CC BY
27
УДК 544.18/577.29:577.17
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ -ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС В МЕХАНИЗМЕ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ И ГОРМОНОПОДОБНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
© 2018 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2
1канд. хим. наук, доцент кафедры химии e-mail: moscowl978@mail.ru 2докт. хим. наук, профессор кафедры химии e-mail: kuznetsovpe@mail.ru
Курский государственный университет
На основе квантово-химических расчетов методом функционала плотности предложена модель взаимодействия гормонов с рецепторами и белками. В результате этого взаимодействия происходит перенос электрона с доноров электронов - нуклеотидов на акцепторы электронов - гормоны или, наоборот, с гормонов на триплетный кислород. Комплексы (гормон - активный центр рецептора - связанный с ним нуклеотид) находятся в основном триплетном состоянии.
Ключевые слова: квантово-химическая модель, гормоны, агонисты рецепторов, перенос электрона, доноры и акцепторы электронов.
Выдвигаемый авторами механизм действия гормонов основан на предположении о переносе электронов в биохимических реакциях. В случае взаимодействия гормонов с молекулярным кислородом в реакциях окислительного гидроксилирования и окислительного фосфорилирования перенос электрона происходит от молекул гормонов на кислород [Кузнецова 2013; Кузнецов 2013]. Для гормонов щитовидной железы это кислород цитохромоксидазы, а для молекул диоксинов - кислород цитохрома Р-450. Перенос электрона в данном случае возможен вследствие того, что молекула кислорода находится в основном триплетном состоянии. При ее взаимодействии с синглетной молекулой гормона возникает градиент мультиплетности, перераспределение и перенос электронов. Немаловажную роль играют и донорные свойства диоксинов и тироксина как гормона щитовидной железы.
Наряду с тем, что комплекс (гормон-молекула кислорода) находится в основном триплетном состоянии, при переносе электрона важную роль играют также протонирование гормона и термодинамическая разрешённость процесса переноса электрона. Так, квантово-химические расчеты показали, что диоксины, возможно, протонируются по атому кислорода диоксинового кольца и взаимодействуют с кислородом цитохрома Р-450 с переносом электрона с молекулы диоксина на кислород [Кузнецова 2006]. Этот процесс термодинамически разрешен и протекает в среде биохимической реакции гидроксилирования как побочная реакция образования перекиси водорода. Таким образом, предложенная схема позволяет рассматривать диоксины как возможные переносчики электронов, которые после взаимодействия превращаются в устойчивые катион-радикалы. При восстановлении последних возможно возобновление данной циклической реакции. Кроме того, предложенная схема объясняет ряд экспериментальных данных: индукцию цитохрома Р-450 [Кузнецова 2018], высокое время
вывода из биообъектов, отсутствие метаболитов, высокую концентрацию активных форм кислорода и др.
Таким образом, одна молекула диоксина может множество раз участвовать в процессе переноса электрона на кислород цитохрома Р-450, катализируя реакцию гидроксилирования и вызывая индукцию цитохрома. Малое количество диоксина может оказывать заметное влияние на клетки биообъектов.
Выдвигаемый механизм действия диоксинов был экспериментально подтвержден. В статье «Экспресс-метод определения 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в водных средах» нами исследовалась реакционная смесь, содержащая двухфазную систему (углеводородный растворитель - вода), молекулярный кислород, источник протонов (серная или уксусная кислота) и источник электронов (цинковая пыль). Было экспериментально показано, что при введении в систему каталитических количеств 2,3,7,8-тетрахлордибензо-и-диоксина происходит увеличение концентрации образующегося пероксида водорода на два порядка [Кузнецов 2013]. Аналогичные эксперименты были проведены и для диоксиноподобных соединений (дифенилового эфира, а также 2,3-дихлор-1,4-диоксана и 1,4-диоксана), в этом случае было показано увеличение концентрации пероксида водорода в несколько раз [Кузнецова 2016]. Таким образом, эксперименты подтвердили предположение о том, что диоксины и диоксиноподобные соединения являются донорами электронов. Множество раз участвуя в переносе электрона на кислород цитохрома Р-450, диоксины катализируют реакцию окислительного гидроксилирования и вызывают индукцию цитохрома Р-450.
Для гормонов щитовидной железы квантово-химические расчеты показали, что гормоны могут выступать в качестве донора электронов в процессе переноса электронов на кислород цитохромоксидазы в реакции окислительного фосфорилирования, являясь по сути переносчиками электронов [Кузнецова 2013]. Одна молекула гормонов щитовидной железы может множество раз катализировать этот процесс, при этом ее структура остается неизменной. Продуктами переноса электрона с молекулы трийодтиронина на молекулярный кислород цитохромоксидазы являются катион-радикал трийодтиронина и пероксирадикал.
