CC BY
0С.Д. Жамсаранова, д-р биол. наук, проф., e-mail: zhamsarans@mail.ru Д.В. Лыгденов, аспирант, e-mail: dandar-piter@mail.ru Д.В. Соколов, студент, e-mail: dim-sokol1999@mail.ru Б.А. Болхонов, студент, e-mail: hybushka4567@gmail.com Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ
УДК 641.11:577.117
СОЗДАНИЕ ГИПОТЕТИЧЕСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОРГАНИЧЕСКИХ ФОРМ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
В статье изложены результаты исследований по созданию гипотетической компьютерной модели органических форм йода, цинка и селена с низкомолекулярными пептидами. В качестве органического носителя был использован гидролизат соевого белка. С использованием приложения HyperChem v8.0 квантово-химическими, полуэмпирическими и молекулярно-динамическими методами изучены изменения молекулярных свойств, проведено квантово-механическое моделирование атомных структур. Созданы молекулярные структуры органических форм микроэлементов с аминокислотами, выполнена их геометрическая оптимизация. Были рассмотрены все возможные варианты и комбинации соединения цинка, йода и селена с четырьмя аминокислотами, в наибольшем количестве входящими в состав гидролизата соевого белка. Свидетельством корректности геометрической оптимизации, минимизации потенциальной энергии и сбалансированности энергетических свойств системы являлась величина суммарной энергии исследованных компонентов. Полученные результаты свидетельствуют о возможности связывания микроэлементов с аминокислотами.
Ключевые слова: соевый гидролизат, микронутриенты, микроэлементы, молекулярный докинг, энергия связи.
S.D. Zhamsaranova, Dr. Sc.Biology, Prof., e-mail: zhamsarans@mail.ru D.V. Lygdenov, P.G., e-mail: dandar-piter@mail.ru D.V. Sokolov, student, e-mail: dim-sokol1999@mail.ru B.A. Bolkhonov, student, e-mail: hybushka4567@gmail.ru
CREATION OF A HYPOTHETICAL COMPUTER MODEL OF ORGANIC FORMS OF MICROELEMENTS
The article presents the results ofstudies on the creation of a hypothetical computer model with the form of iodine, zinc and selenium with low molecular weight peptides. Soy protein hydrolyzate was used as an organic carrier. With the help of the HyperChem v8.0 application, using quantum-chemical, semi-empirical, and molecular-dynamic methods, molecular properties were studied, and quantum-mechanical modeling of atomic structures was carried out. Molecular structures as well as their geometric optimization have been created. All possible variants and combinations of compounds of zinc, iodine and selenium with four proteins were considered. The evidence of the correctness of geometric optimization, minimization ofpotential energy and balance of the energy properties of the system was the value of the total energy of the studied components. The results obtained indicate the possibility of binding trace elements with amino acids.
Key words: soy hydrolyzate, micronutrients, microelements, molecular docking, binding energy.
Введение
На протяжения всей жизни человек всегда нуждался и нуждается в поступлении физиологических концентраций микронутриентов. Анализ рациона питания современного человека свидетельствует об изменении структуры и качества питания, что приводит к нарушению пищевого статуса, связанного с недостаточной или избыточной концентрацией микронутриентов, поступающих в организм [1]. Микронутриенты - это вещества, необходимые в дозах от мг до мкг. Микронутриенты играют важную роль в метаболизме, а также могут обладать токсическим действием. Эти эффекты зависят от дозы микроэлемента.
26
На сегодня актуальной проблемой является недостаток микроэлементов, которые не синтезируются в организме и, следовательно, должны поступать в организм с пищей. Из-за недостаточной концентрации микроэлементов возникает множество эндемических заболеваний [2]. Так, в России, по данным Российского общества микроэлементологии, дефицит цинка в отдельных регионах достигает 30-90% [3]. По данным эпидимиологических исследований, в России обеспеченность селеном в среднем более чем у 80% населения ниже оптимального уровня. В разных регионах Российской Федераций распространенность дефицита йода и заболеваний, вызванных этим фактором, колеблется от 15 до 98% [4].
Наиболее дефицитными на территории Сибири являются йод, цинк и селен, каждый из которых выполняет специфические функции в организме, например йод - основной компонент гормонов щитовидной железы, который регулирует метаболические реакции, участвует в регуляции обмена энергии, температуры тела. Цинк необходим для синтеза белков, в том числе коллагена, и формирования костей, принимает участие в процессах деления и диффе-ренцировки клеток, формировании Т-клеточного иммунитета. Селен участвует в построении и функционировании глутатионпероксидазы, глицинредуктазы, цитохрома С - основных ан-тиоксидантных ферментов, т.е. защищает клетки организма от действия свободных радикалов [5].
