Об особенностях механизма комплексообразования серотонина с фосфатидилхолином Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

удк 577.175.823./32.088

С. Н. Загидуллин (к.х.н., доц.), А. Ф. Исламов (преп.)

Об особенностях механизма комплексообразования серотонина с фосфатидилхолином

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

S. N. Zagidullin, A. F. Islamov

About singularities of the gear of a complex formation of a serotonin with phosphatidilcholine

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

Исследовано взаимодействие серотонина с клеточным фосфатидилхолином (ФХ). Рассмотрены изменения электронного строения и конформа-ционного состояния серотонина и ФХ методами квантовой химии. Показано существование комплекса, сформированного между кольцами фла-воноида и холиновой группой молекулы ФХ посредством я-системы электронов.

Ключевые слова: биологически активные соединения; квантово-химические методы; серото-нин; флавоноиды; фосфатидилхолин; ЯМР.

Большое значение в современной биофизике имеет решение вопроса о характере влияния биологически активных соединений на проницаемость клеточных мембран. Серотонин представляет собой молекулу из группы флавонои-дов и является высокоактивным биогенным амином сосудосуживающего действия.

Ранее нами были опубликованы работы по изучению механизма молекулярного взаимодействия серотонина со структурообразующим составляющим клеточной мембраны — клеточным фосфатидилхолином (ФХ) 1-4.

В данной работе были изучены особенности комплексообразования и механизмы взаимодействия серотонина с одной и двумя молекулами ФХ, расположенными по разные стороны относительно плоскости кольца серотонина (рис. 1, 2), определены места локализации его на клеточной мембране.

Расчеты проводились с использованием метода молекулярной механики (ММ+) и полуэмпирическими методами квантовой механики (АМ1 и MNDO) 5' 6 В результате определены энергия комплексообразования, изменение распределения зарядов на атомах, дипольные

Дата поступления 02.02.09

Interaction of a serotonin with cell membrane phosphatidilcholine was investigated. By quantum chemistry methods fluctuations of an electronic constitution and a conformation condition status of a serotonin and phospha-tidilcholine are observed. Existence of the complex generated between rings flavonoids and choline group of molecula a phosphatidilcholine by a means я-system of electrons is displayed.

Key words: phosphatidilcholine; serotonin; biologically active compounds; flavonoids; quantum chemistry methods; NMR.

моменты, а также электронное строение, конфигурация молекул.

Расчеты комплекса «серотонин — одна молекула ФХ» показали, что образуется конфор-мационно устойчивая структура «серотонин —

о

ФХ» на расстоянии 4.2 А от центра первого кольца гетероцикла серотонина до аминогруппы ФХ. Образование структуры происходит за счет взаимодействия я-системы электронов серотонина с холиновой группой ФХ. Энергия комплексообразования равна 8.57 ккал/моль.

Происходит значительное перераспределение заряда на атомах комплекса, причем наиболее заметные изменения наблюдаются на фосфатной группе и атомах, образующих связи, вокруг которых происходит вращение (табл. 1).

Таблица 1 Распределение зарядов на атомах серотонина и ФХ, а.е.

Заряд в своб. Заряд Разность

молекуле в комплексе зарядов

P 5 + 1.353 + 1.367 + 0.014

Oil -0.541 -0.562 -0.021

Ol2 -0.576 -0.608 -0.032

Oi3 -0.751 -0.767 -0.016

O 14 -0.685 -0.747 -0.062

N2 + 1.134 + 1.147 + 0.013

N11 -0.244 -0.221 + 0.023

но

СН2-СН2

NH2

КН СН3

+К-СН3 /

Н2С

2

СН2

оо

\\ / р

о чо

Н>Н2 С

Н2С О

С

оС I

оС I

Н Н

(СН2)^^^(СН2>7

СНз (СН2)16—СН3

[7] О'

Н2С

\

СН2

\[8]/СНз + К—СН3

! \ 3 ! СНз

НО

СН2—СН2

[11] СНз

I

КН

[12]

Рис. 1. Структура комплекса серотонина с одной молекулой ФХ

В комплексе «серотонин — две молекулы ФХ» первоначальная структура молекул ФХ соответствует жидко-кристаллической фазе 7' 8' 9. Геометрические параметры расположения молекул относительно друг друга задавались углами а1 и а2 и расстояниями г1 и г2 от атомов азота полярной головки ФХ до плоскости кольца серотонина.

