Исследование связи "структура - противомикробная активность" с использованием молекулярного докинга в ряду замещенных амидов и гидразидов N-ароил-5-бром (5-хлор) антраниловых кислот Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.583.5: 615.281

DOI 10.18413/2075-4728-2018-41-3-495-501

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ «СТРУКТУРА - ПРОТИВОМИКРОБНАЯ АКТИВНОСТЬ» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОЛЕКУЛЯРНОГО ДОКИНГА В РЯДУ ЗАМЕЩЕННЫХ АМИДОВ И ГИДРАЗИДОВ ^АРОИЛ-5-БРОМ (5-ХЛОР) АНТРАНИЛОВЫХ КИСЛОТ

INVESTIGATION OF THE «STRUCTURE - ANTIMICROBIAL ACVITY» RELATIONSHIP USING MOLECULAR DOCKING IN THE SERIES OF SUBSTITUTED AMIDES AND HYDRAZIDES OF N-AROYL-5-BROMO (5-CHLORO) ANTHRANILIC ACIDS

К.В. Андрюков, Л.М. Коркодинова K.V. Andryukov, L.M. Korkodinova

Пермская государственная фармацевтическая академия, Россия, 614990, г. Пермь, ул. Полевая, 2

Perm state pharmaceutical Academy, 2 Polevaya St., Perm, 614990, Russia

E-mail: [email protected]

Аннотация

Целью исследования является изучение связи «структура - противомикробная активность» в отношении кишечной палочки (E. Coli) с использованием молекулярного докинга в ряду замещенных амидов и гидразидов N-ароил 5-бром (5-хлор) антраниловых кислот. Построены структуры 15 исследуемых соединений и теоретически найдены значения констант ионизации и липофильности. Проведен молекулярный докинг по ферменту MurB (E. Coli). Исследована зависимость противомикробной активности от теоретически рассчитанных физико-химических свойств и скоринговых функций: энергия связывания Be (minBe), межмолекулярная энергия (Ime (minBe)), константа ингибирования (Ki (minA А)). Получено 2 корреляционных уравнения, связывающих противомикробную активность с рассчитанными параметрами.

Abstract

The aim of the study is to study the relationship «structure-antimicrobial activity» with Escherichia coli (E. Coli) using molecular docking in the series of substituted amides and hydrazides of N-aroyl 5-bromo (5-chloro) anthranilic acids. The structures of 15 investigated compounds were constructed and their values of the ionization and lipophilicity constants were theoretically found. Molecular docking of the MurB enzyme (E. Coli) was performed. The dependence of antimicrobial activity on theoretically calculated physico-chemical properties and scoring functions (binding energy (Be (minBe)), intermolecular energy (Ime (minBe)), inhibition constant (Ki (minAA))) was studied. Two correlation equations were obtained, linking antimicrobial activity with the calculated parameters.

Ключевые слова: антраниловая кислота, противомикробная активность, структура-активность, молекулярный докинг.

Keywords: anthranilic acid, antimicrobial activity, structure-activity, molecular docking.

Введение

Антраниловая кислота принимает участие в биохимических процессах на различных уровнях организации живой материи, начиная с вирусов и бактерий, обеспечивает широкий спектр биохимических реакций, является одним из ключевых

реагентов в полусинтетическом методе получения ряда антибиотиков, например, кальцимицина, проявляющего противомикробную активность [Prudhomme et al., 1984].

N-Ацилантраниламиды обладают широким спектром фармакологического действия: противовоспалительным [Amal et al., 2012.; Maher et al., 2016], анальгетическим [Khaled et al., 2013] и противомикробным действием [Rama et al., 2010.; Khaldoon AL-Rahawi et al., 2013; Meenu et al., 2015]. Создание моделей «структура - противомикробная активность» для производных антраниловой кислоты является актуальным при проведении целенаправленного поиска веществ с выраженной противомикробной активностью [Shahzad et al., 2015; Kuldeep et al., 2012.]. Молекулярный докинг позволяет повысить качество и достоверность проводимых исследований, как, например, модель «структура - противовоспалительная активность» [Андрюков и др., 2018].