Свободные ионы металлов, несущие электрический заряд, с трудом всасываются в организме; все соли микроэлементов, рекомендуемые к применению, гидролизуются с образованием практически нерастворимых гидроксидов, которые выводятся с экскрементами; ионы металлов из минеральных солей выступают катализаторами окисления витаминов, вводимых в премиксы, при котором ценность премиксов снижается. Проблема заключается в форме элемента, поступающего в организм. Так, йод - высоколетучий, цинк и селен чаще всего встречаются в природе в виде неорганических соединений [6].
Поэтому в последние годы внимание ученых сосредоточено на разработке и создании комплексных препаратов, полученных путем синтеза микроэлементов с аминокислотами или другими веществами (так называемыми хелатными соединениями микроэлементов) [7].
Известно, что микроэлементы лучше усваиваются, когда они связываются с органическими соединениями. Особый интерес представляют соединения металлов с аминокислотами, пептидами. Известно, что при образовании таких соединений наблюдаются изменения их химических, а также биологических свойств, причем ионы металлов становятся менее токсичными и могут катализировать различные биохимические процессы. Кроме того, высокая эффективность применения органических, связанных форм элементов, их более полноценная усвояемость в живом организме позволяют сократить дозы употребления в 2-3 раза [8].
Целью данной работы явилась разработка гипотетической модели связывания йода, цинка и селена с пептидами белка сои.
Материалы и методы
За основу взят метод молекулярного докинга - это метод молекулярного моделирования, который позволяет предсказать наиболее выгодную для образования устойчивого комплекса ориентацию и конформацию лиганда в центре связывания рецептора. Необходимо рассчитать положения и конформацию лиганда, при которых достигается минимум свободной энергии (ёО) связывания [9].
Объектами исследований явились низкомолекулярные пептиды соевого гидролизата. В компьютерной среде Нурег^ет v8.0 [10] поэтапно разработана одна наиболее вероятная гипотетическая модель химического взаимодействия солей цинка, йода и селена с низкомолекулярными пептидами соевого гидролизата. Для наиболее вероятного подтверждения существования возможного варианта связывания молекул мы ориентировались на энергию связи, рассчитанную с помощью полуэмперического метода (РМ3) [11], так как известно из теорий об энергии химической связи: чем отрицательнее суммарная энергия молекулы, тем устойчивее
и стабильнее молекула. Исходя из этого принципа, литературных данных, а также баз данных белковых молекул [12] были разработаны гипотетические модели возможных связей молекул, содержащих органические формы цинка, йода и селена.
Результаты и их обсуждения
В первую очередь был проанализирован аминокислотный состав соевого гидролизата.
Как следует из данных, полученных Н.Я. Пивоваровым и др. [13], в наибольшем количестве в соевом гидролизате содержатся следующие аминокислоты: аспарагиновая кислота, глу-таминовая кислота, фенилаланин и аргинин.
Атом цинка может быть связан с аминокислотами по типу белковой структуры «ЦИНКОВЫЙ ПАЛЕЦ» (рис. 1), что представляет собой тип белковой структуры, стабилизированный одним или двумя ионами цинка, связанными координационными связями с аминокислотными остатками белка.
Рисунок 1 - Схема «цинкового пальца»
На рисунке 2 предложены наиболее вероятные варианты моделей взаимодействия цинка с аминокислотными остатками.
Рисунок 2 - Возможные варианты взаимодействия функциональных групп аминокислот с цинком
Были построены четыре возможные связи с аминокислотами в программе Hyper-Chemv 8.0 и рассчитаны энергии связи. В результате было получено, что наибольшей энергией связи (равной E=-2409,4081 Kcal/mol) обладал аргинин (табл. 1).
Таблица 1
Энергия связи разных аминокислот
Название аминокислоты Энергия связи (E), Kcal/mol
Глутаминовая кислота -1865,2609
Аспарагиновая кислота -1695,6231
Фенилаланин -2412,8448
Аргинин -2409,4081
Были рассмотрены варианты взаимодействия цинка через КЫК^п-КЫ и O-Zn-O. Из расчетов было получено, что наибольшей энергией связи (Е=-9298,4455 Кса1/то1) обладал цинк, соединенный с аргинином через (рис. 3). В дальнейшем было решено использовать
именно эту модель в качестве прототипа молекулы, содержащей атом цинка.
