the first group of atoms, which are included in the first group of atoms formed on step (k), and the second group includes all the remaining atoms of the target molecule and all the atoms of the solvent, and the first and second groups of atoms include the same atoms of the solvent molecules that are included in the corresponding groups of atoms formed in step (k), м) для каждого набора координат молекулы-лиганда - в растворителе, записанного на этапе (и), проводят сортировку всех атомов третьего множества таким образом, чтобы в первую группу атомов вошли все атомы молекулы-лиганда и те атомы молекул растворителя, которые входят в первую группу атомов, сформированную на этапе (к), а во вторую группу включают все остальные атомы молекул растворителя,m) for each set of coordinates of the ligand molecule — in the solvent recorded in step (s), all atoms of the third set are sorted so that the first group of atoms includes all atoms of the ligand molecule and those atoms of the solvent molecules that are in the first a group of atoms formed in step (k), and the second group includes all other atoms of the solvent molecules, н) формируют с использованием наборов координат атомов первой и второй групп, сформированных на этапе (к), наборы входных файлов для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы упомянутой первой группы со своими ядрами и электронами моделируются методами квантовой механики, а атомы упомянутой второй группы моделируются методами классической механики,m) using the sets of coordinates of the atoms of the first and second groups formed in step (k), sets of input files for calculating the intermolecular target-ligand complex in the solvent are formed using the appropriate simulation program so that the atoms of the first group with their nuclei and electrons are modeled by the methods of quantum mechanics, and the atoms of the second group mentioned are modeled by the methods of classical mechanics, о) формируют с использованием наборов координат атомов первой и второй групп, сформированных на этапе (л), наборы входных файлов для расчета молекулы-мишени в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы упомянутой первой группы со своими ядрами и электронами моделируются методами квантовой механики, а атомы упомянутой второй группы моделируются методами классической механики,o) form using sets of coordinates of atoms of the first and second groups formed in step (l), sets of input files for calculating a target molecule in a solvent using an appropriate simulation program so that the atoms of the first group with their nuclei and electrons are modeled by quantum mechanics, and the atoms of the second group mentioned are modeled by classical mechanics, п) формируют с использованием наборов координат атомов первой и второй групп, сформированных на этапе (м), наборы входных файлов для расчета молекулы-лиганда в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования таким образом, что атомы упомянутой первой группы со своими ядрами и электронами моделируются методами квантовой механики, а атомы упомянутой второй группы моделируются методами классической механики,o) form using sets of coordinates of atoms of the first and second groups formed in step (m), sets of input files for calculating a ligand molecule in a solvent using an appropriate simulation program so that the atoms of the first group with their nuclei and electrons are modeled by methods quantum mechanics, and the atoms of the second group mentioned are modeled by classical mechanics, р) на основе физико-химических свойств соответствующих молекул определяют зарядовые состояния различных групп атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе и в соответствии с этим добавляют или убирают дополнительные атомы в соответствующих местах молекулы-мишени и молекулы-лиганда,p) on the basis of the physicochemical properties of the corresponding molecules, the charge states of various groups of atoms of the target molecule and the ligand molecule in the solvent are determined and, in accordance with this, additional atoms are added or removed in the corresponding places of the target molecule and the ligand molecule, с) определяют полный заряд молекулы-мишени, полный заряд молекулы-лиганда и полный заряд межмолекулярного комплекса мишень-лиганд,C) determine the total charge of the target molecule, the total charge of the ligand molecule and the total charge of the intermolecular complex of the target ligand, т) модифицируют наборы входных файлов для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, расчета молекулы-мишени и расчета молекулы-лиганда с учетом координат соответствующих атомов, их типа, а также полных зарядов и мультиплетности этих молекул,r) modify the sets of input files for calculating the intermolecular target-ligand complex, calculating the target molecule and calculating the ligand molecule, taking into account the coordinates of the corresponding atoms, their type, as well as the full charges and multiplicity of these molecules, у) в каждый файл из соответствующего набора входных файлов мишени и молекулы-лиганда включают параметры растворителя в неявной модели, в которой с использованием координат атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя, координаты которых включены в соответствующие входные файлы, модифицированные на этапе (т), формируют координаты точек, находящихся на поверхности, доступной растворителю, которая охватывает молекулу-мишень, молекулу-лиганд и молекулы растворителя, или охватывает только молекулу-мишень и молекулы растворителя в случае расчета молекулы-мишени в растворителе, или охватывает только молекулу-лиганд и молекулы растворителя в случае расчета молекулы-лиганда в растворителе, и с помощью этих точек формируют математическую модель неявного учета растворителя, и записывают на носитель информации эти наборы входных файлов для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда с помощью соответствующей программы моделирования,s) the solvent parameters in an implicit model, in which using the coordinates of the atoms of the target molecule, the ligand molecule and the solvent molecules, the coordinates of which are included in the corresponding input files modified in step (t) form the coordinates of points located on the surface accessible to the solvent, which covers the target molecule, the ligand molecule and solvent molecules, or covers only the target molecule and the sol in the case of calculating the target molecule in the solvent, or encompasses only the ligand molecule and solvent molecules in the case of calculating the ligand molecule in the solvent, and using these points, a mathematical model of the implicit accounting of