CC BY
49
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ ФАРМАКОЛОГИИ
УДК 5391: 577.127.547.972 © Коллектив авторов, 2016
М.Х. Зелеев, Р.И. Галеева, С.И. Усманова, М.В. Кузнецова, Д.И. Фахретдинова, Р.С. Насибуллин КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИСТАМИНА С КЛЕТОЧНЫМ ЛЕЦИТИНОМ
ФГБОУ ВО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Уфа
Методами квантовой химии и ЯМР 'Н, 13C, 15№спектроскопии исследовано комплексообразование молекулы гистами-на с клеточным лецитином. Показано образование нового типа комплекса, обусловленного взаимодействием атома азота, замыкающего углеводородную цепь гистамина, с холиновой группой лецитина. Результатами двумерной ЯМР 1Н, 15N-спектроскопии подтверждено одновременное существование двух типов комплексов в водном растворе гистамина с лецитином.
Установленные два разных комплекса, образующиеся при взаимодействии атомов N(3) и N(8) гистамина с водородами полярной головки фосфатидилхолина, являются предпосылкой для физической интерпретации широкого применения биологически активной молекулы гистамина в медицинской практике.
Ключевые слова: квантово-химические расчеты, ЯМР-спектроскопия, электронное строение, гистамин, лецитин, ком-плексообразование.
M.Kh. Zeleev, R.I. Galeeva, S.I. Usmanova, M.V. Kuznetsova, D.I. Fakhretdinova, R.S. Nasibullin QUANTUM CHEMICAL STUDIES OF THE INTERACTION OF HISTAMINE WITH CELLULAR LECITHIN
Using methods of quantum chemistry and 'Н, 13C, 15N NMR spectroscopy the complexation of histamine molecules with cell lecithin has been studied. The formation of new type of complex due to interaction of the nitrogen atom, trailing hydrocarbon chain of histamine with the choline group of lecithin has been shown. Simultaneous existence of two types of complexes in aqueous solution of histamine with lecithin was conformed by two-dimensional 1H, 15N NMR spectroscopy. The study established that two different complexes formed by the interaction of histamine atoms N(3), N(8) with hydrogen atoms of the polar head of phosphatidylcholine give background to the physical interpretations of a wide range of applications of biologically active molecules of histamine in the composition of drugs in medical practice.
Key words: quantum-chemical calculations, NMR spectroscopy, complex formation, electronic composition, histamine, lecithin.
Развитие физических методов и появление ЯМР-спектроскопии, эмиссионной томографии открыли возможность исследования молекулярного механизма явлений, происходящих в организме в естественных условиях [1-3]. Появилась возможность практической реализации проблем, связанных с досимптом-ной медициной, т.е. коррекции отклонений от нормы на начальных этапах возникновения. Развитие патологии всегда начинается и сопровождаются с изменения электронного строения молекул, составляющих данный орган. Поэтому проблема создания досимптом-ной медицины сводится к установлению связи электронного строения биологических молекул с их биологическими функциями и их возможной коррекции с использованием биологически активных молекул [4].
Понимание молекулярного механизма биологической активности, как правило, сводится к исследованиям молекулярного механизма и электронного строения биоактивных молекул. Установлению связи структуры био-
логических молекул с их биологической функцией посвящен ряд работ, в которых приводится исследование молекулярного механизма биологической активности [5, 6]. К настоящему времени построить теорию «структура - активность», способную предсказывать биологические функции молекул, не удается. Обзор литературных данных показывает, что основное внимание исследователи уделяют изучению молекулярного механизма биологической активности отдельных молекул или их групп [7,8].
Настоящая работа посвящена изучению биологической активности молекулы гиста-мина путем моделирования взаимодействия молекулы гистамина со структурообразующим соединением клеточной мембраны -фосфатидилхолином.
Гистамин представляет собой пяти-членный гетероцикл с двумя атомами азота в кольце, связанный с аминовой группой (рис. 1). Выбор молекулы гистамина обусловлен тем, что эта молекула практически содер-
жится во всех органах организма [9,10] и обладает широким спектром биологической активности. Молекула гистамина также является участником регулирования важнейших физиологических функций организма [1,3,6].
