CC BY
20
УДК 544.18/577.29:577.17
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОГО МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ АГОНИСТОВ ЯДЕРНОГО NR3C4 РЕЦЕПТОРА
© 2017 Н. Б. Кузнецова, П. Е. Кузнецов
1канд. хим. наук, доцент кафедры химии e-mail: moscow 1978@,mail.ru
2доктор хим. наук, профессор кафедры химии e-mail: kiiznetsovpe a mail.ru
Курский государственный университет
На основе расчетов методом функционала плотности и рентгеноструктурных данных из Protein Data Bank предложена модель взаимодействия агонистов с NR3C4 рецептором. Перенос электрона с комплекса ДНК-рецептор на протонированный агонист представляет собой стартовую точку в инициации транскрипции генов РНК-полимеразой и основу возможного механизма действия агонистов NR3C4 рецептора на молекулярном уровне.
Ключевые слова: протонирование, перенос электрона, квантово-химическая модель, агонисты NR3C4 рецептора.
Ранее на основе полуэмпирических квантово-химических методов нами был разработан вероятный механизм действия гормонов и гормоноподобных соединений на молекулярном уровне. Он позволяет объяснить экспериментальные данные о типе и степени активности агонистов и антагонистов дофаминового D2, NR3C4, динорфинового и других рецепторов [Кузнецова, Кузнецов 2013; 2014: №1; 2014: №2; 2014: №4; 2015: №4; 2016: №1].
В данной статье эти исследования были продолжены на основе метода функционала плотности (DFT), который является более точным.
Исследовались стероидный ядерный КК3С4-рецептор и его селективный модулятор BMS-564929. Известно, что лиганды NR3C4 рецептора трансформируют его, затем комплекс лиганд-рецептор транслоцируется в ядро и связывается с ДНК, регулируя экспрессию генов [Щитовидная железа 1998: 150]. Цитозольный NR3C4 рецептор -переносчик активной формы гормона в ядро и является там активным ядерным рецептором.
Модель в методе DFT разработана на основе предложенной ранее полуэмпирической модели [Кузнецова, Кузнецов 2014: №1] и 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 [Protein Data Bank]. Известно также, что NR3C4-рецепторы узнают в ДНК элементы промотора TGTTCT [Льюин 2012].
Ранее полуэмпирическими методами было показано, что, возможно, при протонировании агониста NR3C4 рецептора инициируется перенос электрона с элементов
промотора ТОТ на агонист. Это является, по-видимому, стартовой точкой в инициации транскрипции генов РНК-полимеразой [Кузнецова, Кузнецов 2015: № 2(6)].
В упрощенной модели в качестве фрагмента ДНК были выбраны три варианта элементов промотора ТОТТСТ: Т, ОТ и ТОТ. В качестве фрагмента активного центра рецептора были выбраны аминокислоты, с которыми связывается агонист: дипептид аспарагин - лейцин. Исследовалась также активная форма агониста - протонированный БМ8-564929.
Схема переноса электрона в первом случае - с Т на протонированный агонист представлена уравнением 1.
E E E E ^ е
[[A+H+D AH+]+R+T-2]— [AH+---R---T"2]"[AH+---R---T"2]-
4-у-' 4-у-'
C-1 C-1
е- H+
J # E # &&
->[AH-+R+T"1']— [Aff+R+Т"1']- [AH-+R+T-1]-A+R ,
ч__j \_.._J ^^
V--V
P
C-1 I1+I2+I3
(1)
где R - фрагмент активного центра рецептора с зарядом ноль в цвиттер-ионной
форме;
Т - дезокситимидин-5'-монофосфат, заряд минус два;
Т-1' - радикал Т с зарядом минус один, образующийся после переноса электрона с Т-2 на агонист;
А - агонист BMS-564929 (Bms), заряд 0;
С-1 - комплекс исходных реагентов, заряд минус один;
вверху строки схематически изображено спиновое состояние электронов на верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО): E - синглетное, J - триплетное; I1, I2, I3 - интермедиаты; Р - продукты реакции;
— обозначено существование водородных и ионных связей. Упрощенная модель комплекса представлена на рисунке 1.
В модели комплекса рассматривался протонированный агонист Bms. Протонирование по атому азота C=N группы подтверждается в экспериментах по ВЭЖХ МС. Протонирование агонистов NR3C4-рецептора обсуждается в работе [Кузнецова, Кузнецов 2016: № 4]. 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 аспарагин - лейцин) с зарядом ноль 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 [Protein Data Bank].
Фрагмент ДНК (нуклеотид Т) имеет заряд минус два и может являться донором электронов.
