CC BY
21
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
УДК 539.1:577.127:547.972
ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИСТАМИНА НА КЛЕТОЧНЫЙ ФОСФАТИДИЛХОЛИН
НАСИБУЛЛИН Р.С., КУЗНЕЦОВА М.В., ФАХРЕТДИНОВА Д.И.
Башкирский государственный медицинский университет, 450000, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Ленина, 3
АННОТАЦИЯ. Методами спектроскопии ЯМР 13С и квантовой химии исследован механизм комплексообразования лецитин-гистамин. Определены изменения электронного строения и конформационных состояний лецитина.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: квантово-химические расчеты, ЯМР спектроскопия, фосфатидилхолин, гистамин, молекулярный механизм.
Молекула 4-(2-Аминоэтил)-имидазола (гистамин) представляет собой пятичленный гетероцикл с двумя атомами азота, связанный с аминовой группой (рис. 1). Интерес к указанной молекуле вызван чрезвычайно широким и разнообразным спектром ее биологической активности. Молекула гистамина является участником процессов регулирования жизненно важных функций организма. В свободном состоянии гистамин вызывает расширение капилляров и увеличение проницаемости их стенок. Особый интерес вызывает защитные свойства гистамина при радиоактивном поражении организма.
Hl2 Hl
N3-C4-C6-C7-N»
■C2. \ /C5\JH
213 H15
C29H
O.
P2'5
__--Njg--__
C22H2 I \ C19H3 ^C23H
/ \
27 O O24
C21H3 C20H3
O28
/ O26
C30H-C32H2-O-C-(CH2)i6-CH3
O31 ll
\ H O C33-(CH2)7-C^CH-(CH2)7-CH3
H
6
H
H
11
H
9
O34
а
в
Рис. 1. Комплекс лецитина с гистамином
Хотя гистамин достаточно длительное время привлекает внимание исследователей, в литературе отсутствуют достаточно полные результаты о молекулярном механизме биоактивности. Поэтому в этом сообщении приводятся результаты работы по исследованию
влияния молекулы гистамина на клеточный лецитин, представляющий структурообразующую молекулу биологических мембран, предпринятой в рамках программы исследований связи структуры молекул и их биологической активности [1, 2].
МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ
Исследование взаимодействия 4-(2-Аминоэтил)-имидазола с фосфатидилхолином
1 13
проводились методами квантовой химии и спектроскопии ЯМР Н , С.
Квантово-химические расчеты проводились полуэмпирическими методами MNDO и AMI. Расчеты образующихся комплексов проводились многократно с целью установления структуры в состоянии наибольшей устойчивости системы. Для этого начальные конфигурации расположения центров, взаимодействующих молекул системы по сетке, оптимизировались методом молекулярной механики [3], полученные результаты уточнялись методами MNDO и AMI. Полученные двумя методами результаты практически совпали.
Все расчеты проведены в приближении изолированной молекулы. Полученные результаты показывают, что наибольшее значение энергии комплексообразования соответствует положению, когда гетероцикл гистамина посредством п-системы электронов связан с холиновой головкой фосфатидилхолина, а аминовая группа взаимодействует с фосфатной группой, образуя водородную связь. Расстояние между атомом N1 и центром гетероцикла гистамина в состоянии наибольшей устойчивости комплекса составляет 4,12 А.
При проведении экспериментов использовался лецитин, выделенный из куриных яиц, методом, предложенном в работе [4]. Чистота его проверялась по спектрам ЯМР. Использованные растворители имели индекс ЧДА. Значение рН растворов поддерживали равным 7,1. Контроль обеспечивали с помощью прибора ОР-165/3 (МОМ, Венгрия). Точность измерения составляла 0,01. Такое значение рН обеспечивает минимальное влияние среды на химический сдвиг (ХС) [5]. Концентрация лецитина в экспериментах была равна 0,005 М. Такое значение концентрации исключает возможность образования мицелл. В области с большей концентрацией ФХ спектральные линии уширяются и точность измерения химических сдвигов уменьшается. Одновременно возникают сложности, связанные с тем, что точки связывания гистамина оказывается внутри мицелл [6].
13
Спектры ЯМР 13С ФХ и гистамина записывались при температуре 30 °С на спектрометре (BmrerAvance-Ш с рабочей частотой 500,13 М9ПН). В эксперименте использовался пятимиллиметровый датчик с Z градиентом РАВВО при постоянной температуре образца. С целью увеличения цифрового разрешения применялось дополнение нулями и умножение фурье-образа спектра на экспоненциальную функцию.