АН
Рис. 1. Структурная формула гистамина
Установлено, что гистамин в ряде случаев обладает функциями медиатора [2,6].
В предыдущих работах, выполненных нами, было показано образование комплексов при взаимодействии гистамина с клеточным фосфатидилхолином. При этом установлены изменения конформационных свойств и электронного строения лецитина [5,6].
При образовании комплекса гистамина с атомом углерода, входящим в звено углеводородной цепи с двойной связью фосфати-дилхолина, был показан переход из транс конформации в цис-конформацию, приводящий к формированию дополнительного канала обмена веществ через биологическую мембрану. При этом, как и следовало ожидать, увеличивается проницаемость биологических мембран. Этот факт, в частности, подтверждается влиянием гистамина на проницаемость капилляров [6].
Материал и методы
Квантово-химические расчеты выполнялись методами DFT ВЗLYP и 6-31G. Оптимизация структуры молекулы гистамина выполнялась методом молекулярной механики (ММ).
Используемые растворители имели индекс ЧДА. Гистамин, использованный в экспериментах, был произведен фирмой «Oldrich». Лецитин выделяли из желтков куриных яиц по методу Фолча [12].
Спектры ЯМР 1Н, 13C, 15N записаны на спектрометре «Bruker» Avance III с рабочей частотой 500.13 МГц (1H) и 125.47 МГц (13С) с использованием 5 мм датчика с Z-градиентом РАВВО при температуре образца 298 К. Хи-
мические сдвиги в спектрах ЯМР 13С, :Н приведены в м.д. относительно сигнала внутреннего стандарта тетраметилсилана (ТМС). С целью увеличения цифрового разрешения применялись дополнение нулями и умножение Фурье-образа спектра на экспоненциальную функцию (1b = 0.1 Гц для 1H и 1 Гц для 13С).
Спектры ЯМР 13С с подавлением по протонам (WALTZ-16) были зарегистрированы при следующих условиях: спектральное окно - 29,8 кГц, количество точек - 64К, длительность возбуждающего импульса (30°) -3,2 мкс, релаксационная задержка - 2 с, количество прохождений - 256. Редактирование спектров ЯМР проводилось на основании экспериментов DEPT-90 и DEPT-135 [1]. Длительность импульса регенерирующего поперечную намагниченность - 6 мкс (DEPT-90) и 9 мск (DEPT - 135), рефокусирующая задержка 1/2J = 3.5 мс, 64К точки накоплены в течение 64 прохождений, спектральное окно -29,8 кГц, экспоненциальное уширение линий -1 Гц. Двумерные спектры зарегистрированы в стандартных режимах многоимпульсных последовательностей программного обеспечения прибора. Спектр gsCOSY зарегистрирован со следующими параметрами: размер матрицы 4К на 512 экспериментов при спектральном окне 5,0 кГц, при обработке использовалась синусоидальная - колоколообразная взвешивающая функция для F1- и F2-проекций (ssb = 2). gsHSQC-спектр (hsqcetgp, размер матрицы 2K на 256 эксп., 5,0 кГц для F2 - проекции и 27,7 кГц - для F1) зарегистрирован с задержкой, оптимизированной для наблюдения JCH = 144 Гц.
Химические сдвиги ЯМР N получены из - проекции 1H-15N HMBC -спектров, значения приведены в аммиачной шкале. Спектры gsHBC зарегистрированы с задержкой эволюции малых констант: 71.4 мс для 1Н-13С и 142.8 мс для 1H-15N HMBC, размер матрицы 2К на 256 экспериментов.
Результаты и их обсуждение
Полученные квантово-химическими вычислениями в приближении метода DFT ВЗLYP/6-31G результаты представлены в таблице.
Таблица
Распределение заряда на атомах N и C гистаминов
Атом N(0) N(2) N(3) C(4) C(5) C(6) C(7) N(8)
Заряд 0.1401 -0.0969 0.2389 -0.0711 -0.0722 0.0827 0.2987 0.2530
Распределение зарядов на атомах азота и углерода гистамина и получение DFT показывают, что атом азота, замыкающий углеводородную цепочку молекулы, обладает заметным избытком положительного заряда. Расче-
ты, проведенные методом молекулярной механики, и последующий анализ результатов в рамках QSAR показали возможность существования еще одного комплекса, возникающего за счет взаимодействия азота N(8) ги-
стамина с холиновои группой молекулы лецитина и имеющего значительную величину энергии комплексообразования. Квантово-химические дискрипторы рассчитывались указанными выше методами. Прогностические QSAR-уравнения сформированы методами, предложенными в работах [11].