Целью исследования является изучение связи «структура - противомикробная активность» в отношении кишечной палочки (E.Coli) с использованием молекулярного докинга в ряду замещенных амидов и гидразидов N-ароил 5-бром (5-хлор) антраниловых кислот.

Объекты и методы исследования

Объект исследования: замещенные амиды и гидразиды N-ароил 5-бром (5-хлор) антраниловых кислот (рис. 1). Бактериостатическая активность изучена методом двукратных серийных разведений в жидкой питательной среде [Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ, 2000]. Для всех исследуемых 15 соединений были определены минимальные подавляющие концентрации (МПК) (табл. 1) [Подчезерцева, 2004.; Андрюков, 2006.; Андрюков и др., 2007] в отношении фармакопейного штамма Escherichia coli ATCC 25922.

O

X.

R

-2

NHR

1

Рис. 1. Строение замещеных амидов и гидразидов Rice. 1. Structure of substituted amides and hydrazides

Таблица 1 Table 1

МПК (E.Coli) замещеных амидов и гидразидов N-ароил 5-бром (5-хлор) антраниловых кислот MIC (E.Coli) of substituted amides and hydrazides of N-aroyl 5-bromo (5-chloro) anthranilic acids

№ X R1 R2 МПК, мкг/мл (E.Coli)

I Br H NH2 1000

II Br CO (2-COOH) C6Cl4 NH2 15.6

III Br CO (3-NO2)C6H4 NH2 1500

IV Br CO (4-CHb)C6H4 NH2 1000

V Cl CO (4-Cl) C6H4 NHCH2C6H5 500

VI Br CO (2-COOH) C6H4 NHC6H5 500

VII Br CO C6H5 NHC6H5 1000

VIII Br CO (4-Cl) C6H4 NHC6H5 1000

IX Br CO 2-фурил NHNHCO (2-фурил) 1000

Окончание табл. 1 The end of the table 1

№ X R1 R2 МПК, мкг/мл (E.Coli)

X Br CO C6H5 NHCH2CH2OH 1000

XI Br CO (2-COOH) C6H4 NH2 1000

XII Br CO (4-Cl) C6H4 NH2 1500

XIII Cl CO (4-Cl) C6H4 NH(2-CH3)C6H4 1000

XIV Br CO (4-NO2)C6H4 NHC6H5 1000

XV Br CO 2-фурил NHNHCOCH2Cl 500

Молекулярный докинг проводили по ферменту MurB E.Coli. Множественный регрессионный анализ зависимости структура- противомикробная активность программой Statistica 6.

Результаты и их обсуждение

Построены структуры и проведены квантово-химические расчёты 15 соединений из ряда замещенных амидов и гидразидов N-ароил 5-бром (5-хлор) антраниловых кислот с использованием программы Gaussian 03 полуэмпирическим методом РМ3. В результате получены квантово-химические дескрипторы: суммарные значения напряженности электрического поля Е(Е), потенциала Е(ф) и заряда Е (|q|) на атомах углерода, кислорода, азота и водорода (табл. 2). Перед проведением исследований структура-активность нам необходимо провести теоретический расчёт физико-химических свойств исследуемых соединений с использованием найденных квантово-химических дескрипторов и составленных уравнений множественной регрессии, а именно константы липофильности (log Pрассч) [Андрюков и др., 2013], константы кислотности (pKaрассч) [Андрюков и др., 2016] и основности ф^рассч) [Андрюков и др., 2016].

Таблица 2 Table 2

Квантово-химические параметры, log Pрассч, pKaрассч и pKврассч замещенных амидов и гидразидов N-ароил-б-бром (5-хлор) антраниловых кислот Quantum-chemical parameters, log Pcalc, pKacalc and pKвcalc of substituted amides and hydrazides N-aroyl-5-bromo (5-chloro) anthranilic acids

