CC BY
21
УДК 544.18/577.29:577.17
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОГО МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ АГОНИСТОВ ДИНОРФИНОВОГО РЕЦЕПТОРА
© 2016 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2
1 доцент кафедры химии, канд. хим. yayK e-mail: moscow 1978@,mail.ru 2профессор кафедры химии, докт. хим. yayK e-mail: kiiznetsovpe a mail.ru
Курский государственный университет
На основе рентгеноструктурных данных из Protein Date Base и расчетов методом функционала плотности предложена модель взаимодействия динорфинового рецептора с его агонистами. Возможный механизм молекулярного действия заключается в том, что происходит перенос электрона с комплекса рецептор - гуанозиндифосфат на протонированный агонист.
Ключевые слова: квантово-химическая модель, агонисты динорфинового рецептора, протонирование, перенос электрона.
Ранее нами был предложен вероятный механизм действия гормонов и гормоноподобных соединений на молекулярном уровне. Он был подтвержден расчетами, проведенными полуэмпирическими квантово-химическими методами. Описанный механизм позволяет объяснить множество экспериментальных данных [Кузнецова, Кузнецов 2013; Кузнецова, Кузнецов 2014а; Кузнецова, Кузнецов 2014б; Кузнецова, Кузнецов 2014в].
В данной статье для уточнения механизма действия гормоноподобных соединений и трансмембранных рецепторов нами применялся метод функционала плотности (DFT). Данный подход является более точным и надежным.
В качестве объекта исследований были выбраны трансмембранный динорфиновый рецептор и его агонист К-[[5-(2-фторфенил)-1-метил-2,3-дигидро-1,4-бензодиазепин-2-ил]метил]тиофен-3-карбоксамид (тифлюадом). Механизм действия агонистов основан на их связывании с динорфиновыми рецепторами и последующей аналгезии [Lemos 2011].
Модель в методе DFT была построена на основе полуэмпирической модели, рассмотренной в статье [Кузнецова, Кузнецов 2015]. В расчетах учитывались экспериментальные данные рентгеноструктурного анализа базы Protein Date Base и принцип построения модели как комплекса агониста, фрагмента активного центра рецептора и гуанозиндифосфата (ГДФ) G-белка.
Схема переноса электрона с ГДФ на агонист представлена уравнением.
IT IT IT
[[A+H+^AH+]+R-+G0H-2]^ [AH4
IT
-R~—GOH"2]-» | AH —-R"—-GOH"2]■
_; ч_
II
-
C-2
-V"
C-2
e" H+ г г
н4
тт т IT т г г s
- [AH'+R"H++GO"2] -* [AH'+R"H++GO"2] —► [AH'+R"H++GO"2] A+R~
С"2
>—
4
I1+I2+I3
где R- - фрагмент активного центра рецептора с зарядом минус один и ионизированными ^С-концевыми группами;
GOH - гуанозиндифосфат, заряд минус два;
GO"- - радикал ГДФ после переноса электрона с ГДФ на агонист и переноса
протона с ГДФ на фрагмент активного центра рецептора, заряд минус два;
А - агонист тифлюадом, заряд 0;
С-2 - комплекс исходных реагентов, заряд минус два;
вверху строки схематически изображено спиновое состояние электронов на верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО): IT - синглетное, J - триплетное;
Ii, I2, I3 - интермедиаты;
Р - продукты реакции;
— - обозначено существование водородных и ионных связей соединений комплекса.
Упрощенная модель комплекса представлена на рисунке 1.
В модели комплекса в качестве агониста рассматривался протонированный по третичному гетероциклическому атому азота агонист. Протонирование агонистов динорфиновых рецепторов описывается в работах [Chemistry of Opioids 2011; Eguchi 2004]. Таким образом, агонист представляет собой молекулу с зарядом плюс один и может являться акцептором электронов.
В качестве модели рецептора применялся анион-радикал аспарагиновой кислоты с зарядом минус один. Согласно экспериментальным данным, он образует водородную связь с агонистом. N- и С-концевые группы ионизированы в соответствии с экспериментальными данными.
ГДФ имеет заряд минус два и может являться донором электронов. Рассчитаны разности энтальпий образования молекулы ГДФ в синглетном и триплетном состояниях методом функционала плотности DFT в параметризации B3LYP в базисах STO 6-31G(d) и 6-31G(d,p). В первом базисе синглетное состояние ГДФ устойчивее триплетного на 3,95 ккал/моль, а во втором базисе - на 4,56 ккал/моль. Таким образом, молекула ГДФ существует в синглетном состоянии. Однако триплетное состояние ГДФ отделено от основного синглетного состояния сравнительно небольшой разностью энергий. Можно сказать, что равновесие между синглетным и триплетным состояниями ГДФ сдвинуто в
сторону синглетного состояния. Если к комплексу (рецептор - ГДФ), который является донором электронов, присоединится активный акцептор электронов, то возможно перераспределение электронной плотности в комплексе. Оно, в свою очередь, может повлечь изменение энтальпий образования синглетного и триплетного состояний комплекса и смещение равновесия в сторону триплетного состояния.
Активный центр
динорфинового
рецептора
Ж А
' V 4. Г
и ^
* ГуанозинлиЛ
4
Гуанозиндифосфат
Рис. 1. Упрощенная модель комплекса фрагмента активного центра динорфинового рецептора, его протонированного агониста тифлюадома и гуанозиндифосфата. Пунктиром показаны водородные связи между агонистом, активным центром рецептора и ГДФ
На следующем этапе методом функционала плотности ОБТ в параметризации БЗЬУР в базисе 8ТО 6-31О(ё) был рассчитан упрощенный комплекс протонированного агониста, активного центра рецептора и гуанозиндифосфата (ГДФ) О-белка (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 2.
