CC BY
70
УДК 544.18/577.29:577.17
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЛИГАНДОВ КАППА-ОПИОИДНОГО РЕЦЕПТОРА
© 2015 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2
1 доцент кафедры химии, канд. хим. наук e-mail: moscow1978@mail.ru
2
профессор кафедры химии, докт. хим. наук e-mail: kuznetsovpe@mail.ru
Курский государственный университет
На основе ренггеноструктурных данных из Protein Date Base и квантово-химических расчетов взаимодействия лигандов с каппа(к)-опиоидным рецептором предложена модель взаимодействия агонистов и антагонистов к-опиоидного рецептора. Предлагаемый механизм молекулярного действия заключается в том, что дважды протонированные агонисты инициируют перенос электрона с рецептора на агонист. Согласно предложенной модели антагонисты блокируют реакцию переноса электрона. Адекватность предлагаемой модели подтверждается тем, что она объясняет экспериментальные данные о типе и степени активности лигандов к-опиоидного рецептора.
Ключевые слова: квантово-химическая модель, лиганды к-опиоидного рецептора, протонирование, антагонисты и агонисты рецептора, перенос электрона.
Опиоидные анальгетики являются лекарственными препаратами, действующими как обезболивающие средства [Кукес 2012]. Агонисты к-опиоидного рецептора не вызывают физической зависимости в отличии от агонистов мю-опиоидного рецептора [Carlezon 2009]. Механшм действия агонистов основан на их связывании с к-опиоидными рецепторами и последующей аналгезии [Lemos 2011].
Рассмотрим механизм действия к-опиоидных лигандов на основе экспериментальных данных рентгеноструктурного анализа базы Protein Date Base.
Структура к-опиоидного рецептора в комплексе с антагонистом JDTic (PDB 4DGH) представлена на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Структура к-опиоидного рецептора в комплексе с антагонистом JDTic (PDB 4DGH), молекула которого отмечена желтым цветом
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 2. Структура к-опиоидного рецептора в комплексе с антагонистом JDTic (PDB 4DGH).
Зеленым отмечена водородная связь между аминокислотой Asp138 рецептора и антагонистом
Активный центр рецептора имеет конусообразное строение. Следовательно, форма лигандов ограничена внутренней поверхностью конуса. Молекула лиганда фиксируется несколькими водородными связями. Таким образом, для того чтобы произошло электронное взаимодействие лиганда с к-опиоидным рецептором, необходимо прежде образовать его комплекс с рецептором с определенным геометрическим расположением атомов, образующих водородные связи.
Были исследованы и другие экспериментальные данные рентгеноструктурного анализа базы Protein Date Base-PDB 4DKL (комплекс мю-опиоидного рецептора с антагонистом морфинаном) и PDB 4EJ4 (комплекс дельта-опиоидного рецептора с антагонистом налтриндолом). Эти данные показали, что взаимодействие лигандов опиоидных рецепторов происходит с аспарагиновой кислотой активного центра рецептора, но в образовании комплекса иногда участвует также и тирозин активного центра рецептора, образуя водородную связь с лигандом. Кроме того, было установлено, что структура ближайших к аспарагиновой кислоте аминокислот мю-, каппа- и дельта-рецепторов одинакова.
Рассмотрим фрагмент структуры активного центра, содержащего аспарагиновую кислоту.
Рис. 3. Структура активного центра к-опиоидного рецептора
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Прогнозирование биологической активности
лигандов каппа-опиоидного рецептора
Из рисунка видно, что заряд фрагмента активного центра равен -1. Кроме того, два тирозина являются донорами электронной плотности, так как обладают подвижными п-электронами. Таким образом, этот фрагмент насыщен избытком электронной плотности и является ее донором. Из литературных данных известно [Chemistry of Opioids 2011], что все лиганды к-опиоидного рецептора протонируются. Таким образом, они заряжены положительно и могут являться акцепторами электронной плотности. Следовательно, можно ожидать переноса электронной плотности с рецептора на лиганды к-опиоидного рецептора. Расчеты показали, что комплекс активного центра рецептора с лигандами находится в триплетном состоянии, так как синглетное состояние этого комплекса, видимо, не существует (нет самосогласования при расчетах методом РМ3).