Вычисленное методом DFT значение энергии комплексообразования составляет 6.4 ккал/моль. Результаты расчетов методом DFT являются достаточно точными. Однако энергия комплексообразования вычисляется как разность двух больших величин, поэтому может иметь заметную погрешность. Контрольные вычисления, проведенные методом AM1, дают близкие значения энергии комплексооб-разования.
Установленный из результатов расчетов комплекс нового типа получил экспериментальное подтверждение. Вычисленная величина химического сдвига ЯМР 13С от атомов метильной группы холиновой головки лецитина оказалась очень близкой к значению хи-
мического сдвига, полученного при образовании комплекса за счет взаимодействия холи-новой группы фосфатидилхолина с гетеро-циклом гистамина. Спектр, зарегистрированный от ядер 13С метиловых групп холиновой головки лецитина, показал почти сливающуюся спектральную линию (рис. 2).
Наблюдаемые кросс-пики показали принадлежность указанных линий к атомам водорода метильной группы холиновой головки лецитина. Кросс-пики в двумерных спектрах от 15 N и от водорода однозначно подтвердили существование комплекса, обусловленного взаимодействием N 8) гистами-на с холиновой группой лецитина (рис. 3).
Наблюдаемые кросс-пики однозначно показывают одновременное взаимодействие атомов N(3) и N(8) гистамина с водородами холиновой группы лецитина. Следовательно, в водном растворе лецитина с гистамином одновременно существуют два разных комплекса, имеющих отличающиеся структуры и электронное строение.
_____
UL
_-г______4_______;___■____;
.j-----(
i ■ о -------I "
: о
-------'iscSSEEB
--------------<*-'-----« !
30 - + 35
---40
---45
--------r -----60
-----------65
_ --------J- - ----70
50
Рис. 2. Двумерные спектры от 13С и 1Н молекулы гистамина и лецитина. Стрелками отмечены спектральные линии от холиновой группы
* ЯП ippm]
Рис. 3. Двумерный спектр от ядер 15N и 1H в водном растворе
Выводы
1. Установлено, что в водном растворе лецитина с гистамином одновременно существуют два разных комплекса, образующиеся при взаимодействие атомов N(3) и N(8) ги-стамина с водородами холиновой группы лецитина и имеющие отличающиеся структуры и электронное строение, которые ведут к
увеличению проницаемости биологической мембраны.
2. Одновременное существование двух разных комплексов гистамина с водородами холиновой группы лецитина дает предпосылки к физическому истолкованию широкого спектра применения биологической активной молекулы гистамина в составе лекарственных препаратов в медицинской практике.
Сведения об авторах статьи: Зелеев Марат Хасанович - к.ф-м.н., доцент кафедры медицинской физики с курсом информатики ФГБОУ ВО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450008, г. Уфа, ул. Ленина, 3. E-mail: Zeleevmarat2011@mail.ru.
Галеева Роза Ибрагимовна - ст. преподаватель кафедры медицинской физики с курсом информатики ФГБОУ ВО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450008, г. Уфа, ул. Ленина, 3. Тел./факс: 8(347)273-51-83.
Усманова Светлана Ильдаровна - к.ф-м.н., доцент кафедры медицинской физики с курсом информатики ФГБОУ ВО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450008, г. Уфа, ул. Ленина, 3. E-mail: Usmanovasvetlana@mail.ru.
Кузнецова Мария Вячеславовна - преподаватель кафедры медицинской физики с курсом информатики ФГБОУ ВО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450008, г. Уфа, ул. Ленина, 3.
Фахретдинова Динара Индусовна - студентка 5 курса лечебного факультета ФГБОУ ВО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450008, г. Уфа, ул. Ленина, 3.