Предлагаемый биохимический механизм тироксина и трийодтиронина объясняет известные экспериментальные данные. Например, гормоны щитовидной железы могут являться стимуляторами биохимической реакции окислительного фосфорилирования, повышая скорость переноса электронов, а следовательно, ускоряя синтез АТФ. Известны экспериментальные исследования митохондрий опытных животных, получавших избыточное количество тироксина, в которых скорость переноса электронов была выше, чем в контроле [Мецлер 1982: 147]. Это подтверждает выдвигаемое нами положение о том, что гормоны щитовидной железы являются переносчиками электронов. Тироксин и трийодтиронин, взаимодействуя с кислородом цитохромоксидазы, возможно, инициируют перенос электронов и образование дополнительной цепи переноса электронов.
Гормоны могут индуцировать набухание митохондрий [Щитовидная железа 1998], которое может быть вызвано увеличением числа компонентов мембраны вследствие формирования дополнительной цепи переноса электронов, стимулируемого гормонами щитовидной железы.
Образование активных форм кислорода можно объяснить генерацией пероксирадикала, который образуется в результате взаимодействия тироксина с кислородом [Кузнецова 2013].
Таким образом, обсуждаемый возможный механизм биохимического действия Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2018. № 2 (18)
гормонов щитовидной железы не противоречит известным экспериментальным данным. Более того, становятся объяснимыми такие факты, как стимулирование энергетического метаболизма, увеличение скорости переноса электронов в реакции окислительного фосфорилирования, образование активных форм кислорода, индукция набухания митохондрий, «утечка» протонов через внутреннюю мембрану митохондрий и другие данные.
Выдвигается вероятный молекулярный механизм действия гормонов и гормоноподобных соединений в кислородсодержащих реакциях окислительного гидроксилирования и окислительного фосфорилирования. Механизм заключается в том, что гормоны образуют комплексы с молекулярным триплетным кислородом цитохрома Р-450 или цитохромоксидазы. Комплексы находятся в основном триплетном состоянии, и в них происходит перенос электрона с донора (протонированного диоксина или молекулы тироксина) на акцептор электронов (триплетный кислород). В результате инициируются реакции окислительного гидроксилирования или окислительного фосфорилирования. После взаимодействия протонированные диоксины или молекулы гормонов щитовидной железы восстанавливаются и могут вновь образовывать комплексы с кислородом и инициировать процесс переноса электрона. Таким образом, гормоны катализируют окислительные реакции по циклическому механизму, не меняя свою структуру. В результате малые количества гормонов оказывают существенное воздействие на биохимические процессы.
Тироксин и трийодтиронин являются гормонами. Логично предположить, что и другие гормоны действуют по такому же циклическому механизму, катализируя определенные биохимические реакции. Однако возможен ли перенос электрона в системах, в которых отсутствуют компоненты, находящиеся в основном триплетном состоянии? Такая возможность существует в случае присоединения лиганда к комплексу, находящемуся в основном синглетном состоянии; при этом образуется новый комплекс, который может находиться в основном триплетном состоянии. Рассчитывая начальные и конечные продукты в процессе переноса электрона в синглетном и триплетном состоянии, можно определить мультиплетность основного состояния комплекса. Именно такие расчеты были проведены в случае изучения взаимодействия агонистов с рядом внутриклеточных рецепторов - трансмембранных и ядерных. Так, в ряде комплексов (гормон - активный центр рецептора - связанный с ним нуклеотид) были рассчитаны параметры термодинамической разрешённости в процессе переноса электрона. Было показано, что для ядерных NR3C4- и эстрогенового рецепторов [Кузнецова 2017; 2017а] и для трансмембранных холецистокининового [Кузнецова 2017б], динорфинового [Кузнецова 2016], дофаминового [Кузнецова 2017в] рецепторов процесс переноса электрона термодинамически разрешен. Например, для NRзC4-рецептора, возможно, присоединение протонированного агониста к комплексу (рецептор-ДНК) инициирует переход комплекса в основное триплетное состояние и перенос электрона. Механизм молекулярного действия заключается в том, что после связывания протонированного агониста с рецептором комплекс транслоцируется в ядро клетки и инициирует перенос электрона с ДНК на агонист [Кузнецова 2017]. После взаимодействия и диссоциации комплекса, агонист окисляется, депротонируется, превращаясь в исходное состояние. Трансформация структуры ДНК после окисления, вероятно, является стартовой точкой в запуске механизма транскрипции генов РНК-полимеразой.