/
у§ Акти
I £
Активный центр
динорфинового ж
^^ ■
рецептора
Радикал (+)-(28)-Тифлюадома - АН"
Радикал
_2
гуанозиндифосфата- СО
Рис. 2. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего протонированный агонист динорфинового рецептора (тифлюадом), фрагмент активного центра этого
рецептора и гуанозиндифосфат. Комплекс находится в триплетном состоянии. Эллипсами показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами
В результате взаимодействия и перераспределения электронной плотности в комплексе произошел перенос электрона от ГДФ на агонист, а также перенос протона от ГДФ на фрагмент активного центра рецептора.
В каждой из областей, отмеченных на рисунке, находится на валентной оболочке по одному электрону с параллельными спинами. Так, один электрон локализуется на молекуле ГДФ на атомах кислорода, а другой - в бициклическом фрагменте агониста.
Заряд на фрагменте активного центра рецептора был равен минус единице, а после взаимодействия в результате переноса протона стал близок к нулю (0,1). Заряд на протонированном агонисте был равен плюс единице, а стал близок к нулю (-0,2) в результате переноса электрона. Заряд на молекуле ГДФ был равен минус двум, а после взаимодействия в результате переноса протона на фрагмент активного центра рецептора и в результате переноса электрона на агонист остался равен примерно минус двум (-1,7). Следовательно, электрон перераспределился с ГДФ на агонист.
Расстояние между третичным гетероциклическим атомом азота агониста и атомом кислорода аспарагиновой кислоты рецептора соответствует по величине (2,6 Е) экспериментальным значениям базы Protein Date Base (PDB 4DGH).
Таким образом, возможно, механизм молекулярного действия заключается в том, что происходит перенос электрона с комплекса рецептор - гуанозиндифосфат на протонированный агонист. Это возможно лишь в случае смещения равновесия синглетного и триплетного состояний комплекса в сторону триплетного состояния. Из структуры найденного комплекса С-2 следует, что наиболее вероятными интермедиатами, образующимися в данной реакции, будут:
- АН- в дублетном состоянии;
- протонированный фрагмент активного центра рецептора R-H+ с зарядом ноль, ионизированной N-концевой группой и нейтральной (в результате переноса протона) С-концевой группой в синглетном состоянии;
- ГДФ (GO"-) после переноса электрона на агонист и протона на фрагмент активного центра рецептора с зарядом минус два.
Перенос электрона на агонист приводит к диссоциации комплекса, сопровождающейся депротонированием агониста и потерей им электрона, в результате чего агонист может вновь взаимодействовать с рецептором (возможно, многократно).
Далее были рассчитаны геометрия и разность энтальпий образования исходных реагентов и интермедиатов.
Расчеты проводились методом функционала плотности DFT в параметризации B3LYP в базисе STO 6-31G(d). Результаты показали, что сумма энтальпий образования интермедиатов ниже, чем сумма энтальпий образования исходных реагентов на 21,8 ккал/моль. Таким образом, триплетное состояние комплекса (агонист, фрагмент активного центра рецептора, ГДФ) устойчивее синглетного на 21,8 ккал/моль.
Можно говорить о том, что равновесие между синглетным и триплетным состояниями комплекса сдвинуто в сторону триплетного состояния.
Возможный механизм взаимодействия агонистов с динорфиновым рецептором, в соответствии с неэмпирическим расчетами, заключается в следующем:
- агонисты протонируются на поверхности мембраны;
- затем проникают в активный центр рецептора, если позволяет их липофильность;
- образуют комплекс через водородную связь с аспарагиновой кислотой активного центра рецептора, если нет стерических препятствий;
- после электронного взаимодействия агониста, рецептора и ГДФ происходит перенос электрона с ГДФ на агонист и переход комплекса в триплетное состояние;
- затем после переноса электрона на агонист комплекс диссоциирует, агонист депротонируется, теряет электрон и вновь может взаимодействовать с рецептором (возможно, многократно);
- ГДФ в дублетном состоянии вытесняется из комплекса гуанозинтрифосфатом.
Таким образом, в результате расчетов комплексов методом DFT агониста
динорфинового рецептора с активным центром рецептора и ГДФ предложен возможный уточненный механизм действия агонистов динорфинового рецептора на молекулярном уровне. Механизм заключается в том, что протонированный агонист связывается с активным центром рецептора и катализирует реакцию переноса электрона с ГДФ на агонист. Затем комплекс диссоциирует, агонист депротонируется, теряет электрон и вновь может взаимодействовать с рецептором.
Библиографический список
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.
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Квантово-химическое моделирование механизма действия лигандов NR3C4 рецептора // AUDITORIUM: электронный научный журнал. 2014а. № 1. URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/001-004.pdf (дата обращения: 14.08.2016).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов холецистокининового рецептора // AUDITORIUM: электронный научный журнал. 2014б. № 2. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/002-003.pdf (дата обращения: 19.08.2016).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия гормонов как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014в. № 4. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/004-004.pdf (дата обращения: 14.08.2016).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности лигандов динорфинового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/008-002.pdf (дата обращения: 14.08.2016)
Chemistry of Opioids / Volume Editor H. Nagase. London: Springer, 2011. P. 277-306.
Eguchi, M. Recent advances in Selective opioid receptor agonists and antagonists // Med. Res. Reviews. 2004. V. 24. № 2. 182-212.
Lemos, J.C. Kappa-opioid receptor function / J.C. Lemos, C. Chavkin // Opiate receptors edited by Pasternak G.W. 2011. P. 226-305.