№ C(E) N(E) C(9) O(9) N(9) O(|q|) log Ppacc4 pKapacc4 pKBpacc4

I 3.67 1.08 73.31 12.21 21.86 0.38 2.32 7.28 11.85

II 9.46 1.17 190.66 57.53 27.42 1.36 2.63 6.18 13.01

III 8.64 1.67 179.38 55.68 39.76 1.89 1.56 7.82 12.25

IV 8.71 1.11 191.69 28.34 26.98 0.70 2.46 7.45 12.09

V 12.75 0.2 287.14 31.44 31.20 0.70 2.61 6.98 13.32

VI 12.96 0.91 293.78 62.33 31.96 1.35 2.86 7.30 12.99

VII 12.44 0.88 273.17 31.24 31.28 0.67 2.65 6.59 13.54

VIII 12.54 0.88 272.32 31.19 31.23 0.67 2.65 6.35 13.72

IX 9.21 1.09 214.60 74.41 42.94 1.09 3.92 8.28 13.26

X 9.20 0.81 206.89 42.93 28.97 0.99 2.61 7.13 13.07

XI 9.13 1.17 193.51 57.92 27.62 1.40 2.58 6.99 12.40

XII 8.42 1.08 173.41 27.80 26.43 0.70 2.44 6.53 12.80

XIII 13.10 0.89 293.78 31.93 32.08 0.67 2.68 7.03 13.24

XIV 11.8 1.29 274.02 59.16 43.68 1.85 1.80 8.51 12.73

XV 7.8 1.19 170.84 56.86 40.61 1.02 3.22 8.20 12.93

Значения констант липофильности лежат в интервале от 1.56 у соединения III до 3.92 (соединение IX). Рассчитанные значения констант кислотности, характеризующих ионизацию, находятся в пределах от 6.18 (соединение II) до 8.51 для соединения XIV. Константы основности находятся в пределах от 11.85 у соединения I до 13.72, для соединения VIII.

В проводимых исследованиях в качестве рецептора использовали фермент, участвующий в образовании клеточной стенки бактерий, - уридиндифосфат-#-ацетил-пирувилглюкозамин редуктаза (MurB). Структура рецептора - молекула MurB (E. Coli) была взята из базы данных Brookhaven Protein Data Bank (PDB ID code: 2MBR [Benson et al., 1997]).

Структуры всех лигандов были построены и оптимизированы полуэмпирическим методом РМ3 с использованием программы Gaussian 03 и затем были конвертированы в SD-формат (.pdb) с помощью программы ChemBio3D Ultra 12.0.

Докинг исследования выполнены с использованием программы AutoDock 4.0. При проведении докинга использовали Ламарковский генетический алгоритм, который позволяет воспроизводить строение комплексов более точно [Morris et al., 2008].

Результаты докинга с ферментом MurB (E.Coli) замещенных амидов и гидразидов N-ароил-б-бром (5-хлор) антраниловых кислот (I - XV) в виде скоринговых функций представлены в таблице 3: Be (minBe) - энергия связывания, взятая по конформации с минимальной энергией связывания (minBe); Ime (minBe) - межмолекулярная энергия, взятая из конформации с минимальной энергией связывания (minBe); Ki (minA А) -константа ингибирования по конформации с минимальным среднеквадратичным отклонением от структурного аналога 5-нитрофурилиден гидразида 5-бром-Ы-ацетилантраниловой кислоты (А) (minA А) [Чернобровин и др., 1987].

Таблица 3 Table 3

Результаты докинга с ферментом MurB (E. Coli) программой AutoDock 4 соединений (I - XV) замещенных амидов и гидразидов N-ароил-5-бром (5-хлор) антраниловых кислот Results of docking with the enzyme MurB (E. Coli) by the AutoDock 4 program compounds (I-XV) of substituted amides and hydrazides of N-aroyl-5-bromo (5-chloro) anthranilic acids

№ Be (minBe) Ime (minBe) Ki (minA А)

I -4.78 -5.38 213.46

II -4.72 -6.21 173.50

III -5.57 -6.77 22.60

IV -5.00 -6.19 41.85

V -5.88 -7.37 33.18

VI -5.82 -7.61 21.99

VII -5.99 -7.19 40.53

VIII -6.25 -7.44 21.38

IX -4.71 -6.2 76.36

X -4.40 -6.19 59.92

XI -4.78 -6.27 178.12

XII -5.66 -6.56 9.48

XIII -6.06 -7.26 3.83

XIV -6.20 -7.69 887.2

XV -4.39 -5.88 209.69

Для соединения II с противомикробной активностью (ПМА), равной 15.6 мкг/мл, приведена диаграмма взаимодействия, включающая водородные связи и гидрофобные взаимодействия по аминокислотам (рис. 2) (по конформации с минимальной Ве). По

атому брома и бензольному кольцу антраниловой кислоты происходит гидрофобное взаимодействие с активным участком фермента FAD 401. Так же образуются межмолекулярные водородные связи с аминокислотами - аспарагин (ASN88), лейцин

LEU109A

HIS90A

Рис.2. Комплекс соединения II с активным участком MurB E. Coli.