Е= -9298,4455 Е= -3756,7771
Рисунок 3 - Возможные варианты взаимодействия цинка с аминокислотами (2Б)
Следующим шагом было рассмотрение взаимодействия цинка с четырьмя аминокислотными остатками (аспарагиновой кислотой, аргинином, глутаминовой кислотой, фениалалани-ном), связанными с цинком через ЫК^п-КЫ (рис. 4). Анализ показал, что наибольшей энергией связи (Е=-9298,4455 Кса1/то1) обладал аргинин (табл. 2), и в последующих расчетах брали именно эту модель.
1Ч>-/11-М>+4Лс11ара1 иновой кислоты
Â>
О'
о.
Zn
X
с'
■N ^С-О^
N
4N «с N.
-о -о
V
О
NN-Zn-NN+4Глyтaминoвoй кислоты
с'
о
- -о
Zn
,C'C С -N
"N-cf
O.
X
C—
N'C
NX-Zn-N>+4AprnHiiHa
,P
Л
с'
о
o"
Zn
ff
o.
SCJ
о _o
с
•Co o^
N\-/.n-NN+4<l>i'i[ii.ia.iaii[ina
/f 4\
с с
£ C=C
с xc c=c с г'
^.C . >s /У
N
"c=c
■o
^.C-C^i
с c^ с sc=C
Рисунок 4 - Возможные варианты взаимодействия цинка с аминокислотами и расчетные энергии связи этих взаимосвязей (2Б)
Таблица 2
Аминокислоты и рассчитанные энергии связи с цинком
Название аминокислоты Энергия связи (Б), Kcal/mol
Аспарагиновая кислота -5993,7668
Глутаминовая кислота -7349,4223
Фенилаланин -9362,9666
Аргинин -9298,4455
Что касается фенилаланина, то в предыдущих аналитических расчетах и на основе результатов ИК спектрометрий было установлено, что йод не связывается с молекулами по бензольному кольцу, поэтому было решено не отбрасывать этот вариант, но при этом и не полагаться на него [16].
Селен может связываться с карбоновыми кислотами, а также цистеином, замещая молекулу серы (рис. 5) [14].
Рисунок 5 - Возможные варианты взаимодействия селена с функциональными группами аминокислот
Рассмотрели случаи, когда атом селена находится слева, справа, по обе стороны от цинка и когда атом серы замещен на атом селена в цистеине, оказалось, что наибольшая энергия связи (Б=-9778,9912 Kcal/mol) будет в том случае, когда атом селена будет находиться по обе стороны относительно цинка (табл. 3).
Таблица 3
Энергия связи разных моделей взаимодействия с селеном
Положение атома селена Энергия связи Kcal/mol
Взаимодействие селена с цистеином -3756,7771
Селен справа относительно цинка -9650,1621
Селен слева относительно цинка -9592,7740
Селен по обе стороны относительно цинка -9778,9912
Атом йода может взаимодействовать с аминогруппой, замещая один атом водорода, также может взаимодействовать с углеродом в остатке аминокислоты, также замещая один атом водорода, и последний вариант - садится на аминокислотное кольцо, также замещая атом водорода (рис. 6) [15].
Рисунок 6 - Возможные варианты взаимодействия йода с функциональными группами аминокислот
Как следует из структурных формул аминокислот, имеется большое количество активных центров, по которым может произойти связывание йода. Была изучена зависимость энергий связи гипотетической молекулы от количества атомов йода в молекуле. Модель молекулы, имеющая в себе один атом йода, имела наибольшую энергию связи (Е = -9695,0189 Kcal/mol). Поэтому решили строить на основе гипотетической модели, содержащей один атом йода (рис. 7).
К1Ч-7п-т+4Аргиш1на+28е+31 на 3]\Н2 ^гп№тАргинина+28е+21 на 2М12
группы(З)
с**
с'*' с
с. ОТ' о
Бе.. / Г,С
Ъп
N N4
N
О
Е=-9598,6998
С
группы(4)
С**
с
•гг ^с-
О'
о» о -,
-с» "" 2п - „
X
N N.
