Исследование конформационного состояния молекул фосфатидилхолина и рутина при комплексообразовании Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК: 539.1.07:547.814.5:577.15

М. С. Сетченков (к. физ.-мат. н., доц.), С. И. Усманова (инж.), А. Р. Тимербулатова (к. пед. н., доц.), Р. С. Насибуллин (д. физ.-мат. н., проф.)

Исследование конформационного состояния молекул фосфатидилхолина и рутина при комплексообразовании

Башкирский государственный медицинский университет 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3; тел. (347) 273-61-83, е-mail: [email protected]

M. S. Setchenkov, S. I. Usmanova, A. R. Timerbulatova, R. S. Nasibullin

Research of conformation state of phosphatidilcholine and rutin

molecules at complex formation

Bashkir State Medical University 3, Lenina Str, Ufa, 450000, Russia; ph. (347) 273-61-83; е-mail: [email protected]

Представлены результаты исследований взаимодействия молекул группы флавоноидов и клеточного фосфатидилхолина. Методами квантовой химии и 31Р ЯМР спектроскопии показано образование комплекса рутин-фосфатидилхолин. Определены структурные параметры комплекса, исследованы электронное строение и конформа-ционное состояние взаимодействующих молекул.

Ключевые слова: квантово-химические расчеты; клеточный фосфатидилхолин; рутин; п-сис-тема электронов; 31Р ЯМР спектроскопия; химический сдвиг.

The results of the interaction of flavonoid group molecules and cellular phosphatidilcholine are presented. Formation of a rutin—phosphatidil-choline complex is shown using the methods of quantum chemistry and 31P NMR spectroscopy. Structural parameters of a complex have been determined. The electronic structure and confor-mational condition of interacting molecules have been investigated.

Key words: cellular phosphatidilcholine; chemical shift; ^-electronic system; 31P NMR spectroscopy; quantum chemical calculations; rutin.

Флавоноиды представляют большой класс фенольных соединений растительного происхождения и обладают противовоспалительными, гепатопротекторными, антиокси-дантными, антиаллергическими, противовирусными и многими другими биоактивными свойствами 1-4, молекулярный механизм действия которых, проявляющийся влиянием на процессы, происходящие в клеточных мембранах, пока мало изучен. Ранее в работах 5 6 было показано, что при взаимодействии сопряженных молекул с молекулами фосфатидилхо-лина (лецитина) возникают комплексы, образующиеся за счет взаимодействия п-системы электронов рутина и холиновой группы фосфатидилхолина. В настоящей работе методами квантовой химии и 31Р ЯМР спектроскопии проведено исследование комплексообразова-ния рутина и фосфатидилхолина (рис.).

Для определения структуры образующихся комплексов были проведены многочисленные расчеты с начальными конфигурациями

H-O H I I

H £-ev ,

<H H-O4

4—H/H

O

\

O

H

-C-

^C

H

0

1

H C-sC H

C/H HH ^C

-O\^C/O -H H "h

C

A I

C

N(CH3)3—(CH2)2-O

C

CH

I

O

CO

(CH2)16 (CH2)7 CH3 CH

3 II

CH

I

(CH2)7

CH3

Дата поступления 02.02.09

Рис. Комплекс рутина с фосфатидилхолином

H

O

H

C

C

C

C

C

C

O

B

C

H

CH

2

H2C

O

O

расположения определенных центров молекул, составляющих комплексов по сетке с последующей оптимизацией геометрии. Проведенные расчеты из различных исходных точек локализации показали, что указанные молекулы образуют с фосфатидилхолином комплексы. В работе рассмотрены модели комплексов, образующихся за счет водородных связей и взаимодействия ^-системы электронов ароматических циклов флавоноидов с холиновой и фосфатной группами фосфатидилхолина. Предварительные расчеты проводились методом молекулярной механики , структуры уточнялись методами АМ1 и ОБТ, результаты которых практически совпадают.

Расчеты показывают, что молекула рутина образует стабильные комплексы, как через водородную связь с гликозидной группой рутина и кислородом фосфатной группы фосфа-тидилхолина, так и при взаимодействии я:-системы А и В колец рутина с фосфатной и холиновой группами фосфатидилхолина.

Анализ структурных данных расчета методом ОБТ показал, что при образовании комплекса происходит значительное изменение конформации в кольцах А и В рутина, в холи-новой, фосфатной и карбонильной группах лецитина — двойные связи растягиваются, а одинарные сжимаются. Кольцо С теряет свою первоначальную плоскую структуру, кольцо В поворачивается на угол 30°. Расстояние от центра кольца В до атома азота лецити-

о

на составляет 5.38 А, от центра кольца А до

о

атома фосфора — 5.27 А. Энергия комплексо-образования составляет 4.1 ккал/моль. Необходимо заметить, что энергия комплексообра-зования в данном случае вычисляется как малая разность больших величин и определяется со значительной погрешностью.

При образовании комплекса происходит перераспределение заряда во взаимодействующих молекулах. Уменьшение суммарного положительного заряда рутина на 0.237 а.е. при взаимодействии соответствует увеличению

суммарного заряда фосфатидилхолина на ту же 8

величину .