the solvent is formed, and these sets of input files are written to the storage medium calculation of the intermolecular complex of the target ligand, the target molecule and the ligand molecule using the appropriate simulation program, ф) для каждого файла из набора входных файлов для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, сформированного на этапе (у), вычисляют полную энергию межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования; вычисляют среднее значение полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе по результатам расчетов с помощью всех входных файлов из набора входных файлов для расчета межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, сформированного на этапе (у),f) for each file from the set of input files for calculating the intermolecular target-ligand complex formed in step (y), calculate the total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent using the appropriate simulation program; calculate the average value of the total energy of the intermolecular target-ligand complex in the solvent according to the results of calculations using all input files from the set of input files for calculating the intermolecular target-ligand complex formed in step (y), х) для каждого файла из набора входных файлов для расчета молекулы-мишени, сформированного на этапе (у), вычисляют полную энергию молекулы-мишени в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования; вычисляют среднее значение полной энергии молекулы-мишени в растворителе по результатам расчетов с помощью всех входных файлов из набора входных файлов для расчета молекулы-мишени, сформированного на этапе (у),x) for each file from the set of input files for calculating the target molecule formed in step (y), calculate the total energy of the target molecule in the solvent using the appropriate simulation program; calculate the average value of the total energy of the target molecule in the solvent according to the results of calculations using all the input files from the set of input files for calculating the target molecule formed in step (y), ц) для каждого файла из набора входных файлов для расчета молекулы-лиганда, сформированного на этапе (у), вычисляют полную энергию молекулы-лиганда в растворителе с помощью соответствующей программы моделирования; вычисляют среднее значение полной энергии молекулы-лиганда в растворителе по результатам расчетов с помощью всех входных файлов из набора входных файлов для расчета молекулы-лиганда, сформированного на этапе (у),c) for each file from the set of input files for calculating the ligand molecule formed in step (y), calculate the total energy of the ligand molecule in the solvent using the appropriate simulation program; calculate the average value of the total energy of the ligand molecule in the solvent according to the results of calculations using all the input files from the set of input files for calculating the ligand molecule formed in step (y), ч) используя средние значения полных энергий межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, полученные на этапах (ф), (х) и (ц), соответственно, вычисляют энтальпию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе, как разность между средним значением полной энергией межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой средних значений полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны.h) using the average total energies of the target-ligand intermolecular complex in the solvent, the target molecules in the solvent and the ligand molecules in the solvent obtained in steps (f), (x) and (c), respectively, the enthalpy of binding of the ligand molecule is calculated with a target molecule in a solvent, as the difference between the average value of the total energy of the target-ligand intermolecular complex in the solvent, on the one hand, and the sum of the average values of the total energies of the target molecule in the solvent and the ligand molecule in the solvent, etc. goy side. 26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что вычисляют колебательные частоты молекулы-лиганда, молекулы-мишени и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и с помощью этих частот рассчитывают энтропию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе.26. The method according to p. 25, characterized in that the vibrational frequencies of the ligand molecule, the target molecule and the intermolecular complex of the target ligand are calculated, and the entropy of binding of the ligand molecule to the target molecule in the solvent is calculated using these frequencies. 27. Способ по п. 25 или 26, отличающийся тем, что, используя атомные веса и координаты атомов молекулы-лиганда, молекулы-мишени и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, вычисляют энтропию связывания, обусловленную потерей каждой из этих молекул трех вращательных и трех поступательных степеней свободы при связывании их в комплекс.27. The method according to p. 25 or 26, characterized in that, using the atomic weights and atomic coordinates of the ligand molecule, the target molecule and the intermolecular target-ligand complex, the entropy of binding due to the loss of each of these three rotational and three translational molecules is calculated degrees of freedom when bundling them into a complex. 28. Способ по п. 25 или 27, отличающийся тем, что, используя свойства молекул растворителя и координаты атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, вычисляют кавитационную энергию связывания, как разность кавитационной энергии сольватации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, с одной стороны, и суммы кавитационных энергий сольватации молекулы-мишени и молекулы-лиганда по отдельности, с другой стороны, причем кавитационная энергия сольватации вычисляется, как свободная энергия, которая необходима для создания в растворителе пустой полости, форма которой совпадает с формой растворяемой молекулы.28. The method according to p. 25 or 27, characterized in that, using the properties of the solvent molecules and the coordinates of the atoms of the target molecule, the ligand molecule and the intermolecular target-ligand complex, the cavitation binding energy is calculated as the difference in the cavitation energy of solvation of the intermolecular target-complex ligand, on the one hand, and the sum of the cavitation energy of solvation of the target molecule and the ligand molecule separately, on the other hand, and the cavitation energy of solvation is calculated as free energy, which is necessary to create an empty cavity in the solvent, the shape of which coincides with the shape of the soluble molecule. 