Расчеты выполнены с применением программы Gaussian 09 [www.gaussian.com]. Предварительный расчет был проведен с использованием программы HyperChem 7.01 и метода MNDO/d [Hyper Chem Release 7 for Windows].
Аналогичные результаты были получены для эстрогенового рецептора [Кузнецова 2017а].
Для трансмембранных рецепторов - динорфинового, дофаминового и холецистокининового - также было показано, что триплетное состояние комплекса (агонист, фрагмент активного центра рецептора, связанный с ним ГДФ) устойчивее синглетного. Механизм для агонистов этих рецепторов в соответствии с квантово-химическими расчетами также соответствует тому, что протонированный агонист катализирует реакцию переноса электрона с ГДФ (гуанозиндифосфата) на агонист [Кузнецова 2016]. После взаимодействия комплекс распадается, агонист окисляется, депротонируется и вновь может взаимодействовать с рецептором. В результате образования радикала ГДФ вытесняется ГТФ (гуанозинтрифосфатом), и далее сигнал передается в клетку.
Таким образом, агонисты ряда рецепторов можно считать переносчиками электронов, а их небольшое количество может оказывать на клетку значимое воздействие.
Перенос электрона определяется не только термодинамической разрешённостью процесса. В системе должны находиться доноры и акцепторы электронов, без которых перенос электрона невозможен. Так, в рассматриваемых нами системах донорами являются нуклеотиды - ГДФ и ДНК, а акцепторами - протонированные агонисты.
Переносу электронов способствует электронная корреляция системы, так как корреляция - это стремление электронов избегать друг друга, что обусловлено мгновенным кулоновским отталкиванием между электронами [quant.distant.ru]. В результате электроны, вероятно, стремятся находиться как можно дальше друг от друга [Борщевский 2010]. Таким образом, два триплетных электрона комплекса (агонист - рецептор -связанный с ним нуклеотид), находящиеся на ВЗМО (высшей занятой молекулярной орбитали), будут локализованы, возможно, один на молекуле нуклеотида, а другой - на молекуле агониста. В результате при распаде комплекса, вероятно, кроме рецептора образуются два радикала.
Подчеркнем, что протонированные агонисты рецепторов представляют соединения с дефицитом электронной плотности. Следовательно, они являются акцепторами электронов, что соответствует выдвигаемому механизму действия гормонов.
Молекула ГДФ является донором электронов. Она, во-первых, обладает низким значением потенциала ионизации - (примерно минус 3,8 эВ). Ее заряд равен минус двум. На ВЗМО атомов кислорода фосфатной группы находится значительная электронная плотность - 0,96 ат. ед. (на атоме О39) и 0,83 ат. ед. (на атоме О38), как показано на рисунке 1. Кроме того, ближайщие к ВЗМО молекулярные орбитали сближены, что способствует быстрому перераспределению электронов при переносе электрона от ГДФ на агонист и позволяет понизить активационный барьер на пути переноса электрона. При этом расстояние между орбиталями составляет 0,21; 0,3 и 0,13 эВ. Таким образом, молекула ГДФ обладает донорными свойствами. Аналогично молекула ДНК также является донором электронов. Ее потенциал ионизации составляет примерно минус 2,96 эВ (для четырех нуклеотидов ТАСА); МО сближены, и расстояние между ними составляет 0,05; 0,01; 0,08; 0,1 эВ. На ВЗМО атомов кислорода фосфатной группы находится значительная электронная плотность - в 0,72 ат. ед. (на атоме О36) и в 0,71 ат. ед. (на атоме О37), как показано на рисунке 2.
Таким образом, акцепторные свойства агонистов и донорные свойства ГДФ и ДНК не противоречат предполагаемому механизму действия гормоноподобных соединений.
Выдвигаемый механизм объясняет ряд экспериментальных данных. Во-первых, становится понятным гормональный характер действия агонистов внутриклеточных рецепторов и гормоноподобных соединений (дофамина, серотонина и др.), когда в результате циклического механизма действия малое количество гормона оказывает существенный эффект на клетки. Во-вторых, объясняется, почему после образования комплекса агониста с рецептором распадается О-белок и почему ГДФ вытесняется из субъединицы О-белка. Это происходит потому, что агонист или гормон, как акцепторы электронов, инициируют перенос электрона с ГДФ на гормон-рецепторный комплекс и активируют ГДФ О-белка, трансформируя его в катион-радикал. После переноса электрона изменяется электростатический потенциал ГДФ и, что еще существеннее, -заряд нуклеотида. Вследствие чего комплекс ГДФ с О-белком распадается с дальнейшим обменом ГДФ на ГТФ. В-третьих, показан механизм передачи сигнала от агонистов вглубь клетки. В-четвертых, объясняется отличие агонистов, которые инициируют перенос электрона, от антагонистов, которые блокируют перенос электрона. В частности, расчетные данные отличия агонистов от антагонистов получены для дофаминового, динорфинового, холецистокининового ССК2, КЯ3С4- и других рецепторов. В-пятых, становится понятным отличие активных агонистов и антагонистов от малоактивных. В частности, высокие коэффициенты корреляции связи «структура - активность» были
Рис. 1. Структура и нумерация атомов молекулы ГДФ
Рис. 2. Структура и нумерация атомов молекулы ДНК - фрагмента ТАСА
получены для агонистов и антагонистов дофаминового рецептора, агонистов NR3C4-рецептора, агонистов динорфинового рецептора, агонистов и антагонистов ССК2-рецептора.
