Прогнозирование биологической активности антагонистов дофаминового d2 рецептора Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.18/577.29:577.17

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АНТАГОНИСТОВ ДОФАМИНОВОГО D2 РЕЦЕПТОРА

© 2016 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2

1 доцент кафедры химии, канд. хим. наук e-mail: moscow 1978@,mail.ru 2профессор кафедры химии, докт. хим. наук e-mail: kiiznetsovpe a mail.ru

Курский государственный университет

Предложена модель взаимодействия лигандов с дофаминовым D2 рецептором на основе квантово-химических расчетов и рентгеноструктурных данных из Protein Date Bank. Выдвинутый механизм активации дофаминового D2 рецептора заключается в образовании комплекса дважды протонированного агониста с активным центром рецептора и последующем переносе электрона с рецептора на агонист. Антагонисты также образуют комплекс с рецептором, но при этом лишь блокируют его действие в связи с невозможностью переноса электрона с рецептора на однократно протонированную молекулу антагониста. Данная модель объясняет экспериментальные данные о типе и степени активности лигандов дофаминового D2 рецептора.

Ключевые слова: лиганды дофаминового D2 рецептора, квантово-химическая модель, антагонисты и агонисты рецептора, протонирование, перенос электрона.

Лиганды дофаминового D2 рецептора формируют два класса лекарственных веществ: агонисты дофаминового D2 рецептора являются лекарствами от паркинсонизма, антагонисты дофаминового D2 рецептора являются лекарствами, действующими как нейролептики [Сергеев и соавт. 1999]. Механизм действия лигандов основан на их связывании с дофаминовым D2 рецептором [Андреев 2005].

Рассмотрим механизм действия лигандов дофаминового D2 рецептора на основе экспериментальных данных рентгеноструктурного анализа базы Protein Date Bank. Поиск показал, что в базе представлены экспериментальные данные структуры дофаминового D3 рецептора человека в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (5-хлор-3-этил-N-[[(2S)-1-этилпирролидин-2-ил] метил] -2-гидрокси-6-метоксибензамидом), который является антагонистом также и D2 рецептора; данные же по D2 рецептору отсутствуют. Ранее было установлено, что структура группы аминокислот, взаимодействующих с лигандами динорфинового, энкефалинового и эндорфинового рецепторов, одинакова. Можно предположить то же самое и в случае дофаминовых рецепторов. Под фрагментом активного центра мы понимаем несколько аминокислот рецептора, которые через водородную связь связываются с лигандами.

Структура дофаминового D3 рецептора в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (PDB 3PBL) представлена на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Структура дофаминового D2 рецептора в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (PDB 3PBL), молекула которого отмечена желтым цветом

Рис. 2. Структура дофаминового D2 рецептора в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (PDB 3PBL). Пунктиром отмечена водородная связь между аминокислотой Asp110 рецептора и антагонистом

Исследование структуры комплекса рецептора с антагонистом показало, что форма лигандов ограничена внутренней поверхностью полости, образованной фрагментом активного центра и соседними аминокислотами, а также расположением водородной связи в этой полости. Молекула лиганда фиксируется одной водородной связью. Таким образом, для того чтобы произошло электронное взаимодействие лиганда с дофаминовым D2 рецептором, необходимо прежде образовать его комплекс с рецептором с определенным геометрическим расположением атомов, образующих водородную связь. В экспериментальных данных (PDB 3PBL) взаимодействие антагониста происходит с аспарагиновой кислотой активного центра рецептора.

Рассмотрим фрагмент структуры активного центра, содержащего аспарагиновую кислоту.

Заряд фрагмента активного центра равен минус 1. Таким образом, этот фрагмент насыщен избытком электронной плотности и является ее донором. Из литературных данных известно [Андронатти и соавт. 2013], что лиганды дофаминового Э2 рецептора протонируются по аминогруппе. Таким образом, они заряжены положительно и могут являться акцепторами электронной плотности. Следовательно, можно ожидать переноса электронной плотности с рецептора на лиганды дофаминового Э2 рецептора.

Не только экспериментальные данные указывают на протонирование лигандов дофаминового Э2 рецептора по аминогруппе, но и тот факт, что на атоме азота у всех активных агонистов содержатся высокие электронные плотности на предВЗМО-уровне. Так, этот параметр составляет: у дофамина - 1,6 ат. ед., у ропинерола - 1,48 ат. ед., у прамипексола - 1,49 ат. ед., у антагониста этиклопрайда - 1,04 ат. ед. Все это говорит о том, что агонисты и антагонисты дофаминового Э2 рецептора легко протонируются по первому атому азота при условии высокой протогенности среды. Именно такая среда наблюдается на поверхности мембраны, где накапливаются протоны и где расположены дофаминовые рецепторы. Лиганд может иметь несколько акцепторов протона (атомы азота, серы, кислорода), поэтому он может протонироваться сначала по аминогруппе, а затем по второму акцептору протона при условии высокой протогенности среды. И действительно, при втором протонировании на акцепторе протона также содержатся высокие электронные плотности на ВЗМО или предВЗМО-уровнях: на ВЗМО-уровне третичного атома N каберголида - 1,47 ат. ед., на ВЗМО в п-системе бензольного кольца апоморфина - 1,47 ат. ед., на ВЗМО двойных связей С5_Сб, С8—С9 прамипексола -1,12 ат. ед.

