Научная статья на тему 'Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов ядерного эстрогенового рецептора'

Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов ядерного эстрогенового рецептора Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
71
261
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Auditorium
Область наук
Ключевые слова
ПРОТОНИРОВАНИЕ / ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА / КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / АГОНИСТЫ ЭСТРОГЕНОВОГО РЕЦЕПТОРА

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов ядерного эстрогенового рецептора»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.