В пользу протонирования указывает и тот факт, что на атоме азота у всех активных агонистов к-опиоидного рецептора содержатся высокие электронные плотности на ВЗМО-уровне. Так, у активных агонистов к-опиоидного рецептора этот параметр составляет: у CI-977 - 1,38 ат. ед., у NS-22 - 1,09 ат. ед., у KNT-62 - 1,42 ат. ед., у 2-S-Tifluadom - 1,09 ат. ед., у KNT-63 - 1,44 ат. ед. Все это говорит о том, что лиганды к-опиоидного 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 опиоидные рецепторы. Лиганд может иметь один или более атомов азота или иных акцепторов протона (атомы серы, кислорода). Пронумеруем атомы азота по убыванию на них электронной плотности на ВЗМО-уровне.
Как показывают расчеты, перераспределения электронной плотности при взаимодействии протонированных агонистов с к-опиоидным рецептором не происходит. На втором атоме азота также может иметься значительная электронная плотность на ВЗМО-уровне. Этот атом также может протонироваться. Рассмотрим, будут ли взаимодействовать молекулярные орбитали рецептора, находящегося в виде цвиттер-иона, и дважды протонированного агониста к-опиоидного рецептора на примере тифлюадома (tifluadom). Упрощенная модель этого комплекса представлена на рисунке 4, а на рисунке 5 показано перераспределение спиновой плотности в этом комплексе после взаимодействия.
Рис. 4. Упрощенная модель комплекса активного центра к-опиоидного рецептора и его дважды протонированного агониста тифлюадома. Пунктиром показана водородная связь между агонистом и активным центром рецептора
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 5. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего дважды
протонированный агонист к-опиоидного рецептора (тифлюадом) и активный центр этого рецептора.
Пунктиром показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами
Как показано в результате квантово-химических расчетов методом РМ3, молекула агониста представляет собой структуру, дважды протонируемую по атомам азота и серы (рис. 5). Активный центр рецептора представляет собой несколько аминокислот с зарядом минус один на аспарагиновой кислоте. Водородная связь длиной 1,7 А связывает протонированный азот агониста и атом кислорода аспарагиновой кислоты рецептора. Активный центр рецептора находится в виде цвиттер-иона, и его заряд равен минус единице, следовательно, этот фрагмент может являться донором электронов. Заряд дважды протонированного агониста равен плюс двум, следовательно, агонист может являться акцептором электронов. С помощью расчетов было установлено, что основное состояние комплекса соответствует состоянию с мультиплетностью равной трем, так как синглетное состояние данного комплекса не существует (нет самосогласования).
Распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов, показано на рисунке 5. В каждой из областей, отмеченных на рисунке пунктиром, находится на валентной оболочке по одному электрону с параллельными спинами. До образования комплекса электроны с параллельными спинами находились на фрагменте активного центра рецептора (два электрона). Следовательно, произошло перераспределение электронов. Так, заряд на активном центре рецептора был равен минус единице, а после взаимодействия стал равен нулю. Заряд на протонированном агонисте был равен плюс двум, а стал равен плюс единице. Следовательно, электрон перераспределился с активного центра рецептора на агонист. Расчеты показали, что перенос электрона термодинамически выгоден, а конечное состояние комплекса намного устойчивее исходного состояния.
Таким образом, возможно, присоединение к активному центру дважды протонированного агониста к-опиоидного рецептора может инициировать перенос электрона с рецептора на агонист. Механизм взаимодействия агонистов с к-опиоидным рецептором заключается в следующем:
• агонисты дважды протонируются на поверхности мембраны;
• затем проникают в активный центр рецептора, если позволяет их липофильность;
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Прогнозирование биологической активности
лигандов каппа-опиоидного рецептора
• образуют комплекс через водородную связь с аспарагиновой кислотой активного центра рецептора, если нет стерических препятствий;
• после переноса электрона на лиганд комплекс диссоциирует, агонисты депротонируются и вновь могут взаимодействовать с рецептором (возможно, многократно);
• электрон, видимо, переносится по цепочке пептидных связей с гуанозиндифосфата (ГДФ) G-белка, связанного с опиоидным рецептором [Кузнецова, Кузнецов 2014]. В результате ГДФ распадается и заменяется на гуанозинтрифосфат. Вместе с субъединицей G-белка взаимодействие передается далее на аденилатциклазу.