С учетом предполагаемого механизма действия лигандов рецепторов М. И. Брылевым с соавторами было проведено молекулярное моделирование и экспериментальное тестирование антагонистов КК3С4-рецептора. Результаты представлены в статьях [Брылев 2014; 2014а; 2014б; 2015].
Таким образом, в комплексах (агонист - рецептор - связанный с ним нуклеотид) возможен перенос электрона как в случае трансмембранных рецепторов, так и в случае ядерных рецепторов. Подтверждением этого являются:
- термодинамическая разрешённость процесса переноса электрона в ряде комплексов с ядерными и трансмембранными рецепторами;
- донорные свойства ГДФ и ДНК;
- акцепторные свойства агонистов рецепторов;
- адекватность и непротиворечивость механизма переноса электрона;
- ряд зависимостей связи структура - активность с высокими коэффициентами корреляции [Кузнецова 2016а].
Выдвигаемый механизм объясняет большинство экспериментальных данных.
Таким образом, в предлагаемом механизме действия для разных гормонов (гормоны, действующие на трансмембранный и ядерный рецепторы) наблюдаются некоторые общие закономерности:
Комплексы (агонист - рецептор - связанные с ними нуклеотиды) могут находиться в триплетном состоянии.
Гормоны, возможно, протонируются.
Гормоны взаимодействуют с ГДФ и ДНК через рецепторы и G-белки.
Аминокислотные последовательности рецепторов, возможно, могут являться цепью переноса электронов.
Гормоны могут узнавать с помощью комплексов (гормон-рецептор) нужные нуклеотиды и изменять их структуру.
Структура и параметры нуклеотидов изменяются после переноса электрона с нуклеотида на гормон, при этом образуется катион-радикалы нуклеотидов.
Процесс переноса электрона термодинамически разрешен, а комплекс в триплетном состоянии устойчивее комплекса в синглетном состоянии.
Перенос электрона происходит от доноров в комплексе (ГДФ или ДНК) к акцепторам (протонированным агонистам).
Превращение нуклеотидов в катион-радикалы влечет за собой расплетание цепей ДНК и инициацию транскрипции генов или активацию либо ингибирование ферментов.
Предлагаемый механизм действия гормонов состоит из следующих этапов.
Протонирование гормонов.
Гормоны взаимодействуют с рецепторами и связанными с ними нуклеотидами, образуя комплексы, находящиеся в триплетном состоянии.
Гормон-рецепторный комплекс узнает соответствующую последовательность нуклеотидов в случае ядерных рецепторов.
После взаимодействия гормона и нуклеотида через пептидные цепи рецептора переносится электрон.
Изменение заряда и параметров нуклеотидов влечет за собой превращение их в катион-радикалы.
Трансформация нуклеотидов инициирует либо распад G-белка, активацию и ингибирование ферментов в случае трансмембранных рецепторов, либо расплетание спирали ДНК и экспрессию генов в случае ядерных рецепторов.
Таким образом, выдвигается вероятный механизм действия гормонов на молекулярном уровне. Протонированные гормоны образуют комплексы (гормон, рецептор и связанный с ним нуклеотид), возможно находящиеся в основном триплетном состоянии. В комплексе происходит перенос электрона с донора (соответствующие фрагменты ДНК в промоторе или ГДФ) на акцептор электронов (протонированный гормон или агонист рецептора). В результате структура и заряд нуклеотидов меняются, и они превращаются в катион-радикалы, что инициирует дальнейшие преобразования: расплетание двойной спирали ДНК и экспрессию генов или обмен ГДФ на ГТФ, распад G-белка и передачу сигнала от гормона внутрь клетки. После взаимодействия протонированные гормоны окисляются, депротонируются и могут вновь участвовать в процессе переноса электрона. В результате данного циклического механизма гормоны множество раз могут катализировать перенос электрона от нуклеотидов, оставаясь в неизменном виде.