Расчеты показывают образование устойчивой структуры серотонина с двумя молекулами ФХ. По результатам расчетов была построена картина зависимости энергии комплек-сообразования от углов а1 и а2 (рис. 3). Определены области минимума энергии и рассмотрены изменения геометрических параметров и электронного строения взаимодействующих молекул.

В левой части картины выявлена обширная область локального минимума. Подробные исследования показали, что наиболее устойчивой является структура, соответствующая такому взаимному расположению молекул, при котором дополнительно образуется водородная связь между атомом азота гетероцикла и 0=Р-группами ФХ. Для этой структуры:

г1=4,2 А, г2=3,5 а , а!=180°, а2=90о, энергия комплексообразования — 18,95 ккал/моль.

/

\ КН

\

ч

НзС\\ /

+К—СН3 [2] з

Н2С

/

СН2 [4]°ч >

[3]°/ ч °[6]

Н2С' /

Рис. 2. Структура комплекса серотонина с двумя молекулами ФХ

Высота потенциальных барьеров составляет в среднем 7—8 ккал/моль.

Изучение распределения заряда на атомах ФХ и серотонина в свободном и связанном состояниях показало значительное перераспределение заряда на атомах взаимодействующих молекул, по сравнению с комплексом с одной молекулой ФХ. Причем наиболее заметные изменения наблюдаются на ЖСН3)3-и Р04-группах, а также на атомах, вокруг которых происходит вращение (табл. 2).

Таблица 2

Перераспределение зарядов на атомах молекул комплекса, а.е.

Атомы В комплексе серото-нин-ФХ В комплексе серотонин с 2 молекулами ФХ Разность зарядов

N 11 -0.244 -0.232 + 0.012

N 12 -0.279 -0.294 + 0.015

N 2 -0.136 -0.144 + 0.012

N 8 -0.296 -0.320 + 0.024

О 4 -0.742 -0.749 -0.007

О 6 -0.529 -0.515 + 0.014

■¡30 эо 150 210 270 ВД|

Рис. 3. Картина зависимости энергии комплексообразования от угла поворота молекулы гетероцикла относительно полярной головки ФХ

Полученные результаты, в том числе разность энергий комплексообразования (ДЕ=10.38 ккал/моль), показывают образование более устойчивого комплекса, чем в комплексе с одной молекулой ФХ, а также позволяют сделать предположение, что взаимодействие молекул комплекса может привести к высвобождению дополнительных объемов в мембране, что в свою очередь свидетельствует об увеличении проницаемости биологической мембраны.

Литература

1. Насибуллин Р. С., Косарева Д. И., Спирихин Л. В. //Биофизика.- 2002.- Т. 47, № 5.- С. 35.

2. Загидуллин С. Н., Исламов А. Ф. Взаимодействие серотонина с клеточным лецитином // Структура и динамика молекулярных систем: Сб. статей.-2005.- Ч. 1.- С. 294.

3. Загидуллин С. Н., Исламов А. Ф. Комплекс серотонина с фосфатидилхолином //Структура и динамика молекулярных систем. Сб. ста-тей.—2006.— Ч. 1.- С. 329.

4. Загидуллин С. Н., Исламов А. Ф. Взаимодействие серотонина с двумя молекулами лецитина одновременно //Структура и динамика молекулярных систем: Сб. статей.-2007.-Ч.1.— С. 660.

5. C. A. Rice-Evans, N. J. Miller and G. Paganga. / / Free Radic. Biol. Med.- 1996.- №20.- Р. 933.

6. S. A. van Acker, D. J. van den Berg, M. N. Tromp, D. H. Griffioen, W. P. van Bennekom, W. J. Van der Vijgh and A. Bast // Free Radic. Biol. Med.- 1996.- № 20.- Р. 331.

7. Ивков В. Г., Берестовский Г. Н. Динамическая структура липидного бислоя.- М., 1981.- 293 с.

8. Singer S. J., Nicolson G. L. //Science.- 1972.-Vol. 175.- Р. 720.

9. Singer S.J. //Ann. Rev. Bioch.- 1974.-Vol. 43.- Р. 805.