CC BY
48
УДК 544.18/577.29:577.17
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ С ЯДЕРНЫМИ РЕЦЕПТОРАМИ
© 2019 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2
1канд. хим. наук, доцент кафедры химии e-mail: [email protected] 2докт. хим. наук, профессор кафедры химии e-mail: [email protected]
Курский государственный университет
На основе рентгеноструктурных данных из Protein Data Bank и квантово-химических расчетов взаимодействия 3,3',5'-трийодтиронина (Т3) с активным центром тиреоидного рецептора предложен механизм действия гормонов щитовидной железы как акцепторов электронов. Он заключается в том, что при взаимодействии Т3 с ядерными рецепторами происходит перенос электрона с нуклеотидов ДНК на Т3. Являясь переносчиками электронов, Т3 могут образовывать комплекс с ядерными рецепторами и нуклеотидами ДНК, основное состояние которого является триплетным. В результате становится возможным перенос электрона с ДНК на гормон Т3.
Ключевые слова: трийодтиронин, тиреоидный рецептор, нуклеотиды ДНК, триплетное состояние, механизм действия, перенос электрона, квантово-химическая модель.
Известно, что влияние тиреоидных гормонов на различные системы организмов разнообразно [5; 1; 2]. Ранее в исследовании реакции взаимодействия гормонов с молекулярным кислородом в процессе окислительного фосфорилирования [3] нами было показано, что тиреоидные гормоны являются донорами электронов. При взаимодействии с ядерными рецепторами гормоны щитовидной железы могут быть акцепторами (переносчиками) электронов, как будет показано в настоящей статье.
Рецепторы Т3, Т4 (тироксина) выделены и относятся к ядерным рецепторам. Взаимодействуя с лигандами, они регулируют экспрессию генов, управляя синтезом белков и ферментов [5]. Эффект Т3 Т4 зависит от продолжительности их связывания с рецептором и числа связанных рецепторов [6].
Электронный портрет молекулы Т3 показывает, что трийодтиронин может быть акцептором электронов. Об акцепторных свойствах молекулы свидетельствует сближение НСМО (нижней свободной молекулярной орбитали) и еще нескольких ближайщих к НСМО орбиталей на расстояние 0,2; 0,23, 0,04 и 0,16 эВ. Это понижает активационный барьер на пути процесса переноса электрона на молекулу гормона.
В Protein Data Bank [9] содержатся несколько комплексов гормонов щитовидной железы с ДНК-связанными протеинами.
Представляют интерес комплексы тиреоидного рецептора с гормоном Т3 (4LNX PDB, 4LNW PDB). Гормональный ядерный рецептор принадлежит суперсемейству лиганд-связанных транскрипционных факторов, то есть он может вызывать транскрипцию ДНК.
Кристаллическая структура рецептора TR- альфа, связанная с Т3 и с Т4, во втором сайте была получена методом рентгеновской дифракции с разрешением 2,05 А в эксперименте 4LNX PDB и 1,9 А в эксперименте 4LNW PDB.
Экспериментальные данные (4LNX PDB) показывают, что гидроксильная группа Тз образует водородную связь с гистидином His 381 рецептора длиной 1,96 А. Заряд молекулы белка равен минус 6,7.
Рис. 1. Структура тиреоидного а-рецептора в комплексе с гормоном трийодтиронином (РОБ 4ЬКХ), молекула которого отмечена желтым цветом
Рис. 2. Структура тиреоидного а-рецептора в комплексе с гормоном трийодтиронином (PDB 4LNX). Пунктиром отмечена водородная связь между аминокислотой His 381 рецептора и гидроксильной группой гормона
Экспериментальные данные (4LNW PDB) показывают, что гидроксильная группа Т3 образует водородную связь с гистидином His 381 рецептора длиной 1,88 А. Заряд молекулы белка равен минус 6,7.
Рис. 3. Структура тиреоидного а-рецептора в комплексе с гормоном трийодтиронином (РОБ молекула которого отмечена желтым цветом
Пунктиром отмечена водородная связь между аминокислотой His 381 рецептора и гидроксильной группой гормона
В Protein Data Bank [9] содержатся определенные методом рентгеновской дифракции (с разрешением 2,95 А) координаты атомов лиганд связанных гетеродимеров рецепторов Т3 гормона и ретиноевой кислоты (PDB 3UVV).
Исследование структуры комплекса гормона Т3 показало, что его взаимодействие происходит с гистидином His 379 тиреоидного рецептора, так как его гидроксильная группа образует водородную связь с атомом водорода гистидина длиной 1,82 А (рис. 1). Соответственно, ретиноевая кислота в комплексе с ретиноевым рецептором образует водородную связь с аргинином-76.