Таким образом, биологическое действие гормонов заключается в значительном воздействии на биохимические процессы малыми концентрациями гормонов. Молекулы гормонов и гормоноподобных соединений являются переносчиками электронов. В случае внутриклеточных рецепторов они могут быть акцепторами электронов, а в кислородсодержащих реакциях окислительного гидроксилирования и окислительного фосфорилирования - донорами электронов. Циклический механизм молекулярного действия гормонов позволяет им множество раз и в малых количествах катализировать процесс переноса электрона в биохимических реакциях, оставаясь в неизменном виде.
Библиографический список
Борщевский А.Я. Строение атомных частиц. Многоэлектронные атомы: учеб. пособие / МГУ им. М.В. Ломоносова. Химический факультет. М., 2010. 80 с.
Брылев М.И., Раменская Г.В., Лоторев Д.С., Мухачева Е.С., Кузнецова Н.Б., Павлова Л.А., Лизунов А.Ю., Пелевин Н.А. Поиск антагонистов рецептора NR3C4 // Молекулярная медицина. 2014. № 3. С. 28-33.
Брылев М.И., Раменская Г.В., Лоторев Д.С., Мухачева Е.С., Кузнецова Н.Б., Павлова Л.А., Пелевин Н.А., Алексеев А.А., Лизунов А.Ю. Поиск антагонистов рецепторов NR3C4 методом молекулярного моделирования // Курский научно-практический вестник «Человек и его здоровье». 2014а. № 1. С. 10-18.
Брылев М.И., Раменская Г.В., Лоторев Д.С., Мухачева Е.С., Кузнецова Н.Б., Павлова Л.А., Лизунов А.Ю., Пелевин Н.А., Домашева О.Ю. Исследование биологической активности потенциальных антагонистов рецептора NR3C4 // Бутлеровские сообщения. 2014б. № 4. С. 48-52.
Брылев М.И., Лоторев Д. С., Кузнецова Н.Б., Пелевин Н.А., Павлова Л.А. Разработка новых потенциальных блокаторов рецептора NR3C4 методом компьютерного моделирования // Разработка и регистрация лекарственных средств. 2015. № 3(12). С. 108115.
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.
Кузнецов П.Е., Кузнецова Н.Б., Власов И.А. Экспресс-метод определения 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в водных средах // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2013. Вып. 3(27). Ч. 2. URL: www.scientific-notes.ru/pdf/032-014.pdf (дата обращения: 13.04.2018).
Кузнецов П.Е., Кузнецова Н.Б., Власов И.А. Реакция образования пероксида водорода, катализируемая диоксиноподобными соединениями // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 2 (10). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/010-001.pdf (дата обращения: 05.04.2018).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов динорфинового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета.
2016. № 3 (11). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/011-001.pdf (дата обращения: 05.05.2018) Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Применение метода функционала плотности для
исследования возможного механизма действия агонистов ядерного NR3C4 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета.
2017. № 1(13). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/013-002.pdf (дата обращения: 05.04.2018) Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Применение метода функционала плотности для
исследования возможного механизма действия агонистов ядерного эстрогенового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017а. № 2(14). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/014-001.pdf (дата обращения: 05.04.2018)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов холецистокининового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017б. № 3. URL: http://auditorium .kursksu.ru/pdf/015-001.pdf (дата обращения: 13.04.2018).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов дофаминового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017в. № 4. URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/016-001.pdf (дата обращения: 13.04.2018).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Вероятный механизм индукции цитохрома Р-450(448) полихлорированными дибензо-п-диоксинами // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2018. № 1. URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/017-001.pdf (дата обращения: 13.04.2018).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е., Согуренко И.А. Возможный механизм токсического действия экотоксикантов класса дибензо-п-диоксина // Вестник Саратовского государственного аграрного университета. 2006. № 2. С. 18-24.
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Новый электронный дескриптор, отражающий биологическую активность лигандов внутриклеточных рецепторов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016а. № 4 (12). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/012-001.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Мецлер Д. Биохимия. Химические реакции в живой клетке. М.: Мир, 1980. Т. 3. С. 147.
Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты / под ред. проф. А.И. Кубарко и проф. S. Yamashita. Минск - Нагасаки, 1998. 366 с.
www.gaussian.com [Сайт]. (дата обращения: 05.04.2017).
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева. Кафедра квантовой химии. Глоссарий терминов, используемых в квантовой химии. Электронная корреляция_[Сайт]. URL: quant.distant.ru. (дата обращения: 10.05.2018).
Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.
