Explaining Ab Initio the Intensity of Agonism and Antagonism of Glutamatergic Receptor GluR2

A transmissÃo de impulsos nervosos à feita por meio das sinapses, envolvendo neurotransmissores e receptores. Os receptores ionotrÃpicos glutamatÃrgicos (GluRs) sÃo importantes canais iÃnicos do sistema nervoso central, encontrados em sinapses de excitaÃÃo rÃpida, e estÃo relacionados a funÃÃes cerebrais importantes como aprendizado e memÃria. AlÃm disso, os GluRs tambÃm estÃo associados com certas doenÃas neurolÃgicas e psiquiÃtricas, como por exemplo: a doenÃa de Alzheimer, o mal de Parkinson, a epilepsia, o acidente vascular cerebral, a esclerose lateral amiotrÃfica e a esquizofrenia. Neste trabalho, tiramos vantagem dos dados disponÃveis na literatura da co-cristalizaÃÃo dos seguintes agonistas glutamato (C5H9NO4) e AMPA (C7H10N2O4), do agonista parcial cainato (C10H15NO4) e do antagonista DNQX (C8H2N4O6) com o receptor GluR2 com resoluÃÃo de 1,9 Ã, 1,7 Ã, 1,9 à e 1,8 Ã, respectivamente, para estudar a interaÃÃo destes quatro ligantes com a GluR2 por meio de mÃtodos computacionais ab initio. Os hidrogÃnios ausentes dos dados de difraÃÃo de raios-X foram colocados atravÃs de um processo semi-clÃssico de minimizaÃÃo da energia total GluR2-ligante. A seguir, as simulaÃÃes foram feitas usando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT), tanto ao nÃvel da aproximaÃÃo da densidade local (LDA), como da aproximaÃÃo do gradiente generalizado (GGA), para descriÃÃo dos efeitos de troca e correlaÃÃo. A utilizaÃÃo do mÃtodo de fragmentaÃÃo molecular com capas conjugadas (MFCC) tornou possÃvel analisar a interaÃÃo dos ligantes com cada um dos resÃduos prÃximos e pÃs-prÃximos do GluR2. Considerou-se tambÃm a relevÃncia da blindagem dos resÃduos pÃs-prÃximos que interagem com os ligantes, bem como se fez uma anÃlise da energia de interaÃÃo dos resÃduos (prÃximos e pÃs-prÃximos) considerados com os Ãtomos dos ligantes (resultados apresentados nos grÃficos BIRD), sem e com mediaÃÃo das molÃculas de Ãgua existentes no sÃtio de ligaÃÃo (o que permite se determinar ab initio a relevÃncia da Ãgua na energÃtica da interaÃÃo ligante-GluR2). Obteve-se a energia total de interaÃÃo GluR2-ligante em funÃÃo da distÃncia dos centroides dos ligantes aos resÃduos, o que permitiu correlacionÃ-la à intensidade de ativaÃÃo e antagonismo dos neurotransmissores em questÃo. Demonstrou-se que ela segue a ordem AMPA > glutamato > cainato > DNQX somente quando um raio do sÃtio de ligaÃÃo suficientemente grande à considerado, o que explica dados experimentais publicados sobre a ativaÃÃo e antagonismo do receptor glutamatÃrgico GluR2, sugerindo que os resÃduos pÃs-prÃximos podem ser importantes para determinar o funcionamento do receptor. Para o glutamato, os resultados obtidos indicam que os resÃduos atrativos mais relevantes sÃo: Arg485, Lys730 (mediado pela Ãgua W39), Ser654, Leu650 mediado por W69, e Lys656 mediado por W22; os resÃduos repulsivos mais relevantes para o glutamato sÃo Glu402 (pÃs-prÃximo) mediado por W36, Glu657 e Asp651 (pÃs-prÃximos). Para o AMPA os resÃduos atrativos mais relevantes sÃo: Arg485, Thr655 mediado por W134, Lys730 mediado por W137, Lys656 mediado por W138, Lys449 e Arg684 (pÃs-prÃximos); os resÃduos repulsivos mais relevantes para o AMPA sÃo Glu402 mediado por W3, Asp651 mediado por W96 e W139 (pÃs-prÃximo), e Glu657 (pÃs-prÃximo) mediado por W140. Para o cainato os resÃduos atrativos mais relevantes sÃo Arg485, Ser654, Thr655 e Arg684 (pÃs-prÃximo); os resÃduos repulsivos mais relevantes para o Cainato sÃo Glu402, Glu657 mediado por W78 (pÃs-prÃximo) e Asp651. Para o DNQX os resÃduos atrativos mais relevantes sÃo Arg485, Glu705 e Tyr450 mediado por W26 e W137; o resÃduo repulsivo mais relevante para o DNQX à Leu498. Uma plÃiade de perspectivas relacionadas aos resultados obtidos reluz e dentre elas podemos destacar a possibilidade do desenvolvimento de agonistas e antagonistas glutamatÃrgicos com especificidades voltadas à diminuiÃÃo de efeitos colaterais