Насибуллин Руслан Сагитович - д.ф-м.н., профессор, зав. кафедрой медицинской физики с курсом информатики ФГБОУ ВО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450008, г. Уфа, ул. Ленина, 3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kahl R. Protective and adverse biological actions of phenolic antioxidants // Оxidative stress: Оxidants and antioxidants / Ed. H. Sies.-London: Acad. press, 1991.-P. 245-273.
2. Breitmaier, E. The pH-dependence of carbon-13 chemical shifts of six-membered nitrogen heteroaromatics/ E. Breitmaier, K. N. Spohn // Tetrahedron.-1973.- Vol. 29, № 8.- P. 1145-1152.
3. Насибуллин, Р.С. Молекулярный механизм комплексообразования апигенина с клеточным фосфатидилхолином / Р.С. Насибуллин, Р.И. Галеева, З.Д. Юсупова // Бутлеровские сообщения. - 2012. - Т. 32. - N° 10. - С. 68-71.
4. Siegenthaler W, Differential Diagnosis in Internal Medicine: From Symptom to Diagnosis // N. Y.: Thieme Medical Publishers, 2007.-P. 1140.
5. О молекулярном механизме биологической активности апигенина / Р.С. Насибуллин [и др.] // Бутлеровские сообщения. - 2015. -Т. 43, № 8. - С. 71-74.
6. Насибуллин, Р.С. Воздействие гистамина на клеточный фосфатидилхолин / Р.С. Насибуллин, М.В. Кузнецова, Д.И. Фахретдинова // Химическая физика и мезоскопия. - 2013. - №4. - С. 627-631.
7. Complexing of some biologically active molecules with phosphatidylcholine / M. S. Setchenkov [et al.] // Russian Physics Journal. -2009. - Vol. 52, № 4. - P. 417-420.
8. Nasibullin, R. S. Formation of complexes of a molecule pyrazole with phospholipids / R. S. Nasibullin, L. V. Spirihin, V. A. Ponomareva // Biophysics.- 1991.- Vol. 36, N 4.-P. 594-598.
9. О механизме взаимодействия некоторых флавоноидов с фосфатидилхолином клеточных мембран / Р. С. Насибуллин [и др.] // Химико-фармацевтический журнал. - 2007. - T. 41, №7. - С.12-14.
10. Комплекс рутина с фосфатидилхолином / М.С. Сетченков [и др.] // Бутлеровские сообщения. - 2006. - Т. 9, № 4. - С. 21-25.
11. Полушин, Р.В. Использование SAR и QSAR-методологий для прогнозирования свойств супертоксикантов. Программный комплекс comsat для установления количественных соотношений структура - активность органических соединений, проявляющих субстратную специфичность к семейству cyp450 человека / Р.В. Полушин, В.П. Ившин // Бутлеровские сообщения. - 2006. -Т.9, №4. - С.1-9.
12. Dawson, R.M.C. On the mechanism of action of phospholipase A / R.M.C. Dawson // Biochem. J. 1963. - Vol. 88, № 3. - P. 414-423.
УДК 615.03; 615.1; 615.017; 616.61. © В.П. Панин, А.В. Дубищев, М.И. Панина, 2016
В.П. Панин, А.В. Дубищев, М.И. Панина ИССЛЕДОВАНИЕ ДИУРЕТИЧЕСКОЙ И НЕФРОПРОТЕКТОРНОЙ АКТИВНОСТИ РАСТИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ И ФИТОСУБСТАНЦИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА ИВОВЫХ
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара
В эксперименте изучено влияние различных растительных средств и биологически активных веществ (БАВ), полученных из сырья растений семейства ивовых (осины, тополя, ивы), на экскреторную функцию почек интактных крыс. Исследованы изменения показателей диуреза, экскреции электролитов натрия и калия, креатинина, оксида азота (N0) под действием настоев, отваров, экстрактов из сырья растений семейства ивовых. Корреляционный анализ позволил выявить роль N0 в механизмах диуретического и салуретического эффектов изучаемых средств. В работе также исследуется нефропро-текторная активность фитосубстанций растений семейства ивовых при моделированной токсической острой почечной недостаточности (ОПН) у крыс. В условиях экспериментальной ОПН выявлено выраженное нефропротекторное действие такого БАВ, как тремулоидин, выделенного из фитосырья осины, что связано с его N0-экскреторной активностью. Выделен-
