О взаимодействии флавоноидов с клеточными мембранами Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА И БИОЛОГИЯ

УДК 539.1:[577.127.4:543.42]

© Д.И. Косарева, Р.Р. Шарафутдинова, М.Х. Зелеев, Г.Н. Загитов, Р.И. Галеева, 2008

Д.И. Косарева, Р.Р. Шарафутдинова, М.Х. Зелеев, Г.Н. Загитов, Р.И. Галеева О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФЛАВОНОИДОВ С КЛЕТОЧНЫМИ МЕМБРАНАМИ

ГОУВПО «Башкирский государственный медицинский университет Росздрава», г. Уфа

Исследовано взаимодействие 3,5,7,3',4'-пентаоксифлавонола (кверцетина) и 5,8-гидрокси-1,4-нафтохинона (юглона) с клеточным фосфатидилхолином (ФХ). Рассмотрены изменения электронного строения и конформационного состояния биологически активных соединений при образовании комплекса между кольцами флавоноидов и холиновой группой молекулы ФХ посредством п-системы электронов. Существование комплекса и указанные изменения подтверждены методом ЯМР-спектроскопии 1H, 13C.

Ключевые слова: кверцетин, юглон, фосфатидилхолин, методы квантовой химии, ЯМР-спектроскопия.

D.I. Kosareva, R.R. Sharafutdinova, M.Kh. Zeleev, G.N. Zagitov, R.I. Galeeva ABOUT THE INTERACTION OF FLAVONOIDS WITH CELL MEMBRANES

Interaction 3,5,7,3,,4’-pentaoxiflavonol (quercetin) and 5,8-hydroxi-1,4-naphtohinon (yuglon) with cellular phosphatidylholine (PC) is investigated in this work. Changes of an electronic structure and conformation state the biological active compounds at formation of a complex between rings flavonoids and holine group of molecule PC by means of п-system electrons are studied. Existence of a complex and the specified changes are confirmed by a method of a NMR-spectroscopy 1H, 13C.

Keywords: quercetin, yuglon, phosphatidylholine, methods of quantum chemistry, NMR-spectroscopy.

Биологическая активность веществ широкого спектра действия зависит от их способности взаимодействовать с биологическими объектами и в первую очередь с клеточными фосфолипидами.

Механизм и степень их взаимодействия определяются особенностями их структуры и устойчивостью образующихся комплексов.

Взаимодействие биологически активных веществ (БАС) с клеточными мембранами условно принято делить на 2 типа. Первый тип предполагает, что в процессе взаимодействия конформацион-ные состояния биоактивной молекулы и молекулы, на которую оказывается воздействие, остаются неизменными. Во втором типе в процессе взаимодействия происходят изменения обеих молекул.

Ранее [6,7] методами квантовой химии и ЯМР-спектроскопии было обнаружено, что молекулы, имеющие сопряженные системы, образуют комплексы с клеточными фосфолипидами посредством системы п-электронов. Было показано, что

взаимодействие гетероциклических соединений с фосфолипидами протекает по второму типу [2,5].

Материал и методы

Нами были проведены аналогичные исследования взаимодействия с клеточным фосфатидилхолином (ФХ) типичных представителей класса флавоноидов 3,5,7,3',4'-пентаоксифлавонола (кверцетина) и 5,8-гидрокси-1,4-нафтохинона (юглона) (рис. 1), обладающих широким

спектром биологической активности, в том числе фитонцидными, фунгицидными, бактерицидными, противовирусными, противогрибковыми, иммуномодулирующими, антиоксидантными и другими свойствами [1,3,4].

Изменения конформационных состояний и электронного строения фосфолипидов при взаимодействии с БАС были рассмотрены в работах [2,9]. Настоящая работа посвящена исследованию изменений, происходящих в молекулах флаво-ноидов при комплексообразовании с ФХ.

[25] "

'/[ЗО] ”[24]

“'[21]

ч

-422]

ГИ9]

А"!

н,

-420] >

[23]

“'І11! [151^

[27]

П[17]

[9] ,7(2]

А Ц В

*[6] ^[10] >

ІГ

[12]

413]

-[5]

і [1®]

\

[17]

[28}

а)

б)

Рис. 1 Структура молекулы кверцетина (а) и юглона (б)

Результаты и обсуждение

Результаты квантово-химических

расчетов методами МНОО и АМ1 показали существование нескольких разновидностей комплексов, образующихся за счет взаимодействия полярной части молекулы ФХ с различными кольцами БАС. Значения энергии комплексообразования с кольцами флавоноидов с ФХ, представленные в табл. 1, свидельствуют о том, что наиболее устойчивыми являются комплексы с кольцом В. При этом следует отметить, что энергия комплексообразо-вания определяется с большой погрешностью, так как является малой разностью больших величин.

Таблица 1.

Энергии комплексообразования системы флавоноид - ФХ

Кольца флавоноидов Екомпл, кДж/моль

кверцетин юглон

А 23 22

В 27 30

строения флавоноидов, при котором происходит существенное перераспределение заряда на взаимодействующих кольцах (табл. 2). Суммарные значения зарядов колец А и В изменяются на 0,031 а.е. и 0,068 а.е. соответственно у молекулы кверцетина и на 0,029 а.е. и 0,037 а.е. соответственно у юглона.

КИ||

Примечание.