Ранее нами [Кузнецова, Кузнецов 2016: № 3] рассматривалась упрощенная модель переноса электрона в комплексе (ГДФ - фрагмент трансмембранного динорфинового рецептора - протонированный агонист). По аналогии исследуем возможный перенос электрона в упрощенном комплексе (фрагмент ДНК - фрагмент активного центра ядерного МКзС4 рецептора и протонированный ВМ5).
Уточним некоторые особенности комплекса:
• и ГДФ (гуанозиндифосфат), и фрагмент ДНК представляют собой нуклеотиды с отрицательными зарядами в ионной форме, которая содержит много электронов и может выполнять роль их доноров;
• протонированные агонисты обладают положительным зарядом и могут являться акцепторами электронов;
• можно рассчитать энтальпии образования начальных и конечных продуктов реакции, описанных в схеме (1). Результаты расчетов позволят оценить возможность протекания реакции переноса электрона с термодинамической точки зрения для ядерного МКзС4 рецептора;
• при определенном перераспределении электронов в процессе переноса электрона может быть реализовано триплетное состояние рассматриваемого комплекса. Продуктами являются две дублетные радикальные молекулы - радикал нуклеотида Т (Т"1') после переноса электрона с Т на протонированный агонист и радикал ЛИ" протонированного ВМ5 после переноса на него электрона. Две радикальные молекулы могут находиться в комплексе в триплетном состоянии;
• начальное основное состояние комплекса - синглетное, однако при присоединении к системе протонированного лиганда основное состояние комплекса может измениться на триплетное за счет высокой вероятности переноса электрона.
Фрагмент ДНК -нуклеотид Т
и 4
Л ' А
Агонист ВМБ-564929
л.
Л
Фрагмент активного центра №зС4 рецептора
Рис. 1. Упрощенная модель комплекса фрагмента активного центра N^^4 рецептора, его протонированного агониста ВМ8-564929 и фрагмента ДНК - нуклеотида Т. Пунктиром показаны водородные связи
Далее был исследован упрощенный комплекс фрагмента ДНК (нуклеотида Т), фрагмента активного центра рецептора и протонированного ВМ8 в триплетном состоянии
(см. рис. 1). В расчетах использовался метод функционала плотности DFT с параметризацией B3LYP в базисе STO 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 2 показано распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов._
Рис. 2. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего протонированный агонист КЯ3С4 рецептора (БМ8-564929), фрагмент активного центра этого рецептора и фрагмент ДНК - нуклеотид Т. 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 Т на протонированный БМБ.
В каждой из областей, отмеченных эллипсами на рисунке, находится на валентной оболочке по одному электрону с параллельными спинами. Так, один электрон локализуется на нуклеотиде Т на атомах кислорода, а другой - на цианогруппе агониста.
Заряд на фрагменте активного центра рецептора не изменился. Заряд на протонированном агонисте был равен плюс одному, а стал близок к нулю (-0,07 ат. ед.) в результате переноса электрона. Заряд на молекуле Т был равен минус двум, а после взаимодействия остался равен примерно минус одному (-0,93 ат. ед.). Следовательно, электрон перераспределился с Т на агонист.
Таким образом, возможно, механизм молекулярного действия заключается в том, что происходит перенос электрона с комплекса (рецептор - Т) на протонированный агонист. Это возможно лишь в случае триплетного состояния комплекса. Из структуры найденного комплекса С-1 следует, что наиболее вероятными интермедиатами, образующимися в данной реакции, будут:
- АН- в дублетном состоянии;
- Я - фрагмент активного центра рецептора с зарядом ноль в цвиттер-ионной форме в синглетном состоянии;
- Т-1' - радикал Т в дублетном состоянии после переноса электрона с Т-2 на агонист с зарядом минус один.
После переноса электрона комплекс диссоциирует, агонист депротонируется, теряет электрон и вновь может взаимодействовать с рецептором (возможно многократно).
Далее была определена термодинамическая возможность переноса электрона и рассчитаны геометрия и энтальпии образования исходных реагентов и интермедиатов.
Расчеты проводились методом функционала плотности ББТ в параметризации ВЗЬУР в базисе БТО 6-31О(ё). Результаты показали, что сумма энтальпий образования интермедиатов ниже, чем сумма энтальпий образования исходных реагентов на 147,2 ккал/моль. Таким образом, триплетное состояние комплекса (агонист, фрагмент активного центра рецептора, Т) устойчивее синглетного на 147,2 ккал/моль. Можно сказать, что основным состоянием комплекса является триплетное состояние.