Рис. 5. Структура гетеродимера рецепторов Т3 гормона и ретиноевой кислоты (РОБ 3ИУУ), молекула гормона Тз отмечена желтым цветом
Рис. 6. Структура гетеродимера рецепторов Тз гормона и ретиноевой кислоты (PDB 3UVV). Пунктиром отмечена водородная связь между аминокислотой His 379 рецептора и гормоном
Таким образом, во всех трех экспериментальных данных гормон Т3 образует водородную связь с аминокислотой гистидином, которая представляет собой активный центр тиреоидного рецептора. Поскольку этот ядерный рецептор принадлежит суперсемейству лиганд-связанных транскрипционных факторов, то он связан с ДНК и может вызывать транскрипцию ДНК.
Таким образом, можно сформировать упрощенную модель взаимодействия ДНК, тиреоидного рецептора и гормона Т3 в виде комплекса фрагмента ДНК, фрагмента активного центра рецептора и гормона. Фрагмент ДНК представляет собой нуклеотид гуанин (G), включенный в палиндромную последовательность AGGTCA-TGACCT, узнаваемую рецептором тиреоидных гормонов [7]. Фрагмент активного центра рецептора
представлен аминокислотой гистидином. Трийодтиронин в модели присутствует в протонированном виде, протонируется аминогруппа гормона.
Упрощенная модель взаимодействия Т3, гистидина и нуклеотида О исследовалась методом функционала плотности (ОБТ). Модель в методе ББТ была построена на основе полуэмпирической модели, рассмотренной авторами данной статьи ранее [4]. В расчетах учитывался принцип построения модели как комплекса гормона, фрагмента активного центра рецептора и нуклеотида гуанина.
Схема переноса электрона с гуанина О на Т3 представлена уравнением 1.
Е Е Е Е
[[Л+Н+^ ЛН+]+Я++О-2]" [ЛН+---К+---О-2]" [ЛН+---К+---О-2] -
"V-
С с
е- Н+
"V
(1)
ТТ # Е # &&
►[АН-—Я+—О-1]" [ЛН-+Я++О-1]" [ЛН-+К++О-1']"Л+К+
\
"V " V ' р
С 11+12+13
Здесь Я+ - фрагмент активного центра рецептора (аминокислота гистидин) с зарядом плюс один и ионизированными К,С-концевыми группами;
О-2 - нуклеотид гуанин, заряд минус два;
О-1' - радикал гуанина после переноса электрона с О на протонированный гормон Т3, заряд минус один;
А - агонист гормон трийодтиронин Т3, заряд 0;
ЛН- - радикал протонированного гормона Т3 после переноса на него электрона, заряд
ноль;
С - комплекс исходных реагентов, заряд ноль;
вверху строки схематически изображено спиновое состояние электронов на верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО): Е - синглетное, ТТ - триплетное;
11, 12, 13 - интермедиаты;
Р - продукты реакции;
--- - обозначено существование водородных и ионных связей соединений комплекса.
Упрощенная модель комплекса представлена на рисунке 7.
В модели комплекса в качестве агониста рассматривался протонированный гормон Т3 (с зарядом плюс один), который может являться акцептором электронов.
В качестве модели активного центра рецептора применялась аминокислота гистидин с зарядом плюс один. Согласно экспериментальным данным, она образует водородную связь с лигандом. К- и С-концевые группы ионизированы.
Нуклеотид гуанин имеет заряд минус два и может являться донором электронов.
В комплексе (гормон Т3 - активный центр рецептора - связанный с ним гуанин) возможно перераспределение электронной плотности, которое может повлечь изменение мультиплетности основного состояния от синглетного до триплетного.
Рис. 7. Упрощенная модель комплекса гормона Т3, активного центра рецептора и связанного с ним нуклеотида гуанина. Пунктиром показаны водородные связи между гормоном, активным центром рецептора и гуанином
Методом функционала плотности ББТ в параметризации БЗЬУР в базисе ЬАКЬ2Б2 был рассчитан упрощенный комплекс протонированного гормона Т3, активного центра рецептора (гистидина) и нуклеотида гуанина О (С в уравнении) в триплетном состоянии. В результате расчетов была найдена стационарная точка на поверхности потенциальной энергии. Распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов, показано на рисунке 8.
Рис. 8. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего гормон Т3, активный центр рецептора и связанный с ним нуклеотид гуанин. Комплекс находится в триплетном состоянии. Эллипсами показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами
В результате перераспределения электронной плотности в комплексе после взаимодействия произошел перенос электрона от нуклеотида на протонированный гормон Т3. Изменение зарядового распределения после взаимодействия также свидетельствует о переносе электрона с G на гормон.
В каждой из областей, отмеченных на рисунке, на валентной оболочке находится по одному электрону с параллельными спинами. Так, один электрон локализуется на молекуле нуклеотида на атомах кислорода, а другой - на атомах аминогруппы гормона Т3. После взаимодействия происходит образование двух радикальных частиц: нуклеотида с зарядом минус один и протонированного гормона Т3 с зарядом ноль.