Щ1]

Я1

Я2

Я3

кверцетин

О[1]

ОН

Н

С6Н3(ОН)2

юглон

С[1]

Н

ОН

Н

Как показано в работах [8], исследуемые молекулы БАС в свободном состоянии являются практически плоскими. Анализ структуры флавоноидов показал, что при связывании с ФХ происходит деформация плоской структуры: изгиб фла-воноида относительно оси 0[1]-С[4] в среднем на 27о у кверцетина и оси С[1] -С[4] на 32о у юглона (рис. 2). Эти изменения сопровождаются удлинением двойных и сокращением одиночных связей молекул в среднем на 0,005 и 0,007 ангстрем соответственно. Этот факт может свидетельствовать о том, что кольца фла-воноидов, участвующие во взаимодействии с ФХ, становятся более сопряженными, что может говорить об увеличении устойчивости комплекса. Это подтверждается и изменением электронного

Таблица 2.

Изменения заряда на атомах флавоноидов, а.е.

Кверцетин Юглон

Атом в свободном состоянии при взаимодействии с ФХ атом в свободном состоянии при взаимодействии с ФХ

0[1] -0,202 -0,213 С[1] 0,287 0,288

С[2] 0,147 0,153 С[2] -0,076 -0,098

С[3] -0,056 -0,086 С[3] -0,098 -0,080

С [4] 0,327 0,327 С [4] 0,306 0,296

С[5] 0,260 0,256 С[5] 0,153 0,176

С[6] -0,181 -0,141 С[6] -0,033 -0,060

С [7] 0,209 0,214 С [7] -0,099 -0,060

С[8] -0,229 -0,218 С[8] 0,133 0,084

С[9] 0,243 0,194 С[9] -0,109 -0,087

С[10] -0,326 -0,330 С[10] -0,167 -0,196

Существование описанного комплекса кверцетин - ФХ было экспериментально подтверждено методом ЯМР-спектроскопии на ядрах 13С [10]. Учитывая подобие структур исследуемых молекул и идентичность применяемых методов, можно, по-видимому, предположить экспериментальное подтверждение суще-

ствования конформационных изменений при образовании комплекса юглон - ФХ.

Выводы

Таким образом, проведенные методами квантовой химии и спектроскопии ЯМР 13С исследования структуры п-комплексов кверцетин - ФХ и юглон -ФХ обнаружили наличие двух устойчивых состояний, соответствующих локали-

зации ФХ на кольцах А и В молекул фла-воноидов. Показаны сильные изменения структуры и электронного строения фла-воноидов в областях энергетических минимумов, характер которых может свидетельствовать об увеличении сопряженности колец БАС и, следовательно, об увеличении устойчивости образованного комплекса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Della Loggia R. Anti-inflammatory activity of some Ginkgo biloba constituents and of their phospholipid complexes / R. Della Loggia, S. Sosa, A. Tubaro, P. Morazzoni, E. Bombardelli, A. Griffini // Fitoterapia. - 1996. - Vol.17. - P. 257-263.

2. Nasibullin R.S., Study of the structure of phosphatidylcholine - pyrazole and phosphatidylcholine - pyridine complexes / R.S. Nasibullin, D.I. Kosareva, M.A. Serebrenik, L.V. Spirikhin // Biophysical Journal. - 2002. -Vol. 47. - №5. - P. 761-765.

3. Rodgers E.H. The effect of the flavonoids, quercetin, myricetin and epicatechin on the growth and enzyme activities of MCF7 human breast cancer cells / E.H. Rodgers, M.H. Grant // Chem.-Biol. Interact. - 1998. Vol. 116. - P.213- 228.

4. Williams C. A., A biologically active lipophilic flavonol from Tanacetumparthenium / C. A. Williams, J. R. Hoult, J. B. Harborne, J. Greenham, J. Eagles // Phytochemistry. - 1995. -Vol. 38. - P. 267-270.

5. Байгулова О.В. Комплекс 2,3,7,8-ТХДД с клеточным фосфатидилэтаноламином, образующийся с двойной связью С=С в остатке олеиновой кислоты. Материалы XIII Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем". - 2006. -№ 1. - С. 53-56.

6. Насибуллин Р.С., Спирихин Л.В., Пономарева В.А. Образование комплексов молекулы пиразола с фосфолипидами// Биофизика. - 1991. - № 36(4). - С. 594-598.

7. Насибуллин Р.С., Никитина Т.И., Афанасьева Ю.Г., Насибуллин Т.Р., Спирихин Л.В. Комплекс 3,5,7,3',4'-пентаоксифлавонола с фосфатидилхолином // Хим.-фарм. Журнал. - 2002. - №36(9). - С. 33-36.

8. Рошаль А.Д., Сахно Т.В. Теоретический анализ структуры комплексов 5-гидрооксифлавонолов с ионами металлов и производными бора// Вестник Харьковского национального университета. - 2001. - №7(30). - С. 112-117.

9. Шарафутдинова Р.Р., Насибуллин Р.С. Комплекс 3,5,7,3',4'-пентаоксифлавонола одновременно с двумя молекулами фосфатидилхолина, расположенных на крайних кольцах: Материалы XII Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем". 2005. - С. 326-329.

10. Шарафутдинова Р.Р., Насибуллин Р.С., Фахретдинова Е.Р. Исследование конфор-мационного состояния кверцетина при комплексообразовании с лецитином// Химическая физика и мезоскопия. - 2008. - № 10(4). - С. 510-513.