29. Способ по п. 28, отличающийся тем, что, используя величины энтальпии и энтропии связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе и величину кавитационной энергии связывания, вычисляют свободную энергию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе.29. The method according to p. 28, characterized in that, using the enthalpy and entropy of binding of the ligand molecule to the target molecule in the solvent and the value of the cavitational binding energy, calculate the free binding energy of the ligand molecule with the target molecule in the solvent. 30. Способ прогнозирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, включающий этапы, на которых30. A method for predicting the binding of a ligand molecule to a target molecule, comprising the steps of: а) получают структуру и состав молекулы-мишени;a) receive the structure and composition of the target molecule; б) получают структуру и состав молекулы-лиганда;b) receive the structure and composition of the ligand molecule; в) записывают данные о структуре и составе молекулы-мишени и лиганда на носитель информации в соответствующем формате;c) record data on the structure and composition of the target molecule and the ligand on the storage medium in the appropriate format; г) выбирают параметры моделирования для использования в программе моделирования взаимодействия между молекулой-мишенью и лигандом, причем упомянутая программа моделирования осуществляет способ квантово-механического моделирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями в растворителе по п.1 или молекулярно-динамический способ квантово-механического моделирования по п.21;d) select simulation parameters for use in a program for simulating the interaction between a target molecule and a ligand, wherein said simulation program implements a method for quantum-mechanical modeling of binding of ligand molecules to target molecules in a solvent according to claim 1 or a molecular-dynamic method of quantum-mechanical modeling according to item 21; д) считывают упомянутые записанные данные и осуществляют их обработку по меньшей мере одним процессором с помощью упомянутой программы моделирования взаимодействия между молекулой-мишенью и моделирования,e) read said recorded data and process them with at least one processor using said program for modeling interaction between a target molecule and modeling, е) путем упомянутого квантово-механического моделирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями в растворителе получают результаты моделирования в виде числовых данных, характеризующих интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой мишенью и записывают полученные числовые данные на носитель информации;f) by means of the aforementioned quantum-mechanical simulation of the binding of ligand molecules to target molecules in a solvent, simulation results are obtained in the form of numerical data characterizing the intensity of binding of the ligand molecule to the target molecule and the obtained numerical data are recorded on the information carrier; ж) осуществляют реальные химические измерения величин, характеризующих интенсивность связывания упомянутых молекул между собой;g) carry out real chemical measurements of quantities characterizing the intensity of the binding of the said molecules to each other; з) сравнивают данные, полученные в измерениях на этапе (ж), с результатами моделирования, полученными на этапе (е);h) compare the data obtained in the measurements in step (g) with the simulation results obtained in step (e); и) в случае расхождения между рассчитанными и измеренными мишенью и лигандом, превышающего заданную величину, корректируют параметры моделирования, используемые программой, моделирующей взаимодействие между молекулой-мишенью и лигандом;i) in the event of a discrepancy between the calculated and measured target and ligand exceeding the specified value, the modeling parameters used by the program simulating the interaction between the target molecule and the ligand are corrected; к) повторяют этапы (г)-(и) до тех пор, пока расхождение между рассчитанными на этапе (е) и измеренными на этапе (ж) величинами, характеризующими связывание молекул между собой, не станет меньше заданной величины;j) repeat steps (d) - (i) until the discrepancy between the values calculated in step (e) and measured in step (g), characterizing the binding of molecules to each other, becomes less than a predetermined value; л) повторяют этапы (а)-(к) для другой пары молекулы-мишени и лиганда;k) repeat steps (a) - (k) for another pair of target molecules and a ligand; м) повторяют этапы (а)-(л) до тех пор, пока для каждой новой пары молекул расхождение между измеренными и рассчитанными величинами, характеризующими связывание молекул между собой, не будет меньше заданной заранее величины при параметрах моделирования, полученных на этапах (а)-(л) для других пар молекул, и записывают окончательные значения параметров моделирования на носитель информации;m) repeat steps (a) - (l) until, for each new pair of molecules, the difference between the measured and calculated values characterizing the binding of the molecules to each other is less than a predetermined value with the modeling parameters obtained in steps (a) - (l) for other pairs of molecules, and write the final values of the simulation parameters on the information carrier; н) используют созданные на этапах (а)-(м) параметры моделирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью для прогнозирования с помощью компьютерного моделирования моллекул-лигандов, которые связываются наилучшим образом с молекулой-мишенью.m) use the modeling parameters of the binding of the ligand molecule to the target molecule created in steps (a) - (m) to predict, by computer simulation, the ligand molecules that bind in the best way to the target molecule.
RU2003128413/09A 2003-09-22 2003-09-22 Method for modeling and predicting linking of ligand molecules with target molecules by quantum mechanics methods with consideration of solvent effect RU2265244C2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128413/09A RU2265244C2 (en) 2003-09-22 2003-09-22 Method for modeling and predicting linking of ligand molecules with target molecules by quantum mechanics methods with consideration of solvent effect
AU2003302159A AU2003302159A1 (en) 2003-09-22 2003-12-24 Method of modeling and predicting binding of ligand molecules to target molecules by methods of quantum mechanics taking effect of solvent into account
PCT/RU2003/000578 WO2005029351A1 (en) 2003-09-22 2003-12-24 Method of modeling and predicting binding of ligand molecules to target molecules by methods of quantum mechanics taking effect of solvent into account

