CC BY
259
УДК 544.18/577.29:577.17
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОГО МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ АГОНИСТОВ ЯДЕРНОГО ЭСТРОГЕНОВОГО РЕЦЕПТОРА
Н. Б. Кузнецова, доцент каф. химии, канд. химич. наук; moscow [email protected]
П. Е. Кузнецов, проф. каф. химии, доктор химич. наук; kuznetsovpeamail.ru
Курский государственный университет
На основе рентгеноструктурных данных из Protein Data Bank и расчетов методом функционала плотности предложена модель взаимодействия агонистов c эстрогеновым рецептором. Возможный механизм действия агонистов эстрогенового рецептора на молекулярном уровне заключается в переносе электрона с комплекса (ДНК - рецептор) на протонированный агонист, что вызывает экспрессию генов РНК-полимеразой.
Ключевые слова: протонирование, перенос электрона, квантово-химическая модель, агонисты эстрогенового рецептора.
Ранее на основе квантово-химических расчетов и некоторых экспериментальных данных мы предположили, что гормоны и гормоноподобные соединения могут быть переносчиками электронов. Это позволило нам разработать вероятный механизм действия гормонов на молекулярном уровне. Перенос электрона изучался в комплексах [гормон -внутриклеточный рецептор - нуклеотид] для трансмембранных, цитозольных и ядерных рецепторов. В комплексах исследовались нуклеотиды: в случае трансмембранного рецептора - гуанозиндифосфат (ГДФ), который участвует в передаче сигнала от гормона в клетку; в случае ядерного рецептора - последовательность ДНК, которая распознается гормон - рецепторными комплексами. Предполагаемый механизм действия гормонов позволяет объяснить экспериментальные данные о типе и степени активности агонистов и антагонистов дофаминового D2, NR3C4, динорфинового и других рецепторов [Кузнецова 2013: 179 -184; Кузнецова 2014: №1; Кузнецова 2014: №2; Кузнецова 2014: №4; Кузнецова 2015: №4; Кузнецова 2016: №1; Кузнецова 2016: №3; Кузнецова 2016: №4]. Было разработано две модели: на основе полуэмпирических квантово-химических методов, и более точная модель - на основе метода функционала плотности (DFT) в параметризации B3LYP в базисе 6-31G(d) . Расчеты выполнены с применением программы Gaussian 09. Предварительный расчет был проведен с использованием программы HyperChem 7.01 и метода MNDO/d.
В данной статье исследовались стероидный ядерный эстрогеновый рецептор и его агонист эстрадиол (эстра-1,3,5(10)-триен-3,17Р-диол). Известно, что лиганды эстрогенового рецептора при взаимодействии с рецептором изменяют его конформацию, что повышает сродство рецепторов к ДНК и присоединение к области промотора коактиваторов, регулирующих экспрессию генов [Щитовидная железа 1998: 150]. Эстрогеновые рецепторы взаимодействуют с эстроген-чувствительными элементами ДНК, содержащими последовательность оснований: гуанин-гуанин-тимин-цитозин-аденин-X-X-
Х-тимин-гуанин-аденин-цитозин-цитозин [[Сайт]. Эстрогеновые рецепторы. http:// sportwiki. to/].
Модель в методе DFT разработана по аналогии с предложенной ранее моделью КЯзС4-рецептора, который также является стероидным ядерным рецептором [Кузнецова 2017: №1]. Модель использует принцип построения упрощенного комплекса фрагмента ДНК, фрагмента активного центра рецептора и агониста. При построении модели учитывались экспериментальные данные рентгеноструктурного анализа базы Protein Data Bank (1A52 (5)) [[Сайт]. Protein Data Bank].
На рисунке 1 представлены экспериментальные данные структуры комплекса эстрогенового рецептора с эстрадиолом (1A52 (5)). Из этих данных видно, что атом кислорода ОН-группы эстрадиола расположен на расстоянии 2,54 Ä от атома кислорода глутаминовой кислоты рецептора. С учетом длины связи ОН эстрадиола (1 Ä), расстояние между молекулой эстрадиола и атомом кислорода глутаминовой кислоты составляет 1,54Ä. С другой стороны атом кислорода второй ОН-группы, расположенной у циклопентанового кольца, образует водородную связь длиной 1,97 Ä с гистидином белка.
Рис.1. Экспериментальные данные структуры комплекса эстрогенового рецептора с эстрадиолом
(1A52 (5) - Protein Data Bank )
Ранее в статье [Кузнецова 2017: №1] было показано, что, возможно, при протонировании агониста NR3C4 рецептора инициируется перенос электрона с элементов промотора TGT на агонист. Это является, по-видимому, стартовой точкой в инициации транскрипции генов РНК-полимеразой. По аналогии со стероидным ядерным NR3C4 рецептором были проведены DFT расчеты и со стероидным ядерным эстрогеновым рецептором.
В упрощенной модели в качестве фрагмента ДНК был выбран нуклеотид гуанин G. В качестве фрагмента активного центра рецептора были выбраны аминокислоты, с которыми связывается агонист: дипептид глутаминовая кислота - лейцин. Исследовалась также активная форма агониста - протонированный эстрадиол.