Изображение получено с использованием программы LigandScout.

Fig. 2. Complex of compound II with active site E. Coli MurB.

The image was obtained using the LigandScout program.

Проведен множественный линейный регрессионный анализ с использованием программы Statistica 6 зависимости МПКесоН от Be (minBe), Ime (minBe), Ki (minA А), logPрассч, pKaрассч и pKврассч. В результате было составлено 12 уравнений, из которых наиболее значимыми оказались два уравнения (табл. 4).

Таблица 4 Table 4

Уравнения регрессии зависимости MnKE.Coli от дескрипторов (log Ррассч, pKaрассч, pKврассч, Be (minBe), Ime (minBe), Ki(minA А)) The equations of regression of the MIC e.cgh dependence from descriptors (log Pcalc, pKacalc, pKbcalc, Be (minBe), Ime (minBe), Ki (minAA))

№ Уравнение регрессии R F S N Q2loo

1 МПКЕ.сон=2358.936-657.235хВе (minBe)+ +1347.676xIme (minBe)--8.829xKi (minA А)+248.479хрКврассч--229.716xlog Ррассч+276.032хрКарассч 0.928 8.37 188.58 15 0.61

2 MnKE.coli=5924.684-488.946xBe (minBe)+ +1026.087xIme (minBe)--7.844xKi(minA A)-106.227xlog Ррассч 0.831 5.61 252.63 15 0.20

Проведена оценка составленных уравнений методом перекрестного контроля с выбором по одному (Leave-one-out Cross-validation, LOO) (Q2loo) [Sippl et al., 2001] с использованием программы Statographics. Определен коэффициент детерминации предсказаний Q2loo, значения которого равны 0.61 и 0.20 для уравнений 1 и 2 соответственно.

(LEU109), гистамин (HIS90) и аргинин (ARG91).

По результатам проверки можно сделать вывод, что составленная предсказательная модель на основе уравнения 1 является значимой, так как значение Q2 по LOO для надежных предсказательных моделей должно быть не менее 0.5 [Sippl et al., 2001].

Заключение

По результатам выполненного анализа множественной регрессии составлено уравнение зависимости МПКб.соН от скоринговых функций и физико-химических параметров: log Ррассч, рКарассч и рКврассч.

В результате проведенных исследований предложено корреляционное уравнение №1 для проведения дальнейших исследований «структура - противомикробная активность», которые позволяют производить достоверный и экономически выгодный прогноз уровня ПМА, выявляя соединения с высокой противомикробной активностью до проведения их синтеза и биологических испытаний.

Список литературы References

1. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М. 2016. Квантово-химические параметры в исследовании зависимости структура - ионизация N-замещенных моно (ди) галоген (н) антраниловых кислот, их амидов и гидразидов. Химико-фармацевтический журнал, 50 (3): 23 - 27.

Andryukov K.V., Korkodinova L.M. 2016. Kvantovo-himicheskie parametry v issledovanii zavisimosti struktura - ionizaciya N-zameshchennyh mono (di)galogen(n) antranilovyh kislot, ih amidov i gidrazidov [Quantum and chemical parameters in a dependence research structure - ionization of the anthranilic acids N-replaced mono halogen (H), their amides and hydrazides]. Himiko-farmacevticheskij zhurnal, 50 (3): 23 - 27. (in Russian).

2. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М. 2018. Молекулярный докинг в изучении взаимодействия амидов и гидразидов N-ароилзамещенных алоген(Н)антраниловых кислот с циклооксигеназой 1, проявляющих противовоспалительную активность. Химико-фармацевтический журнал, 52 (5): 29 -32.