(1в=0,1 Гц для 1Н и 1 Гц для 13С). Спектры 13С с развязкой от протонов переменной мощности (powergated) с использованием составных импульсов WALTZ регистрировались при следующих условиях:
Спектральное окно - 29,8 кГЦ, количество точек - 64 к, длительность возбуждающего импульса составляла 3,2 МКС(30 °), релаксационная задержка - 2 с, количество
прохождений достигало 2048, такое число прохождений обеспечивает соотношение
13
сигнал/шум не менее 60. Редактирование спектров от ЯМР 13С проводилось на основании экспериментов DERT-90 иDERT-135. Цифровой метод измерения химических сдвигов дает
13
возможность определить их значения с точностью до 0,001 м.д. Точкой отсчета на ядрах С служила спектральная линия ТМS. Все эксперименты проведены под аргоновой защитой.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Структура комплекса представлена на рис. 1. При взаимодействии фосфатидилхолина с 4-(2-Аминоэтил) имидазола образует достаточно большое число комплексов. В предыдущих работах нами было показано, что в сопряженных циклических системах при комплексообразовании одновременно с хорошо изученными водородными связями возникают комплексы посредством п-системы электронов [7, 8]. В данной работе основное
внимание уделяется комплексу, возникающему при взаимодействии п-системы электронов гетероцикла гистамина с холиновой группой лецитина.
Изменения электронного строения молекул лецитина под действием гистамина, полученные в результате квантово-химических расчетов, представлены в табл. 1. Как видно из табл. 1 наименьшие изменения наблюдаются в населенности S-орбиталей. S-орбитали атома N остаются практически неизмененными. Комплексообразование сопровождается значительным изменением в Р-орбиталях. Расчеты показывают, что гистамин с холиновой группой лецитина образует несколько комплексов.
Таблица 1
Электронное строение свободного лецитина I и в комплексе II в а.е.
Атом Величина Лецитин Комплекс
N1 Б 1,4844 1,4834
Рх 1,1261 1,1249
Ру 1,1756 1,1746
Pz 1,6786 1,1671
С1 Б 1,2699 1,2640
Рх 1,1420 1,1180
Ру 0,8401 0,8688
Pz 0,9614 1,0340
С2 Б 1,2659 1,2682
Рх 0,9871 1,0448
Ру 0,9079 0,8505
Pz 1,0248 1,0340
Сз Б 1,2576 1,2532
Рх 0,8296 0,8165
Ру 1,0524 1,0540
Pz 1,0494 1,0620
Приведенные в табл. 1 данные соответствуют случаю, когда гетероцикл гистамина расположен ближе к атому С20, чем к другим атомам углерода. Изменения электронной плотности на ядрах углерода холиновой группы также наиболее значительны на ядре С20. Электронная плотность на этом ядре возрастает на 0,1026 а.е.
Рассчитанное значение энергии комплексообразования посредством п-системы электронов составляет 9,1 ккал/моль. При одновременном взаимодействии группы ^Н2 с фосфатной группой лецитина необходимо отметить, что энергия комплексообразования получается меньше разности больших величин и поэтому содержит значительную погрешность. Комплексообразование лецитина с гистамином вызывает изменение конформационных состояний фосфатидилхолина, для определения которого исследовали изменение конформационных характеристик изолированного фосфатидилхолина.
Полученные квантово-химическими методами результаты согласуются с
13
экспериментальными данными ЯМР-спектроскопии. Химический сдвиг (ХС) от ядер С метильных групп холиновой головки равной 54,3094 при комплексообразовании смещается в сторону сильного поля на 0,1809 м.д. Знак смещения соответствует возрастанию электронной плотности на ядре С20 (табл. 2). Однако измененная величина не отражает истинное значение ХС, обусловленное комплексообразованием. Как видно из спектральных данных и в растворе гистамина, и лецитина одновременно формируются несколько комплексов, между которыми происходит в быстрой шкале времени ЯМР обмен, приводящий к усреднению наблюдаемых значений ХС. В данном случае, как видно из рис. 2, к комплексам, формирующимся посредством хорошо изученных водородных связей, добавляется комплекс образующийся при взаимодействии атомов углерода, формирующих двойные связи с гистамином. При формировании этого типа комплекса, ХС с (130,0472) смещается на 0,045 м.д. в сторону сильного поля. Одновременно наблюдается небольшое изменение ХС от ядер углерода в двойных связях.