quando utilizados no tratamento de doenÃas relacionadas à neurotransmissÃo glutamatÃrgica.The transmission of nerve impulses occurs through the synapses, involving neurotransmitters and receptors. The ionotropic glutamate receptors GluRs are important ionic channels of the central nervous system, founded in rapid excitation synapses, and related to important cerebral functions like learning and memory. Besides this, GluRs are also associated with important neurological and psychiatric diseases like Alzheimer, Parkinson, epilepsy, cerebral ischemia, amyotrophic lateral sclerosis, and schizophrenia. In this work, we take advantage of the available data in the literature of co-crystallization of the following full agonists glutamate (C5H9NO4) and AMPA (C7H10N2O4), the partial agonist kainate (C10H15NO4) and the antagonist DNQX (C8H2N4O6) with the GluR2 receptor with resolution of 1.9 Ã, 1.7 Ã, 1.9 à and 1.8 Ã, respectively to study the interaction of these four ligands with GluR2 by means of ab initio computational methods. The absent hydrogens in the GluR2-ligand X-ray diffraction data were inserted through a semi-classical total energy minimization process. Next, the simulations were performed within the scope of the Density Functional Theory (DFT), both in the local density approximation (LDA) as generalized gradient approximation (GGA) for the description of exchange-correlation effects. The use of the molecular fragmentation method with conjugated caps (MFCC) allowed to analyze the interaction between the ligands with each one close and next-closed GluR2 residues. It was also considered the relevance of the screening of the next-closed residues with interact with the ligands, and it was performed an analysis of the interaction energy between the focused residues (close and next-closed) with the atoms of the ligands (results depicted in the BIRD panels), without and with the mediation of water molecules existing in the binding pocket (which allows to determine ab initio the relevance of water in the GluR2-ligands energetic). It was obtained the GluR2-ligand total energy interaction as a function of the distance between the ligand centroid and the residues, which allowed to correlate it to the activation strength and antagonism of the ligands focused. It was demonstrated that it follows the order AMPA > glutamate > kainite > DNQX only when a large enough binding pocket radius is taken into account, explaining the experimental data published on the activation and antagonism of the glutamatergic receptor GluR2 and suggesting the next-closed residues can be important to determine the receptor functioning. For the glutamate, the obtained results point that the most important attractive residues are Arg485, Lys730 (water W39 mediated), Ser654, Leu650 (water W69 mediated), and Lys656 (water W22 mediated); the most important repulsive residues for the glutamate are Glu402 (next-closed water W36 mediated), Glu657 and Asp651 (nex-closed). For AMPA, the most important attractive residues are Arg485, Thr655 (water W134 mediated), Lys730 (water W137 mediated), Lys656 (water W138 mediated), Lys449 and Arg684 (next-closed); the most important repulsive residues for AMPA are Glu402 (water W3 mediated), Asp651 (next-closed, water W96 and W139 mediated), and Glu657 (next-closed, water W140 mediated). For kainate the most important attractive residues are Arg485, Ser654, Thr655 and Arg684 (next-closed); the most important repulsive residues for kainite are Glu402, Glu657 (next-closed, water W78 mediated) and Asp651. For DNQX, the most important attractive residues are Arg485, Glu705 and Tyr450 (water W26 and W137 mediated); the most important repulsive residue for DNQX is Leu498. A pleiade of perspectives related with the obtained results shines, among which one can highlight the possibility to develop glutamatergic agonists and antagonists with specificities related to decrease side effects when used in the treatment of maladies related with the glutamatergic neurotransmission