Расчеты показали, что особенностью этого механизма является возможность одновременного протонирования двух атомов азота лиганда.
В рамках предложенного механизма действия лигандов к-опиоидного рецептора рассмотрим, чем отличаются структуры агонистов и антагонистов этого рецептора.
Ниже в таблице 1 представлены расчетные данные электронных структур антагонистов, где отражены параметры протонирования второго атома - акцептора протонов.
Таблица 1
Характеристики электронной структуры антагонистов к-опиоидного рецептора
№ Наиме- нование Тип актив -ности Характеристики электронной структуры протонируемого атома при втором протонировании Фрагмент, который протонируется при втором протонировании Вывод
1 Налок- сон антагонист На 3 орбитали от ВЗМО, кот., локализована ниже ВЗМО на 1,71эВ находится 1,02 ат.ед. С=О Второе протонирование невозможно
2 Нал- трексон антагонист На 3 орбитали от ВЗМО, кот., локализована ниже ВЗМО на 1,72эВ находится 1,04 ат. ед. С=О Второе протонирование невозможно
3 Бупре- норфин Антагонист, частичный агонист п-электроны ароматич. кольца Ароматич. кольцо Возможно неустойчивое протонирование ароматич. кольца
4 Налтрин- дол антагонист На ВЗМО ат. N находится 0,45 ат. ед. Атом N Второе протонирование невозможно
5 5- гуанидин оналт- риндол антагонист При первом протонировании -на 4 орбитали от ВЗМО, кот., локализована ниже ВЗМО на 1,18 эВ находится 1,33 ат. ед. Атом N Первое протонирование невозможно
6 JDTic антагонист Расчеты показали, что нет переноса электрона с рецептора на дважды протонированный лиганд
Из табличных данных видно, что в случае налоксона и налтрексона на ВЗМО повторно протонируемого атома кислорода С=О-группы электронная плотность практически отсутствует. Значительная электронная плотность в ~ 1 ат. ед. присутствует на этом атоме на орбитали, находящейся на 1,7 эВ ниже ВЗМО. Преодоление барьера >1,7 эВ для перехода электронной плотности с этой орбитали на ВЗМО маловероятно. Поэтому второго протонирования не происходит.
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Бупренорфин является антагонистом потому, что он повторно не протонируется. Однако здесь возможно неустойчивое повторное протонирование ароматического кольца, поэтому бупренорфин является частичным агонистом.
У налтриндола слишком мала электронная плотность на атоме азота, и повторное протонирование невозможно.
В случае с JDTic протонирование возможно, но переноса электрона не происходит, так как нет переноса электрона с рецептора на дважды протонированный лиганд, как показали квантово-химические расчеты.
В случае 5-гуанидиноналтриндола (GNTI) при первом протонировании электронная плотность атома азота локализована на четвертой орбитали ниже ВЗМО, поэтому протонирование невозможно.
Следует отметить также, что pH среды для разных опиоидных рецепторов может отличаться. Поэтому антагонисты могут иметь определенную специфичность по отношению к рецепторам. В одной pH среды бензольные кольца будут протонироваться, а в другой нет. Поскольку протонирование по ароматическому кольцу неустойчивое, то и антагонисты (бупренорфин) будут частичными.
Таким образом, антагонисты отличаются от агонистов тем, что они не протонируются второй раз и поэтому не происходит переноса электрона с рецептора. Однако они протонируются по первому атому азота и связываются через аспарагиновую кислоту с рецептором и поэтому могут являться его лигандами.