Как показывают расчеты, при взаимодействии протонированных агонистов с дофаминовым Э2 рецептором перераспределения электронной плотности не происходит. Выше отмечалось, что второй акцептор протона также может иметь значительную электронную плотность на предВЗМО или ВЗМО-уровне. Этот атом также может протонироваться. Рассмотрим, будут ли вступать в реакцию переноса электронной плотности фрагмент активного центра рецептора и дважды протонированный агонист дофаминового Э2 рецептора на примере перголида. Упрощенная модель этого комплекса представлена на рисунке 4, а на рисунке 5 показано перераспределение спиновой плотности в этом комплексе после взаимодействия.

Фрагмент активного центра ^дофаминового Di I рецептора

Перголид

Рис. 4. Упрощенная модель комплекса фрагмента активного центра дофаминового рецептора и его дважды протонированного агониста перголида. Пунктиром показана водородная связь между агонистом и фрагментом активного центра рецептора

протонированный агонист дофаминового D2 рецептора (перголид) и фрагмент активного центра этого рецептора. Пунктиром показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами

Расчеты показали, что комплекс активного центра рецептора с лигандами находится в триплетном состоянии.

С помощью квантово-химических расчетов методом РМ3 программы HyperChem 7e [Hyper Chem Release 7 for Windows] показано, что молекула агониста представляет собой структуру, дважды протонируемую по атомам азота и по п-системе двойной углеродной связи (рис. 5). Прочная водородная связь длиной 1,6 Â связывает атом кислорода аспарагиновой кислоты рецептора и протонированный азот агониста. На аспарагиновой кислоте фрагмента активного центра рецептора находится заряд минус один, следовательно, этот фрагмент может являться донором электронов. Дважды протонированный агонист с зарядом плюс два может являться акцептором электронов.

Распределение спиновой плотности комплекса показано на рисунке 5. На валентной оболочке атомов, отмеченных на рисунке пунктиром, находится по одному электрону с параллельными спинами. До взаимодействия электроны с параллельными спинами

группировались на фрагменте активного центра рецептора. Следовательно, произошло перераспределение электронов. Так, заряд на агонисте был равен плюс двум, а стал равен плюс единице, заряд на фрагменте активного центра рецептора был равен минус единице, а после образования комплекса стал равен нулю. Следовательно, электрон перераспределился с фрагмента активного центра рецептора на агонист. Расчеты показали, что перенос электрона термодинамически выгоден, а конечное состояние комплекса намного устойчивее исходного состояния.

Таким образом, возможно, взаимодействие дофаминового Э2 рецептора с агонистами активирует перенос электрона с рецептора на агонист. Механизм взаимодействия агонистов с дофаминовым Э2 рецептором заключается в следующем:

- агонисты протонируются по аминогруппе на поверхности мембраны;

- при условии высокой протогенности среды происходит протонирование агониста по второму акцептору протона;

- затем дважды протонированные агонисты в соответствии с липофильностью диффундируют в полость активного центра рецептора;

- образуется комплекс аспарагиновой кислоты рецептора с протоном лиганда через водородную связь при условии, что лиганд стерически вписывается в полость рецептора;

- если позволяют термодинамические параметры взаимодействия, то электрон переносится с рецептора на лиганд;

- затем комплекс диссоциирует, агонисты депротонируются и снова могут выступать в качестве катализатора переноса электрона;

Нами было сделано предположение, что электрон переносится с гуанозиндифосфата (ГДФ) О-белка, связанного с трансмембранными рецепторами [Кузнецова 2014: № 4].

Таким образом, возможность одновременного протонирования двух акцепторов протона агониста является особенностью механизма реакции переноса электрона с дофаминового Э2 рецептора на агонисты.

Рассмотрим, позволяет ли предлагаемая теория отличать структуры агонистов и антагонистов этого рецептора.

В таблицах 1-3 представлены параметры протонирования второго акцептора протонов электронных структур антагонистов и агонистов.