Протонирование агонистов является одним из ключевых факторов в предполагаемом механизме действия гормонов. Расчеты показали, что из трех возможных протонированных производных эстрадиола наиболее вероятными являются протонированный по ароматическому кольцу эстрадиол и протонированный по ОН-группе циклопентанового кольца. Известно, что бензол протонируется [[Сайт]. Большая
Энциклопедия Нефти и Газа; [Сайт]. Справочник химика 21]. Кроме того, возможно донирование протона с гистидина на ОН-группу.
Схема переноса электрона с О на протонированный агонист представлена уравнением 1.
E E E
E
[[A+H+D AH+]+R-1+G-2]" [AH+---R"1—G-2]" [AH+---R"1---G"2] ■
"V"
C"
C-2
e- H+
J # E # &&
[AH-+R- 1+G-1']" [AH-+R-1+G-1']" [AH-+R"1+G""^"A+R"1
C-
Y
I1+I2+I3
(1),
где Я- - фрагмент активного центра рецептора с зарядом минус один в цвиттер-ионной форме;
О-2 - гуанин, заряд минус два;
О-1' - радикал О с зарядом минус один, образующийся после переноса электрона с О-2 на агонист;
А - агонист эстрадиол, заряд 0;
С-2 - комплекс исходных реагентов, заряд минус два;
вверху строки схематически изображено спиновое состояние электронов на верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО): Е - синглетное, ТТ - триплетное;
11, 12, 13 - интермедиаты;
Р - продукты реакции;
--- - обозначено существование водородных и ионных связей.
Упрощенная модель комплекса представлена на рисунке 2.
В модели комплекса рассматривался протонированный агонист эстрадиол. Таким образом, агонист представляет собой молекулу с зарядом плюс один и может являться акцептором электронов.
В качестве модели рецептора рассматривался фрагмент активного центра рецептора (дипептид глутаминовая кислота - лейцин) с зарядом минус один в цвиттер-ионной форме. Согласно экспериментальным данным, он образует водородную связь с ОН-группой агониста. N- и С-концевые группы фрагмента рецептора ионизированы в соответствии с экспериментальными данными [[Сайт]. Protein Data Bank].
Фрагмент ДНК (нуклеотид G) имеет заряд минус два и может являться донором электронов.
Исследуем возможный перенос электрона в упрощенном комплексе (фрагмент ДНК -фрагмент активного центра ядерного эстрогенового рецептора и протонированный эстрадиол).
Ранее мы рассматривали перенос электронов в окислительных реакциях -окислительного фосфорилирования и окислительного гидроксилирования. Перенос электрона в данном случае проистекал вследствие того, что основное состояние молекулы кислорода - триплетное. При взаимодействии триплетной молекулы кислорода с синглетной молекулой гормона в образующемся триплетном комплексе происходит перераспределение триплетных электронов и перенос электрона с гормона на молекулу кислорода [Кузнецова 2013: №4].
В случае внутриклеточных рецепторов основное состояние ни одного из компонентов комплекса не является, по-видимому, триплетным. Но перенос электрона в комплексе является настолько термодинамически выгодным, что основное состояние комплекса может измениться и перейти из синглетного в триплетное. Для того, чтобы проверить это предположение нужно рассчитать энтальпии образования начальных и конечных продуктов реакции согласно схеме (1). Это позволит оценить возможность перехода основного состояние комплекса из синглетного в триплетное. Не противоречат данному предположению и электронные свойства ДНК и эстрадиола. Нуклеотид G является донором электронов, а протонированный гормон - акцептором электронов. Кроме того, в результате возможного переноса электрона образуются две дублетные радикальные молекулы - радикал нуклеотида G (G-1') после переноса электрона с G-2 на протонированный агонист и радикал AH- протонированного эстрадиола после переноса на него электрона. Эти радикалы могут находиться в комплексе в триплетном состоянии.
Фрагмент активного центра эстрогенового рецептора J
Л>
vv* Чл Л*
Чл •
. " Фрагмент ДНК -
ЖЖЖГЖУ* ППЛТН п /Л
У* Аго!
у
г-
нуклеотид G
г¥ Т
\ Агонист эстрадиол
Рис. 2. Упрощенная модель комплекса фрагмента активного центра эстрогенного рецептора, его протонированного агониста эстрадиола и фрагмента ДНК - нуклеотида G. Черными линиями показаны
водородные связи
Далее был исследован упрощенный комплекс фрагмента ДНК (нуклеотида G), фрагмента активного центра рецептора и протонированного эстрадиола в триплетном состоянии (см. рис. 2). В расчетах использовался метод функционала плотности DFT с параметризацией B3LYP в базисе 6-31G(d), а также программа Gaussian (GaussView 5.08 [[Сайт]. www.gaussian.com]). В результате была найдена стационарная точка на поверхности потенциальной энергии. На рисунке 3 показано распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов.