Таким образом, мы получаем адекватную и непротиворечивую теорию, которая объясняет экспериментальные данные, в частности, почему соединения являются агонистами, антагонистами или частичными антагонистами.
Рассмотрим задачу связи «структуры и активности» агонистов к-опиоидного рецептора. Анализ 10 дескрипторов показал, что значимыми дескрипторами являются:
- разность между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность (Н);
- электронная плотность при втором протонировании (P), отражающая вероятность протонирования;
- а также номер орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при протонировании (N).
В таблицах 2 и 3 представлены структурные формулы, характеристики второго и первого протонирования и липофильность ряда агонистов к-опиоидного рецептора.
Таблица 2
Структурные формулы лигандов к-опиоидного рецептора_____________
№ Шифр Тривиальное название Структурная формула
1 (-)-Brema- zocine Бремазоцин
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Прогнозирование биологической активности
лигандов каппа-опиоидного рецептора
2 С1-977 Энадолин
3 KNT-63 Морфинан V*
4 NS-22 Морфинан
5 KNT-62 Морфинан у
6 (+)-(2S)- Tifluadom Тифлюадом
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
7 TRK-820 Морфинан
8 U-69593 Арилацетамид
9 U-62066 Спирадолин
10 Salvinorin A Сальвинорин А
11 SN-28 Сигма-агонист
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Прогнозирование биологической активности
лигандов каппа-опиоидного рецептора
12 Морфин Морфин в;л
13 Пептид MP-16 Пептид МР-16 Tyr-C[D-Cys-Phe-D-Cys]-NH2
14 TPI 614-1 Бициклический гуанидин У
15 U-50, 488H Арилацетамид
16 TAN-67 Сигма-агонист
Таблица 3
П Параметры агонистов к-опиоидного рецептора ___________
№ Шифр Ki, nM lg P Н1, эВ N1 P1, ат.ед. Локализация электронной плотности при втором протонировании Н2, эВ N2 P2, ат.ед. Локализация электронной плотности при первом протонир.
1 (-)- Brema- zocine 0,08 3,62 0 0(ВЗМО) 1.72 в фенильном кольце в сумме с электронной плотностью атома кислорода О34 0,16 1-2 1.39 на атоме N1
2 CI-977 0,11 1,49 0 0(ВЗМО) 1.78 в циклической системе п-электронов (в двух 0 0 1.38 на атоме N27
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
кольцах)
3 KNT- 63 0,11 2,9 0 0(ВЗМО) 1.42 в ароматической системе п-электронов в сумме с электронной плотностью атома азота N37 0,23 1-2 1.44 на атоме N3
4 NS-22 0,135 3,32 0 0(ВЗМО) 1.46 в ароматической системе п-электронов 0 0 1.09 на атоме N3
5 KNT- 62 0,152 2,9 0 0(ВЗМО) 1.42 в ароматической системе п-электронов в сумме с электронной плотностью атома азота N37 0,09 1-2 1.42 на атоме N3
6 (+)- (2S)- Tiflua- dom 0,17 2,69 0 0(ВЗМО) 1.08 на атоме серы 0 0 1.09 на атоме N32
7 TRK- 820 0,21 0,94 0 0(ВЗМО) 1.47 в циклической системе п-электронов и в двойной связи С=С 0,33 3 1.17 на атоме N3
8 U- 69593 1,18 2,1 1,26 3 1.19 на атоме азота N3, 0 0 1.4 на атоме N27
9 U- 62066 8,4 3,13 2,01 5 1.09 на атоме азота N8, 0 0 1.87 на атомах с системой п-электронов и в двойных связях: С31=С37, С34=С35. Протонирование по атому С37
10 Salvino rin A 9 0,09 0 0(ВЗМО) 1.17 на атоме О42 0 0 1.4 на атоме N27
11 SN-28 10,2 4,55 1,31 4 1.41 на атоме азота N13 0,17 1-2 1.12 на атоме N1
12 Мор- фин 33.7- 151 1,53 1,52 3 1.51 на атомах с двойной связью С20=С21 0 0 1.16 на атоме N3
13 Пептид MP-16 38,7 0,1 0,19 0-1 3.7 на атомах углерода фенильного кольца 0,6 3 1.37 на атоме N1
14 TPI 614-1 39 5,27 1,6- 1,88 6-7 0.88 на атоме N2 0 0 1.3 на ат. C3=N4-N8, протонирование по атому N4
15 U-50, 488H 114 (0,7) 3,91 2,5 6 1.02 на атоме N8 0 0 1.24 на атоме N27
16 TAN- 67 732,5 4,5 1,27 4 1.45 на атоме N13 0,11 3 1.42 на атоме N1
Примечание: Kb nM - константа связывания; lg P - липофильность;
Hi, эВ - разность между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при втором протонировании; Н2, эВ - разность между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при первом протонировании; N1 - номер орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при втором протонировании; N2 - номер орбитали, на которой находится значительная электронная плотность при первом протонировании; P1, ат.ед. - электронная плотность при втором протонировании, отражающая вероятность протонирования; P2, ат.ед. - электронная плотность при первом протонировании.