Таблица 2
Электронная плотность в а.е на атомах свободного лецитина и в комплексе с гистамином
Свободный лецитин В комплексе
С19 -0,21339 -0,21630
С20 -0,18574 -0,19600
С21 -0,18909 -0,19500
С30 0,02265 0,02801
Р 2,54611 2,54252
У свободного лецитина спектральные линии от ядер углерода в двойных связях наблюдаются слитно (линия < рис. 2). При образовании комплекса сигнал от правого ядра смещается в сторону сильного поля на 0,4276 м.д. (линия е рис. 2) и сигналы от левого и правого ядра углерода различаются.
fxma-Lecitine+imidazole-CDC13 2 1 Z:\TOPSPIN\data\lvs\nmr
Эр-1219 Ыаз1Ьи111п\ Ьес^:1пе+:1пи.с1аго1е 40тд :1п СОС13, ТМБ 13С{1Н} сот АУ500 19.01.2012 ЬАЫ
БЯ (1ЗС) =2 3 6.бЗррт; 01(13С)=110.ООррт; ОЬз.Ггед.:125.76МНг; 01-1.4»; Т-293.2К; РгоЬе:ВВО; Ехр.Т1те:13 т±п 22 зес; Time&Date:17:48:02 19 аап г|_ &
N N18 СО
О) N6) 0>
00 Ют- N
N. <0(0
О) ОТ О) О)
см смсм см
00 N00 см о> п
ОШОСЧ^т-
Г00101 сок.
см т-
3 $
II I N )
I
Рис. 2. Фрагмент спектра свободного лецитина (я), комплекса (б)
а
б
Образования комплекса приводит к увеличению расстояния между линиями от ядер углерода, участвующих в образовании двойных связей в соседних звеньях, что показывает некоторое торможение обменных процессов, усредняющих ХС. Анализ конформационных состояний комплекса показывает, что возрастание плотности электронов на узловом ядре углерода С30 приводит к увеличению среднего расстояния между углеводородными хвостами лецитина, следовательно, к возрастанию коэффициента проницаемости мембран. Это обстоятельство, по-видимому, является одной из причин расширения капилляров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арташян О.С., Юшков Б.Г., Мухлынина Е.А. Изучение функциональной активности тучных клеток при иммобилизационном стрессе // Цитология. 2006. Т. 48, № 8. С. 665-669.
2. SetchenkovM.S., Usmanova S.I., Afanas'eva Yu.G., Nasibullin R.S. Complexing of some biologically active molecules with phosphatidylcholine // Russian Physics Journal. 2009. V. 52, № 4. P. 417-420.
3. Буркерт У., Эллинджер Н.Х. Молекулярная механика / пер. с англ. М. : Мир, 1986. 364 с.
4. Афанасьева Ю.Г., Насибуллин Р.С. Изменение структуры фосфолипидов клеточных мембран под действием флавоноидов // Вопросы биологической медицинской и фармацевтической химии. 2010. № 5. С. 41-45.
5. Dawson R.M. On the mechanism of action of phospholipase A // Biochem. J. 1963. V. 88, part 3. Р. 414-423.
6. Breitmaier E., Spohn K.-N. PH-abhangigkeit der 13C-chemischen verschiebungen sechsgliedriger stickstoffheteroaromate // Tetrahedron. 1973. V. 29, is. 8. P. 1145-1152.
7. Насибуллин Р.С., Усманова С.И., Сетченков М.С., Афанасьева Ю.Г., Фахретдинова Е.Р. О молекулярном механизме биоактивности рутина // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 2. С. 228-231.
8. Иогансен А.В. Водородная связь. М. : Наука, 1981. 134 с.
9. Насибуллин Р.С., Галеева Р.И., Юсупова З.Д. Молекулярный механизм и комплексообразование апигенина с клеточным фосфатидилхолином // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 32, № 10. С. 68-71.
10. Насибуллин Р.С., Спирихин Л.В., Пономарева В.А. Образование комплексов молекулы пиразола с фосфолипидами // Биофизика. 1991. Т. 36, № 4. С. 594-597.
EFFECTS OF HISTAMINE ON CELLULAR PHOSPHATIDYLCHOLINE
Nasibullin R.S., Kuznetcova M.V., Phakhretdinova D.I. Bashkir State Medical University, Ufa, Russia
SUMMARY. The mechanism of complexing has been investigated by the NMR13C-spectroscopy and by the quantum chemistry. Changes of the electronic structure and the conformational states of lecithin have been defined.
KEYWORDS: quantum-chemical calculations, the NMR13C-spectroscopy, chemical shift, phosphatidylcholine, histamine, molecular mechanism.
Насибуллин Руслан Сагитович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой медицинской физики БГМУ, тел. 8(347)273-61-83, e-mail: med-fis@yandex.ru
Кузнецова Мария Вячеславовна - преподаватель БГМУ
Фахретдинова Динара Ильдаровна - студентка БГМУ