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128413/09A RU2265244C2 (en) 2003-09-22 2003-09-22 Method for modeling and predicting linking of ligand molecules with target molecules by quantum mechanics methods with consideration of solvent effect

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003128413A RU2003128413A (en) 2005-07-10
RU2265244C2 true RU2265244C2 (en) 2005-11-27

Family

ID=34374506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003128413/09A RU2265244C2 (en) 2003-09-22 2003-09-22 Method for modeling and predicting linking of ligand molecules with target molecules by quantum mechanics methods with consideration of solvent effect

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2003302159A1 (en)
RU (1) RU2265244C2 (en)
WO (1) WO2005029351A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2457536C2 (en) * 2007-11-26 2012-07-27 ТУЗОВА Алла Павловна Method of selecting model of system under investigation based on calculated entropy potentials of events thereof and apparatus for realising said method

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016103336A1 (en) 2014-12-24 2016-06-30 富士通株式会社 Interaction energy calculation method, calculation device, and program
CN109859806B (en) * 2019-01-17 2023-09-22 中山大学 Absolute free energy perturbation method for predicting drug-target binding strength
CN115116553B (en) * 2021-03-19 2024-12-13 本源量子计算科技(合肥)股份有限公司 Molecular parameter configuration method, device, medium and electronic device
CN114487625B (en) * 2021-12-17 2025-06-06 深圳晶泰科技有限公司 Method for obtaining charge parameters, method and device for molecular mechanics simulation results
WO2023108622A1 (en) * 2021-12-17 2023-06-22 深圳晶泰科技有限公司 Method for obtaining charge parameter, method for obtaining molecular dynamics simulation result, and device
CN117976036B (en) * 2024-03-29 2024-05-31 苏州元脑智能科技有限公司 Composite structure prediction method, device, electronic device and storage medium