Таблица 1

Структурные формулы и нумерация атомов лигандов дофаминового Б? рецептора

11 Ропинирол

12 Апоморфин 23 '24

Примечание: структурные формулы пронумерованы в соответствии с программой Hyper Chem 7

Таблица 2

Параметры электронной структуры антагонистов дофаминового D2 рецептора

№ Наиме- Тип актив- Характеристики электронной Фрагмент, который Вывод

нова- ности структуры протонируемого может протони-

ние атома при втором протонировании роваться при втором протони- ровании при условии высокой величины электронной плотности на протонируемом атоме

1 Галопе-ридол антагонист Отсутствует второй акцептор электрона Второе протонирование невозможно

2 Эти-клоп-райд антагонист Отсутствует второй акцептор электрона Второе протонирование невозможно

3 Клоза-пин антагонист На атомах азота (возможных акцепторах протонов) отсутствует электронная плотность Второе протонирование невозможно

4 Риспе-ридон антагонист На 4 орбитали от ВЗМО, кот., локализована ниже ВЗМО на 1,17эВ находится 1,25 ат.ед. Атом N5 Второе протонирование невозможно, т. к. электронная плотность атома азота локализована вдали от ВЗМО

5 Олан-запин антагонист На ВЗМО находится 0,63 ат. ед. Атом N13 Второе протонирование невозможно, т. к. электронная плотность на атоме азота слишком мала

6 Зипра- зидон Антагонист, частичный агонист 5-HTia рецепторов На 2 орбитали от ВЗМО, кот., локализована ниже ВЗМО на 0,06эВ находится 0,78 ат.ед. Атом N8 Возможно неустойчивое второе протонирование

7 Квети-апин антагонист На ближних к ВЗМО молекулярных орбиталях отсутствует значительная электронная плотность Второе протонирование невозможно

Таблица 3

Параметры электронной структуры агонистов дофаминового

№ Наиме- Тип актив- Характеристики электронной Фрагмент, Вывод

нование ности структуры протонируемого атома при втором протонировании который протонируется при втором протонировании

1 Кабер-голин агонист На 2 орбитали от ВЗМО, кот. локализована ниже ВЗМО на 0,36эВ, находится 1,47 ат.ед. Атом К44 Второе протонирование возможно

2 Прами- агонист На ВЗМО находится Кольцо Второе

пексол 1,12 ат.ед С5=С6, Б7, ^N9 протонирование возможно

3 Перголид агонист На ВЗМО находится 1,0 ат.ед Кольцо С7=С„, N15 Второе протонирование возможно

4 Ропини- агонист На ВЗМО находится N9, Второе

рол 0,75 ат.ед.; на ВЗМО бензольного кольца находится ~1,0 ат. ед. локализованное вблизи ароматическое кольцо протонирование возможно

5 Апомор- агонист На ВЗМО находится Кольцо Второе

фин 1,36 ат.ед С1-С6 протонирование возможно

Из табличных данных видно, что в случае агонистов протонирование второго акцептора протона возможно, а в случае антагонистов - невозможно. Напомним, что в

случае протонирования второго акцептора протона происходит перенос электрона с рецептора на лиганд.

В соответствии с таблицей 3 наиболее сильными агонистами являются каберголин и апоморфин, так как у них высокие величины электронной плотности на атомах - вторых акцепторах протона. Действительно, известно, что апоморфин и каберголин являются высокоактивными агонистами дофаминового Б2 рецептора. Однако для нас наибольший интерес представляют антагонисты, действующие как нейролептики.

Из табличных данных видно, что галоперидол и этиклопрайд являются антагонистами, так как в их молекулярных структурах отсутствует второй акцептор протонов, и второе протонирование в данном случае невозможно.

В случае клозапина и кветиапина на атомах азота - возможных акцепторах протонов - отсутствует электронная плотность, и второе протонирование также невозможно.

У молекулы оланзапина слишком мала электронная плотность на атоме азота N13.

В молекуле рисперидона электронная плотность атома азота N5 локализована на четвертой орбитали ниже ВЗМО, что препятствует протонированию.

У молекулы зипразидона величина электронной плотности на атоме азота N8 не так значительна, поэтому второе протонирование невозможно и зипразидон является антагонистом. Однако в случае низких значений рН протонирование все же может проходить, поэтому зипразидон может являться частичным агонистом.

Таким образом, в случае антагонистов не происходит переноса электрона с рецептора на лиганд, так как молекулы антагонистов не протонируются второй раз. Однако они связываются с помощью протонированной аминогруппы с рецептором через аспарагиновую кислоту и блокируют рецептор.

Таким образом, предлагаемая теория объясняет экспериментальные данные, в частности, тип активности и степень активности агонистов, которая зависит от величины электронной плотности на атомах - вторых акцепторах протона.

Рассмотрим задачу связи «структуры и активности» антагонистов дофаминового Б2 рецептора. Анализ нескольких дескрипторов показал, что значимым дескриптором является величина разности между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при первом протонировании и возможность первого протонирования.