Анализ электронных параметров агонистов к-опиоидного рецептора показывает, что вероятность первого протонирования высока для всех соединений, кроме TAN-67 (№16), пептида МР-16 (№ 13) и TRK-820 (№ 7), у которых электронная плотность
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (08)
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Прогнозирование биологической активности
лигандов каппа-опиоидного рецептора
локализована на третьей орбитали ниже ВЗМО. Поэтому эти соединения можно не учитывать в рассматриваемой выборке. Соединение № 10 (Salvinorin A) обладает необходимыми параметрами как акцептор протонов, но его липофильность мала, поэтому это соединение также можно не учитывать. Проанализируем электронные параметры второго протонирования. Коэффициент корреляции связи «структура - активность» для 12 соединений между константой связывания К и разностью (Н1) между энергией ВЗМО и энергией нижележащей орбитали, на которой находится значительная электронная плотность электрона, при втором протонировании составляет 0,74. Коэффициент корреляции связи «структура - активность» для 12 соединений между константой связывания К и номером орбитали, на которой находится значительная электронная плотность, при втором протонировании (N1) составляет 0,7. Коэффициент корреляции связи «структура - активность» для соединений №№ 1-7 между константой связывания К и электронной плотностью на ВЗМО-уровне при втором протонировании (Р1) составляет 0,84. Высокие величины коэффициентов корреляции подтверждают адекватность рассматриваемой модели.
Таким образом, предлагаемая модель объясняет экспериментальные данные о типе и степени активности лигандов к-опиоидного рецептора. На основе исследований электронной структуры агонистов и антагонистов к-опиоидного рецептора и их комплексов с активным центром рецептора предложен механизм действия лигандов к-опиоидного рецептора на молекулярном уровне. Механизм заключается в том, что дважды протонированный агонист связывается с активным центром рецептора и катализирует реакцию переноса электрона с рецептора на агонист. После переноса электрона на лиганд комплекс диссоциирует, агонист депротонируется и вновь может взаимодействовать с рецептором. Антагонисты же блокируют реакцию переноса электрона, так как их повторное протонирование невозможно. Адекватность предлагаемой модели подтверждается тем, что она объясняет экспериментальные данные о типе и степени активности лигандов к-опиоидного рецептора.
Библиографический список
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: 14.06.2015).
Кукес В.Г. Клиническая фармакология и фармакотерапия: учебник. 3-е изд., перераб. и доп. / под ред. В.Г. Кукеса, А.К. Стародубцева. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2012. С. 594-613.
Carlezon, W.J. Kappa-opioid ligands in the study and treatment of mood disorders / W.J. Carlezon, C. Beguin, A.T. Knoll [et al.] // J. Pharmacol. and Ther. 2009. 123(3). Р. 334343.
Chemistry of Opioids / Volume Editor H. Nagase. London: Springer, 2011. P. 277-306.
Lemos, J.C. Kappa-opioid receptor function / J.C. Lemos, C. Chavkin // Opiate receptors edited by Pasternak G.W. 2011. P. 226-305.