Е=-9640,4057
0г о ^ / О^ ^О
-с. с
>еч * эе-'
NN+4Aprининa+2Se+I на >Н2 группу в положении В(5)
Рисунок 7 - Возможные варианты органических форм йода в зависимости от количества атомов йода (2D)
Е=-9695,0189
На следующем этапе нужно было выяснить, с какой группой (ЫИ или ЫЫИ2) будет присоединяться атом йода так, чтобы энергия связи была наибольшей (рис. 8). Наибольшей энергией связи (Е=-9693,2487 Кса1/то1) обладала модель молекулы, в которой атом йода присоединялся на (ЫИ2) - группу (табл. 4).
3 2
Рисунок 8 - Возможные варианты расположения атома йода в аргинине
Таблица 4
Энергия связи в зависимости от положения атома йода
Положение атома йода Энергия связи (E), Kcal/mol
Атом йода в положение 1 E=-9693,2487
Атом йода в положение 2 E=-9590,6392
Атом йода в положение 3 E=-9590,1389
Далее следовало выяснить, в каком из положений (А, В, С, Б) будет наибольшая энергия связи, если йод присоединится с (N112) группой (рис. 9).
Рисунок 9 - Возможные варианты органической формы йода в зависимости от связывания с азотом или аминогруппой в аргинине (3Б)
Энергия связи больше, если атом йода присоединяется в положении В (Е=-9695,0189 Кса1/то1) (табл. 5).
Таблица 5
Энергия связи в зависимости от положения атома йода в модели
Положение йода Энергия связи (E), Kcal/mol
Положение А E=-9694,3482
Положение В E=-9695,0189
Положение С E=-9694,8145
Положение Б E=-9692,7556
Таким образом, на основе полученных данных можно утверждать, что наиболее вероятный комплекс аминокислоты, соединенный с цинком, селеном и йодом, представлен ниже. (NN-Zn-NN+4Аргинина+2Se+I на :Ш2-группу в положении B (-9695,0189 Kcal/mol)). Этот комплекс обладал наибольшей энергией связи ^=9695,0189 Kcal/mol).
Рисунок 10 - Гипотетическая модель органической формы йода, цинка и селена: a - 2D; b - 3D
Заключение
В результате проведенных исследований была разработана гипотетическая модель одного из наиболее вероятных вариантов, содержащих комплекс аминокислот, связанный с цинком, йодом и селеном. Экспериментальный синтез, а также изучение спектрометрических характеристик вероятных моделей связывания микроэлементов с аминокислотами пептидов соевого гидролизата позволят выяснить достоверность данных моделей и послужат основой для разработки функционального ингредиента, необходимого при создании продуктов, обогащенных микроэлементами.
Библиография
1. Коденцова В.М. [и др.]. Витаминно-минеральные комплексы в питании взрослого населения // Вопросы питания. - 2015. - № 6. - С. 141-150.
2. Пастушкова Е.В., Мысаков Д.С., Чугунова О.В. Некоторые аспекты фактора питания и здоровья человека // The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium". - 2016. - Vol. 18, N 4.
- P. 67-71.
3. Кудрин В.С. Мониторинг медицинской деятельности в системе ее комплексной оценки // Проблемы социальной медицины, здравоохранения и истории медицины. - 2001. - № 2. - С. 26-28.
4. Минина Л.А. [и др.]. Селендефицит у населения Забайкалья // Геохимическая экология и биохимическое изучение таксонов биосферы: материалы IV Рос. биохимич. школы. - М.: Наука, 2003. -С.238-239.
5. Жамсаранова.С.Д., Пластинина З.А. Биохимия микронутриентов: учеб. пособие. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2013. - 164 с.
6. Зайналабдиева Х.М., Арсанукаев Д.Л. Алиментация стабилизированных микронутриентов -способ оптимизации физиолого-биохимических показателей крови // Материалы конференции «Ветеринарная медицина - теория, практика и обучение». - СПб., 2006. - С. 38-41.
7. Занкевич А.Ю., Анисимов А.И., Козлов В.П. и др. Кормовая добавка для сельскохозяйственных животных и птицы. ЗАО «Белгород, з. лимон. кислоты» (ЗАО «Цитробел») // № 2000121604/13. - 2001.
- № 3.
8. ДедовИ.И., МельниченкоГ.А., Трошина Е.А. Дефицит йода - угроза здоровью и развитию детей в России. - 2006. - С. 123-124.
9. Гуреев М.А., Кадочников В.В., Порозов Ю.Б. Молекулярный докинг и его верификация в контексте виртуального скрининга // Редакционно-издательский отдел Университета ИТМО 197101. -СПб., 2018. - 48 с.