В таблицах 4 и 5 представлены химические формулы, параметры первого протонирования и липофильность ряда антагонистов дофаминового Б2 рецептора.

Таблица 3

Химические названия антагонистов дофаминового Р2 рецептора_

№ Тривиальное название Химическое название

1 Галоперидол 4-[4-(4-хлорфенил)-4-гидроксипиперидин-1 -ил] -1 -(4-фторфенил)бутан-1 -он

2 Рисперидон 4-[2-[4-(6-фторбензо[й?]изооксазол-3-ил)-1-пиперидил]этил]-3-метил-2,6-диазобицикло [4.4.0] дека-1,3 -диен-5 -он

3 Зипразидон 5-{2-[4-(1,2-бензизотиазол-3-ил)-1 -пиперазинил] -этил }-6-хлор- 1,3-дигидро-2Я- индол-2-он

4 Оланзапин 2-метил-4-(4-метил-1 -пиперазинил)- 10Н-тиено [2,3 й][1,5] бензодиазепин

5 Клозапин 8-хлор-11 -(4-метил-1 -пиперазинил)-5Н-дибензо-[Ь,е][1,4] -диазепин

6 Кветиапин 2-(2-(4-дибензо [ЬД [ 1,4]тиазепин-11 -ил-1 -пиперазинил)-этокси)-этанол

Таблица 4

Параметры антагонистов дофаминового D2 рецептора_

№ Тривиальное название Kd, nM lg P Н, эВ № орбитали в порядке возростания энергии P, ат.ед. Локализация электронной плотности при первом протонир.

1 Галоперидол 1,3 3,38 0 0(ВЗМ0) 1,47 на атоме N

2 Рисперидон 3,1 0,63 0 0(ВЗМ0) 1,18 на атоме

3 Зипразидон 3,1 3,48 0,22 -2 0,94 на атоме

4 Оланзапин 11 1,66 0,52 -1 0,8 на атоме N8

5 Клозапин 83 3,45 0,38 -1 1,15 на атоме N

6 Кветиапин 160 2,84 0,68 -2 0,95 на атоме N

Примечание: Ка, пМ - константа диссоциации; ^ Р - липофильность;

Н, эВ - разность между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при первом протонировании;

№ - номер орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при первом протонировании;

Р, ат.ед. - электронная плотность при первом протонировании.

Как видно из табличных данных, чем меньше разность между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при первом протонировании (дескриптор Н), тем больше вероятность протонирования и тем активнее антагонист.

Коэффициент корреляции связи «структура - активность» для 6 соединений между константой диссоциации Ка и разностью Н («глубиной» локализации электрона на акцепторе протонов) составляет 0,76. Высокая величина коэффициента корреляции подтверждает адекватность рассматриваемой модели.

Таким образом, предлагаемая модель объясняет экспериментальные данные о типе и степени активности агонистов и антагонистов дофаминового Б2 рецептора. Так, антагонисты тем активнее, чем больше вероятность первого протонирования. Вероятность первого протонирования зависит от величины разности между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при первом протонировании. Этот дескриптор характеризует энергию орбитали, на которой локализована электронная плотность, необходимая для протонирования. Предлагаемый механизм действия лигандов дофаминового Б2 рецептора на молекулярном уровне заключается в образовании комплекса дважды протонированного агониста с активным центром рецептора и последующем переносе электрона с рецептора на агонист. Агонист выступает в качестве катализатора данной реакции, т.к. после диссоциации комплекса агонист депротонируется и снова может взаимодействовать с рецептором. Антагонисты блокируют рецептор, так как не могут повторно протонироваться. Данная модель объясняет экспериментальные данные о типе и степени активности лигандов дофаминового рецептора.

Библиографический список

Андреев Б.В. Атипичные антипсихотические средства нового поколения: итоги и перспективы // Обозрение психиатрии и медицинской психологии им. В.М. Бехтерева, 2005. Т. 02. № 2. С. 3-10.

Андронатти С.А., Карасева Т.Л., Замковая А.В. и др. Лиганды 5-HTiA и D2 рецепторов - К-(арилпиперазинил)бутилимиды бицикло[2.2.1]гент-5-ен-эндо-эндо-2,3-дикарбоновой кислоты и их нейротропные свойства // Журнал оргашчно'1 та фармацевтично'1 xiMiï, 2013. Т. 11. Вип. 4(44). С. 72-76.

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: 13.12.2015).

Сергеев П.В., Шимановский Н.Л., Петров В. И. Рецепторы физиологически активных веществ. Волгоград: Изд-во «Семь ветров», 1999. С. 168-215.

Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.

Protein Data Bank [Сайт]. URL: www.rcsb.org/pdb/home/home.do (дата обращения: 12.03.2015)