Фрагмент активного центра эстрогенового рецептора
Л***«
и \ ^
• .gj Радикал эстрадиол а
• I W ITT-
Радикал нуклеотида G
ViV ^
J* -
Рис. 3. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего протонированный агонист эстрогенового рецептора (эстрадиол), фрагмент активного центра этого рецептора и фрагмент ДНК - нуклеотид G. Комплекс находится в триплетном состоянии. Эллипсами показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами
Расчеты подтвердили, что после взаимодействия и перераспределения электронной плотности в комплексе произошел перенос электрона с G на протонированный эстрадиол.
В каждой из областей, отмеченных эллипсами на рисунке, находится на валентной оболочке по одному электрону с параллельными спинами. Так, один электрон локализуется на нуклеотиде G на атомах кислорода, а другой - на ароматическом кольце эстрадиола.
Заряд на фрагменте активного центра рецептора практически не изменился (-0,89 ат. ед.). Заряд на протонированном агонисте был равен плюс один, а стал близок к нулю (-0,08 ат. ед.) в результате переноса электрона. Заряд на молекуле G был равен минус двум, а после взаимодействия остался равен примерно минус одному (-1,03 ат. ед.). Следовательно, электрон перераспределился с G на агонист.
Таким образом, возможный механизм молекулярного действия эстрагенового рецептора аналогичен таковому для цитозольного NR3C4 рецептора. Он заключается в том, что происходит одновременный перенос электрона с нуклеотидов ДНК на протонированный эстрадиол и переход комплекса (агонист - рецептор - ДНК) в триплетное состояние.
В результате взаимодействия в данной реакции образуются вероятные интермедиаты:
- АН- - протонированный эстрадиол в дублетном состоянии;
- R-1 - фрагмент активного центра рецептора с зарядом минус один в цвиттер-ионной форме в синглетном состоянии;
- G-1' - радикал нуклеотида G в дублетном состоянии после переноса электрона с G-2 на агонист с зарядом минус один.
После переноса электрона комплекс диссоциирует, агонист депротонируется и теряет электрон.
Далее были проведены квантово-химические расчеты по определению термодинамической возможности переноса электрона и рассчитаны геометрия и энтальпии 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 172,5 ккал/моль. Таким образом, триплетное состояние комплекса (агонист, фрагмент активного центра рецептора, G) устойчивее синглетного на 172,5 ккал/моль. Можно сказать, что основным состоянием комплекса является триплетное состояние.
Таким образом, видимо, в результате образования комплекса (ДНК - рецептор -протонированный эстрадиол) может инициироваться перенос электрона с ДНК на агонист и переход системы в основное триплетное состояние, т. к. это термодинамически выгодно.
Возможный молекулярный механизм взаимодействия агонистов с эстрогеновым рецептором (в соответствии с DFT расчетами) заключается в следующем:
- агонисты протонируются в среде рецептора;
- образуют комплекс с глутаминовой кислотой активного центра рецептора через водородную связь;
- после электронного перераспределения в комплексе (протонированный агонист -рецептор - нуклеотиды ДНК) происходит перенос электрона с нуклеотидов на агонист и переход комплекса в триплетное состояние;
- после диссоциации комплекса, агонист вновь может взаимодействовать с рецептором, т.к. структура агониста остается неизменной;
- в результате взаимодействия ДНК трансформируется в катион-радикалы нуклеотидов;
- изменения структуры нуклеотидов, расплетание цепей ДНК являются стартовой точкой в присоединении к цепи нуклеотидов РНК-полимеразы.
Таким образом, в результате DFT расчетов для агонистов эстрогенового рецептора предположительно установлен возможный механизм действия на молекулярном уровне аналогичный таковому для цитозольного NR3C4 рецептора. Механизм заключается в том, что протонированный агонист инициирует перенос электрона с ДНК на агонист. Расплетание цепей ДНК и изменение структуры и зарядов нуклеотидов после переноса электрона, по-видимому, вызывает экспрессию генов РНК-полимеразой.
Библиографический список
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия агонистов КК^^-рецептора как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2015. № 2(6).
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Прогнозирование биологической активности лигандов динорфинового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2015. № 4(8).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов дофаминового D2 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2016. № 1(9).
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 Курского государственного университета, 2014. № 1.
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов холецистокининового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2014. № 2.
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия гормонов как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2014. № 4.
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Новый электронный дескриптор, отражающий биологическую активность лигандов внутриклеточных рецепторов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2016. № 4(12).
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).
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.
Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты. Под ред. проф. А.И. Кубарко и проф. S. Yamashita. Минск - Нагасаки, 1998. 366 с.
[Сайт]. www.gaussian.com (дата обращения: 8.09.2016).
[Сайт]. Protein Data Bank: www.rcsb.org/pdb/home/home.do (дата обращения: 22.11.2016). [Сайт]. Эстрогеновые рецепторы. http:// sportwiki.to/ (дата обращения: 5.04.2017). [Сайт]. Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Протонирование. Стр. 2: www.ngpedia.ru (дата обращения: 14.05.2017).
[Сайт]. Справочник химика 21. Химия и химическая технология. Бензол, протонирование: chem 21.info (дата обращения: 14.05.2017).