Спектры 31Р ЯМР были зарегистрированы на модернизированном спектрометре ББ 567 А фирмы «ТЕБЬЛ» с частотой на ядрах 31Р 40.4 МГц 9, без подавления диполь-дипольных взаимодействий фосфора с соседними протонами с числом накоплений равным 400, при таком усреднении, отношение сигнала к шуму составляло около 15. Дальнейшая

обработка спектра программой «Power Graph», оптимизирующей центр резонансной линии приводит к стабильным результатам для определения химических сдвигов (ХС) с точностью не хуже 0.003 м.д. Стабилизация магнитного поля осуществлялась с помощью внешнего стандарта на ядрах ХС на объемную восприимчивость стандарта не учитывался, все спектры были зарегистрированы с одним капилляром, заполненным ГМДС. Спектры регистрировались при температуре 25оС, химические сдвиги измерялись относительно 85% ортофосфорной кислоты, ХС которой был принят за ноль.

В экспериментах использовался фосфа-тидилхолин, выделенный из куриных яиц, очищенный методом колоночной хроматографии 10. Чистота его контролировалась по ЯМР спектрам и методами тонкослойной хроматографии. Образец 5,7,3',4'-тетраоксифлавон-3-рутино-зида (рутина) фирмы «Сигма-Алдрич» дополнительной очистке не подвергался. В качестве растворителя использовался четыреххлорис-тый углерод с индексом х.ч. без дополнительной очистки. Были приготовлены растворы с концентрацией фосфатидилхолина в четырех-хлористом углероде 0.1, 0.0125, 0.00625 М/л, полученные последовательным разбавлением в кратное число раз. Рутин плохо растворим в четыреххлористом углероде, его концентрация во всех растворах была насыщенной при исследуемой температуре.

При разбавлении фосфатидилхолина в че-тыреххлористом углероде с 0.1 до 0.00625 М/л происходит изменение ХС на =0.15 м.д. в сторону сильного поля. Воздействие рутина на образец фосфатидилхолина в четыреххло-ристом углероде концентрацией 0.0125 М/л, изменяет ХС от ядер 31Р на 0.11 м.д. в сторону слабого поля.

Формирование комплексов лецитина с кольцами А и В флавоноида приводит к изменению ХС 13С ароматических колец, входящих в их структуру. С другой стороны эти ароматические структуры при взаимодействии изменяют ХС 31Р фосфатной группы лецитина.

Известно, что молекулы фосфатидилхо-лина за счет водородных и электростатических диполь-дипольных взаимодействий образуют как линейные цепи, так и более сложные пространственные системы. При разбавлении фос-фатидилхолина в четыреххлористом углероде, число водородных связей между кислородами фосфатной группы и какими-либо водородами другой молекулы фосфатидилхолина, уменьшается. Поэтому среднее значение константы

экранирования ядра 31Р также будет изменяться. При образовании водородной связи протон, притягиваясь к электроотрицательному атому кислорода, будет уменьшать электронную плотность на нем, уменьшая тем самым электронную плотность на ядре фосфора. Сигнал от ядер 31Р лецитина наблюдается в более слабом поле. При разбавлении происходит уменьшение числа водородных связей, поэтому сигнал от фосфора смещается в более сильное поле.

Взаимодействие фосфатидилхолина с гли-козидом рутина приводит к образованию комплексов, за счет взаимодействия ^-системы электронов рутина с холиновой и фосфатной группами лецитина. Такие комплексы являются достаточно прочными, могут блокировать активные центры мембранных молекул фосфа-тидилхолина, не позволяя радикалам воздействовать на них, что является одной из составляющих биологической активности флавоноидов.

Литература

1. Armentano L., ВешаШ A., Bcres Т., Иш7пуак

S., Szent-Gyn;rgi A.// Deut. Med Wochenschr.—

1936.- Vol. 62.- Р.1325.

2. Bartlett G. R. // J. Pharmacol. Exp. Therap.-1948.- Vol. 93.- Р. 329.

3. Imperato F. Two new flavonol glycosides from the fern Pteridium aquilinum. // 2 nd International Electronic Conference on Synthetic Organic Chemistry, September 1-30.- 1998.-dp074.

4. Rict-Evans C. A., Miller N. J., Paganga G. // Biol. Med.- 1996.- V. 20.- Р. 933.

5. Насибуллин Р. С., Спирихин Л. В., Пономарева В. А. // Биофизика.- 1991. -T. 36, №4.-С. 594.

6. Насибуллин Р. С., Косарева Д. И., Спирихин Л. В. // Биополимеры и клетка.- 2001.- Т. 14, №5.- С. 15.

7. M. P. Allen, D. J. Tidesley. Computer simulation of liquids, Clarendon Press.- Oxford: 1987.- Р. 94.

8. Насибуллин Р. С., Усманова С. И., Сетченков М. С., Афанасьева Ю. Г., Фахретдинова Е. Р. // Химическая физика и мезоскопия.- 2008.-Том 10, №2.- С. 228.

9. Сетченков М. С., Шарафутдинова Р. Р., Насибуллин Р. С. // Датчики и системы.- 2006.-№2.- С. 38.

10. Dawson R.M.C. // Biochim.- 1993.- V. 88, №3.- P. 414.