Andryukov K.V., Korkodinova L.M. 2018. Molekulyarnyj doking v izuchenii vzaimodejstviya amidov i gidrazidov N-aroilzameshchennyh alogen(N)antranilovyh kislot s ciklooksigenazoj 1, proyavlyayushchih protivovospalitel'nuyu aktivnost' [Molecular docking study of the interaction of cyclooxygenase 1 with N-aroyl-substituted halogen(H)anthranilic acid amides and hydrazides exhibiting anti-inflammatory activity]. Himiko-farmacevticheskij zhurnal, 52 (5): 29 -32. (in Russian).

3. Андрюков К.В., Коркодинова Л.М. 2013. Прогнозирование коэффициента распределения октанол - вода производных N- арилзамещенных антраниловых кислот. Химико-фармацевтический журнал, 47 (12): 38 - 41.

Andryukov K.V., Korkodinova L.M. 2013. Prognozirovanie koehfficienta raspredeleniya oktanol - voda proizvodnyh N- arilzameshchennyh antranilovyh kislot [Prediction of the octanol-water partition coefficients of N-aryl-substituted anthranilic acid derivatives]. Himiko-farmacevticheskij zhurnal, 47 (12): 38 - 41. (in Russian).

4. Андрюков К.В. 2006. Синтез, свойства и биологическая активность моно(ди)бромзамещенных производных антраниловой кислоты, изучение связи строения с действием с использованием констант ионизации и квантово-химических расчётов: Дис. ...канд. фармац. наук. Пермь, 166.

Andryukov K.V. 2006. Sintez, svojstva i biologicheskaya aktivnost' mono(di)bromzameshchennyh proizvodnyh antranilovoj kisloty, izuchenie svyazi stroeniya s dejstviem s ispol'zovaniem konstant ionizacii i kvantovo-himicheskih raschyotov [Synthesis, properties and biological activity of mono(di)bromosubstituted anthranilic acid derivatives, study of structure-activity relationship using ionization constants and quantum chemical calculations]: Dis. ...kand. farmac. nauk. Perm', 166. (in Russian).

5. Андрюков К.В., Томилов М.В., Коркодинова Л.М., Одегова Т.Ф. 2007. Синтез и противомикробная активность замещенных амидов и гидразидов N-ацил-5- бромантраниловых кислот. Химико-фармацевтический журнал, 41 (9): 29 - 31.

Andryukov K.V., Tomilov M.V., Korkodinova L.M., Odegova T.F. 2007. Sintez i protivomikrobnaya aktivnost' zameshchennyh amidov i gidrazidov N-acil-5- bromantranilovyh kislot

[Synthesis and antimicrobial activity of substituted amides and hydrazides of N-acyl-5-bromanthranilic acids]. Himiko-farmacevticheskij zhurnal, 41 (9): 29 - 31. (in Russian)

6. Подчезерцева А.В. 2004. Синтез, биологическая активность и установление количественных соотношений «структура- противовоспалительная активность» в ряду N-ацилантраниловых кислот и их амидов. Дис. ...канд. фармац. наук. Пермь, 142.

Podchezerceva A.V. 2004. Sintez, biologicheskaya aktivnost' i ustanovlenie kolichestvennyh sootnoshenij «struktura- protivovospalitel'naya aktivnost'» v ryadu N-acilantranilovyh kislot i ih amidov [Synthesis, biological activity and the establishment of quantitative correlations "structure - antiinflammatory activity" in the row N-acylanthranilic acids and their amides]. Dis. ...kand. farmac. nauk. Perm', 142. (in Russian)

7. Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ. 2000. М., Бионт, 540.

Rukovodstvo po ehksperimental'nomu (doklinicheskomu) izucheniyu novyh farmakologicheskih veshchestv [Guidelines for experimental (preclinical) study of new pharmacological substances]. 2000. M., Biont, 540. (in Russian)

8. Чернобровин Н.И., Кожевников Ю.В., Пупкова О.В., Скворцов В.А., Семенова З.Н., Назметдинов Ф.Я., Сыропятов Б.Я. 1987. 5-Нитрофурфурилиденгидразид 5-бром-К-ацетилантраниловой кислоты, проявляющий анальгетическую и противостафилококковую активности. АС. 1499890 СССР. № 4348599/04. Бюл. 16.