10. Полещук О.Х., Кижнер Д.М. Методические указания к лабораторным работам по компьютерному моделированию химических реакций. - Томск: Изд-во ТГПУ, 2006. - 146 с.
11. Блатов В.А., Шевченко А.П., Пересыпкина Е.В. Полуэмпирические расчетные методы квантовой химии. - 2-е изд. - Самара: Изд-во «Универс-групп», 2005. - 32 с.
12. Protein Data Bank. - URL: http://www.rcsb.org/
13. Пат. RU №2073012 Способ получения белкового гидролизата из растительного сырья / Пивоваров Н.Я., Драчев Г.Ю., Гребень В.П., Драчев Ю.Ф. - Заявл. 11.11.1994; опубл. 10.02.1997.
14. Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С. и др. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных О-28 элементов. - 4-е изд. стер. - М.: Высш. шк., 2003. - 560 с.: ил.
15. Аминокислоты. Свойства аминокислот. - URL: https://www.calc.ru/Aminokisloty-Svoystva-Aminokislot.html
16. Сордонова Е.В., Жамсаранова C^., Лыгденов Д.В. Разработка и характеристика органических производных йода и цинка // Вестник ВСГУТУ. -2018. - № 2. -С. 73-80.
Bibliography
1. Kodentsova V.M. Vitamin-mineral complexes in the diet of the adult population // Nutrition Issues. -2015. - N 6. - P. 141-150.
2. PastushkovaE.V., MysakovD.S., Chugunova O.V. Some aspects of nutrition and human health // The Journal of Scientific Articles "Health and Education Millennium". - 2016. - Vol. 18. - N 4. - P. 67-71.
3. Kudrin V.S. Monitoring of medical activity in the system of its integrated assessment // Problems of social medicine, health care and medical history. - 2001. - N 2. - P. 26-28.
4. Minin L.A. [et al.]. Selenium deficiency in the population of Transbaikalia // Geochemical ecology and biochemical taxons of the biosphere: Materials of the IVth Russian biochemical schools. - M.: Science, 2003. - P. 238-239.
5. Zhamsaranova.S.D., Plastinina.Z.A. Biochemistry of micronutrients: study guide. - Ulan-Ude: Publishing house of ESSUTM, 2013. - 164 p.
6. Zainalabdiev Kh.M., Arsanukaev D.L. Alimization of stabilized micronutrients method of optimizing physiological and biochemical blood parameters // Proceedings of the conference "Veterinary medicine - theory, practice and training". - SPb., 2006. - P. 38-41.
7. Zankevich A.Yu., Anisimov A.I., Kozlov V.P. et al. Feed additive for farm animals and poultry. CJSC "Belgorod citric acid plant" (CJSC "Citrobel") // № 2000121604/13. - 2001. - N 3.
8. Dedov I.I., Melnichenko G.A., Troshin E.A. Iodine deficiency is a threat to the health and development of children in Russia. - M., 2006. - P. 123-124.
9. GureevM.A., Kadochnikov V.V., Porozov Yu.B. Molecular docking and its verification in the context of virtual screening // The Editorial and Publishing Department of ITMO University 197101. - SPb., 2018. -48 p.
10. Poleschuk O.Kh., Kizhner D.M. Guidelines for laboratory work oncomputer simulation of chemical reactions. - Tomsk: TGPU, 2006. - 146 p.
11. Blatov V.A., Shevchenko A.P., Peresypkina E.V. Semiempirical Calculation Methods of Quantum Chemistry: second edition. - Samara: Publishing house of Univers-group, 2005. - 32 p.
12. Protein Data Bank. - URL: http://www.rcsb.org/
13. Patent RU N 2073012 Method for producing protein hydrolyzate from vegetable raw materials / Pivovarov N.Ya., Drachev G.Yu., Greben V.P., Drachev Yu.F.
14. Ershov Yu.A., Popkov V.A., Berlyand A.S. et al. General Chemistry. Biophysical chemistry. Chemistry of biogenic O-28 elements-4th ed. erased. - M.: Higher Sc., 2003. - 560 p.: ill.
15. Amino acids. Properties of amino acids. - URL: https://www.calc.ru/Aminokisloty-Svoystva-Ami-nokislot.html
16. Sordonov E.V., Zhamsaranova C.D., Lygdenov D.V. Development and Characterization of Organic Derivatives of Iodine and Zinc // Bulletin of ESSUTM. - 2018. - N 2. - P. 73-80.