Кроме комплекса с нуклеотидом Т были рассчитаны такие же комплексы с другими вариантами элементов промотора ТОТТСТ - нуклеотидами ОТ и ТОТ. Результаты представлены на рисунках 3 и 4._
^ ^ Л -АН-
^ ^^ Фрагмент активного центра
Радикал BMS-564929 -АН-
Радикал
нуклеотида Х
GT"2'
Фрагмент активного центра NRзC4 рецептора
Рис. 3. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего протонированный агонист NR3C4 рецептора (ВМБ-564929), фрагмент активного центра этого рецептора и фрагмент ДНК - нуклеотид ОТ. Комплекс находится в триплетном состоянии. Эллипсами показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами
Радикал нуклеотида TGT 3
Т * л
•V
Радикал BMS-564929 - АН'
* VV - .
С V- Т.
Jl\
iT
Фрагмент активного центра N^1(4 рецептора
Активация Window
Чтобы активировать Windi
Рис. 4. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего протонированный агонист NR3C4 рецептора (ВМБ-564929), фрагмент активного центра этого рецептора и фрагмент ДНК - нуклеотид ТОТ. Комплекс находится в триплетном состоянии. Эллипсами показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами
Из рисунков 3 и 4 видно, что при увеличении цепи ДНК происходит аналогичный процесс переноса электрона с ДНК на протонированный BMS. Аналогичны схеме 1 и изменения зарядов и спиновой плотности при переносе электрона с ДНК на агонист.
Таким образом, предположительно присоединение к комплексу (ДНК - рецептор) протонированного агониста с зарядом плюс один может инициировать переход системы в основное триплетное состояние, так как образование радикальных интермедиатов термодинамически выгодно. Два радикала в одном комплексе могут давать триплетное состояние.
Возможный молекулярный механизм взаимодействия агонистов с NR3C4 рецептором (в соответствии с DFT расчетами) заключается в следующем:
- агонисты протонируются в среде рецептора;
- затем проникают в активный центр рецептора в соответствии с липофильностью;
- образуют комплекс с аспарагином активного центра рецептора через водородную связь, вписываясь в геометрию рецептора;
- после электронного взаимодействия агониста, рецептора и нуклеотидов ДНК происходит перенос электрона с нуклеотидов на агонист и переход комплекса в триплетное состояние;
- затем комплекс диссоциирует, агонист депротонируется, теряет электрон и вновь может взаимодействовать с рецептором (возможно многократно);
- структура ДНК изменяется за счет переноса электрона с нуклеотидов на агонист NR3C4 рецептора, при этом образуется катион-радикалы нуклеотидов;
- изменения заряда и структуры нуклеотидов, расплетание цепей ДНК являются стартовой точкой в инициации транскрипции генов.
Таким образом, в результате DFT расчетов комплексов агониста NR3C4 рецептора с фрагментом активного центра рецептора и нуклеотидами ДНК предложен возможный уточненный молекулярный механизм действия агонистов NR3C4 рецептора. Механизм заключается в том, что протонированный агонист связывается с активным центром рецептора и после транслокации в ядро клетки инициирует перенос электрона с ДНК на агонист. Затем комплекс диссоциирует, агонист депротонируется, теряет электрон и вновь может взаимодействовать с рецептором. Изменения в структуре ДНК после переноса электрона, по-видимому, являются стартовой точкой в инициации транскрипции генов РНК-полимеразой.
Библиографический список
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия агонистов NR3C4-рецептора как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2015. № 2(6). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/006-002.pdf (дата обращения: 28.11.2016).
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности лигандов динорфинового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4(8). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/008-002.pdf (дата обращения: 18.12.2016)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов дофаминового D2 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 1(9). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/009-002.pdf (дата обращения: 18.01.2017)
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. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/001-004.pdf (дата обращения: 15.11.2016)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов холецистокининового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 2. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/002-003.pdf (дата обращения: 18.12.2016)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия гормонов как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2014. № 4. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/004-004.pdf (дата обращения: 18.01.2017)
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). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/012-001.pdf (дата обращения: 18.01.2017)
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). auditorium.kursksu.ru/pdf/011-001.pdf (дата обращения: 28.11.2016) Льюин Б. Гены. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 896 с.
Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты / под ред. проф. А.И. Кубарко и проф. S. Yamashita. Минск - Нагасаки, 1998. 366 с
Chemistry of Opioids / Volume Editor H. Nagase. London: Springer, 2011. P. 277-306. Gaussian.com | Expanding the limits of computational chemistry [Сайт]. URL: www.gaussian.com (дата обращения: 8.09.2016)
Protein Data Bank [Сайт]. www.rcsb. org/pdb/home/home. do (дата обращения: 20.10.2015).