Таким образом, вероятный механизм молекулярного действия заключается в переносе электрона с нуклеотидов на протонированный гормон при их взаимодействии в комплексе с тиреоидным рецептором. При этом комплекс находится в основном триплетном состояния. После взаимодействия образуются следующие вероятные интермедиаты:
- радикал нуклеотида гуанина (G-1') с зарядом минус один;
- фрагмент активного центра рецептора (аминокислота гистидин) с зарядом плюс один;
- радикал протонированного гормона Т3 (AH-) после переноса электрона на гормон с зарядом ноль.
После переноса электрона, диссоциации комплекса и депротонирования Т3 теряет электрон и вновь может многократно взаимодействовать с рецептором.
Расчеты, выполненные методом функционала плотности (DFT) в параметризации B3LYP в базисе LANL2DZ, показали, что интермедиаты термодинамически устойчивее исходных реагентов. Таким образом, триплетное состояние комплекса (нуклеотид гуанин, фрагмент активного центра рецептора, протонированный гормон Т3) устойчивее синглетного и основное состояние комплекса является триплетным.
Таким образом, возможно, присоединение к активному центру протонированного гормона Т3 тиреоидного рецептора может инициировать перенос электрона с рецептора на гормон. Механизм взаимодействия гормона Т3 с тиреоидным рецептором заключается в следующем:
- гормон Т3 протонируется по аминогруппе;
- затем Т3 связывается с активным центром рецептора;
- образуется комплекс через водородную связь с гистидином активного центра рецептора;
- после электронного взаимодействия гормона, рецептора и нуклеотидов ДНК происходит перенос электрона с нуклеотидов на гормон и переход комплекса в триплетное состояние;
- после переноса электрона на гормон комплекс диссоциирует, Т3 депротонируется и вновь может многократно взаимодействовать с рецептором;
- структура ДНК изменяется за счет переноса электрона с нуклеотидов на гормон тиреоидного рецептора, при этом образуется катион-радикалы нуклеотидов;
- изменения заряда и структуры нуклеотидов, расплетание цепей ДНК являются стартовой точкой в инициации транскрипции генов.
В результате DFT расчетов комплекса гормона Т3 тиреоидного рецептора с фрагментом активного центра рецептора и нуклеотидом ДНК предложен возможный уточненный молекулярный механизм действия гормонов тиреоидного рецептора. Механизм заключается в том, что протонированный гормон Т3 связывается с активным центром рецептора и инициирует перенос электрона с ДНК на гормон. Затем комплекс диссоциирует, гормон трансформируется в исходное состояние и вновь может взаимодействовать с рецептором. Изменения в структуре ДНК после переноса электрона,
по-видимому, являются стартовой точкой в инициации транскрипции генов РНК-полимеразой.
Таким образом, гормоны щитовидной железы могут выступать как в качестве донора, так и в качестве акцептора электронов в процессах переноса электронов, являясь по сути переносчиками электронов. С ними могут взаимодействовать ядерные рецепторы Т3, Т4, молекулы кислорода и, видимо, некоторые белки. Этим и объясняется все многообразие воздействия этих гормонов на организмы, причем одна молекула Т3 или Т4 может множество раз катализировать различные процессы переноса электрона, при этом ее структура остается неизменной. Этим и объясняются гормональные эффекты Т3, Т4, когда их малое количество оказывает выраженное воздействие на клетки.
Библиографический список
1. Божко А.П., Солодков А.П. Влияние тиреоидных гормонов на стрессорные изменения коронарного кровотока и сократительные функции гипертрофированного сердца // Физиол. журн. СССР им. Сеченова, 1990. Т. 76. № 10. С. 1333-1339.
2. Вельтищев Ю.Е., Дементьева Г.М. Синдром дыхательных расстройств (респираторный дистресс-синдром) у новорожденных // Вест. АМН СССР, 1990. № 7. С. 51-55.
3. Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия гормонов щитовидной железы // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2018. № 4. URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/020-001.pdf (дата обращения: 10.01.2019).
4. Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Квантово-химическая модель гормонов щитовидной железы как доноров и переносчиков электронов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2013. № 4. С. 179-184.
5. Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты / под ред. проф. А.И. Кубарко и проф. S. Yamashita. Минск - Нагасаки, 1998. 366 с.
6. База знаний по биологии человека. TR (рецептор тиреоидного гормона c-erbA) [Сайт]. URL: humbio.ru/humbio/01122001/tr sv2/00023140 (дата обращения: 20.09.2018).
7. Патрушев Л.И. Экспрессия генов. М: Наука. 2000 г. 818 с. (в пункте: «Предотвращение взаимодействия факторов транскрипции с регуляторными последовательностями ДНК»)
8. Discovery Studio Client v2.5.0.9164 [Сайт]. URL: http//www.accelrys.com/ (дата обращения: 20.06.2018).
9. Protein Data Bank [Сайт]. URL: www.rcsb.org/pdb/home/home.do (дата обращения: 14.09.2018).
10. [Сайт]. www.gaussian.com (дата обращения: 05.06.2018).
11. Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.