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5495423A (en) * 1993-10-25 1996-02-27 Trustees Of Boston University General strategy for vaccine and drug design
RU2132853C1 (en) * 1994-09-20 1999-07-10 Нексстар Фармасьютикалс, Инк. Method of identification of components from mixture, component obtained in identification, method of preparing mixture and method of combined preparing catalyzing nucleic acid and component
WO2001018627A2 (en) * 1999-09-06 2001-03-15 National University Of Singapore Method and apparatus for computer automated detection of protein and nucleic acid targets of a chemical compound
US6230102B1 (en) * 1997-04-04 2001-05-08 Massachusetts Institute Of Technology Computer system and process for identifying a charge distribution which minimizes electrostatic contribution to binding at binding between a ligand and a molecule in a solvent and uses thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5495423A (en) * 1993-10-25 1996-02-27 Trustees Of Boston University General strategy for vaccine and drug design
RU2132853C1 (en) * 1994-09-20 1999-07-10 Нексстар Фармасьютикалс, Инк. Method of identification of components from mixture, component obtained in identification, method of preparing mixture and method of combined preparing catalyzing nucleic acid and component
US6230102B1 (en) * 1997-04-04 2001-05-08 Massachusetts Institute Of Technology Computer system and process for identifying a charge distribution which minimizes electrostatic contribution to binding at binding between a ligand and a molecule in a solvent and uses thereof
WO2001018627A2 (en) * 1999-09-06 2001-03-15 National University Of Singapore Method and apparatus for computer automated detection of protein and nucleic acid targets of a chemical compound

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2457536C2 (en) * 2007-11-26 2012-07-27 ТУЗОВА Алла Павловна Method of selecting model of system under investigation based on calculated entropy potentials of events thereof and apparatus for realising said method

Also Published As

Publication number Publication date
AU2003302159A1 (en) 2005-04-11
WO2005029351A1 (en) 2005-03-31
RU2003128413A (en) 2005-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Santos et al. Integrating molecular docking and molecular dynamics simulations
Siebenmorgen et al. Computational prediction of protein–protein binding affinities
Reif et al. New interaction parameters for charged amino acid side chains in the GROMOS force field
Surana et al. Molecular modeling: Novel techniques in food and nutrition development
Samways et al. Water molecules at protein–drug interfaces: computational prediction and analysis methods
Onufriev et al. Exploring protein native states and large‐scale conformational changes with a modified generalized born model
US8036867B2 (en) Method and apparatus for analysis of molecular configurations and combinations
Nikitina et al. Semiempirical calculations of binding enthalpy for protein–ligand complexes
Mura et al. An introduction to biomolecular simulations and docking
Li et al. Progress in developing Poisson-Boltzmann equation solvers
Schmitt-Monreal et al. Density-based many-body expansion as an efficient and accurate quantum-chemical fragmentation method: application to water clusters
Allen et al. Development and validation of the quantum mechanical bespoke protein force field
Lagorce et al. Dg-ammos: A new tool to generate 3d conformation of small molecules using d istance g eometry and a utomated m olecular m echanics o ptimization for in silico s creening
Mondal et al. Exploring the effectiveness of binding free energy calculations
Nikitina et al. Mixed implicit/explicit solvation models in quantum mechanical calculations of binding enthalpy for protein–ligand complexes
RU2265244C2 (en) Method for modeling and predicting linking of ligand molecules with target molecules by quantum mechanics methods with consideration of solvent effect
Barros et al. Recent developments in multiscale free energy simulations
JP2001515249A (en) Modeling interactions using atomic parameters including anisotropic dipole polarizability
Procacci Relative binding free energy between chemically distant compounds using a bidirectional nonequilibrium approach
Habgood Bioactive focus in conformational ensembles: a pluralistic approach
ES2710209T3 (en) Method for determining a binding site and a binding energy by simulations of mixed explicit solvents
Zheng et al. Fragmentation method for computing quantum mechanics and molecular mechanics gradients for force matching: validation with hydration free energy predictions using adaptive force matching
Rao et al. Quantum‐Enabled Drug Discovery Process
Zhu et al. Effective Volume Correction for Lennard-Jones Static Potential Matching on Coarse-Graining Small Molecules
RU2265243C2 (en) Methods for modeling inter-molecular interaction and method for predicting connection of ligand molecule with target molecule based on said methods

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080923