Chernobrovin N.I., Kozhevnikov Yu.V., Pupkova O. V., Skvortsov V. A., Semenova Z. N., Nazmutdinov F.Ya., Syropyatov B. Ya. 1987. 5-Nitrofurfurilidengidrazid 5-brom-N-acetilantranilovoj kisloty, proyavlyayushchij anal'geticheskuyu i protivostafilokokkovuyu aktivnosti [5-Nitrofurfurylidenehydrazide 5-bromo-N-acetylanthranilic acid, which exhibits analgesic and antistaphylococcal activity]. A.S. 1499890 SSSR. № 4348599/04. Byul. 16. (in Russian)

9. Amal Abdel Haleem Mohamed Eissa, Gamal Abd El-Hakeem Soliman, Moayad H. K. 2012. Design, Synthesis and Anti-inflammatory Activity of Structurally Simple Anthranilic Acid Congeners Devoid of Ulcerogenic Side Effects. Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 60 (10) : 1290-1300.

10. Khaldoon AL-Rahawi, Ali AL-Kaf, Shada Y., Sameh EL-Nabtity, Kotb EL-Sayed and Napila AL-Shoba. 2013. Synthesis and biological activities of 2-carboxyphenyloxamoylamino acids, their salts with 2-ethoxy-6.9-Diaminoacridine and D-glucosamine. Adv. Pharmacoepidem. Drug Safety, 2 (2): 2-6.

11. Benson T.E., Walsh C.T., and Hogle J. M.. 1997. X-ray crystal structures of the S229A mutant and wild-type MurB in the presence of the substrate enolpyruvyl-UDP-N-acetylglucosamine at 1.8-A resolution. Journal Biochemistry, 36: 806-811.

12. Khaled A. M., Nadia A. K., Eman M.A., Sawsan Abo-Bakr Z.. 2013. Synthesis and Biological Evaluation of New Heteroaryl Carboxylic Acid Derivatives as Anti-inflammatory-Analgesic Agents. Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 61 (2): 222-228.

13. Kuldeep M., Pradeep K., Balasubramanian N.. 2012. Synthesis, antimicrobial evaluation, ot-QSAR and mt-QSAR studies of 2-amino benzoic acid derivatives. Medicinal Chemistry Research, 21 (3): 293-307.

14. Meenu Beniwal, Viney Lather, Vikramjeet Judge, Neelam Jain, Amit Beniwal. 2015. Antiinflammatory, antimicrobial activity and qsar studies of anthranilic acid derivatives. World journal of pharmacy and pharmaceutical sciences, 4(09): 1443-1451.

15. Morris G.M., Huey R., Olson A.J. 2008. Using AutoDock for ligand-receptor docking. Curr.Protoc.Bioinformatics, 11(13): 34-37.

16. Maher Abd El-Aziz El-Hashash, Mohammad E. A., Rasha Abd El-Aziz Faty, Abd El-Galil Elsyed Amr. 2016. Synthesis, Antimicrobial and Anti-inflammatory Activity of Some New Benzoxazinone and Quinazolinone Candidates. Chemical and Pharmaceutical Bulletin, 64 (3): 263-271.

17. Prudhomme M., Dauphin G., Guyot J., Jeminet G. 1984. Semisynthesis of A23187 (Calcimycin) analogs II. Introduction of a methyl group on the benzoxazole ring. The Journal of antibiotics, 37 (6): 627-634.

18. Rama Rao Nadendla, Mukkanti K., Sudhakar G. Rao. 2010. Microwave Synthesis of some new Quinazolinone Formazans for their Antimicrobial and Antihelminthic Activities. Current Trends in Biotechnology and Pharmacy, 4 (1): 545-550.

19. Shahzad M., Jamshaid A. 2015. Synthesis, Antioxidant and Antimicrobial activity of 4-aminophenol and 2-aminobenzoic acid based novel azo compounds. Asian J. Chem., 27 (10): 3551-3554.

20. Sippl W., Contreras J. M,, Parrot I., Rival Y. M., Wermuth C. G. 2001. Structure-based 3D QSAR and design of novel acetylcholinesterase inhibitors. Journal of Computer-Aided Molecular Design, 15: 395 - 410.