CC BY
51
УДК 616.843: 541.57.138
Кузнецова Т.Ю., Соловьева Н.В.
МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТИОКСИДАНТНЫХ СВОЙСТВ МЕЛАТОНИНА И ГЛУТАТИОНА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ГИДРОКСИЛ-РАДИКАЛОМ
Полтавский национальный технический университет им. Ю. Кондратюка
Высшее государственное учебное заведение Украины «Украинская медицинская стоматологическая академия» г. Полтава
Проведен сравнительный анализ антиоксидантных свойств мелатонина и глутатиона по результатам неэмпирических квантово-химических расчетов взаимодействия с гидроксил-радикалом. Показано, что гидроксил-радикал стимулирует отрыв у молекул мелатонина и глутатиона «внешних» атомов водорода. Установлена инвариантность протекания таких реакций относительно концентрации гидроксил-радикала. Установлен приоритет антирадикальной активности глутатиона в сравнении с мелатонином.
Ключевые слова: антиоксиданты, мелатонин, гидроксил-радикал, Введение
Каталитическое окисление природных анти-оксидантов, которое происходит под влиянием ферментов и ионов биометаллов переменной валентности, является предметом многочисленных исследований [1-3]. Это обусловлено возможностью использования результатов таких исследований для поддержки антиоксидантной системы организма, нормализации обмена веществ, оздоровления и торможения процессов старения [ 4-5].
Однако, исследование каталитического окисления in vivo, природных антиоксидантов, которое происходит под влиянием ферментов и ионов биометаллов переменной валентности, сопряжено с влиянием большого числа разнообразных взаимосвязанных процессов, стабилизация которых в условиях экспериментов на животных и даже на бактериях является весьма проблематичной. Очевидно, поэтому наблюдается непрерывное расширение круга исследований окислительных процессов in vitro с использованием различных физико-химических методов. Причем объектами таких исследований являются как экзогенные синтетические, так и природные эндогенные антиоксиданты, участвующие в системе защиты организма от "кислородного стресса" [6].
Особая роль в антиоксидантной системе защиты организма принадлежит трипептиду глута-тиона (GSH). С red-oxi реакциями, активностью и содержанием в тканях различных органов этого соединения связывают целый ряд патологий, таких как сахарный диабет, болезни Альцгейме-ра, Паркинсона и другие [7-8]. Причем, согласно многим предположениям, это обусловлено пе-рекисной модификацией, поперечной сшивкой, а также деградацией белковых макромолекул, в состав которых входит глутатион [9]. Протекание таких преобразований белка происходит преимущественно, благодаря обратимому окислению - восстановлению сульфгидрильной группы глутатиона [10].
В литературе [11-13] также широко обсуждаются антиоксидантные свойства гормона шишковидной железы мелатонина (МЛТ), активность
глутатион.
которого сравнивают с активностью глутатиона, причем не в пользу последнего [14]. Такое заключение, с нашей точки зрения, является недостаточно корректным, поскольку в публикациях нет данных сравнительных исследований ан-тиоксидантной активности этих соединений в одинаковых условиях и на молекулярном уровне.
С нашей точки зрения, достаточно корректно судить об антиоксидантной активности глутатиона и мелатонина можно на основании изучения реакций каталитического окисления этих соединений кислородом и его активными формами (АФК), при образовании последних in vitro в условиях, моделирующих "кислородный стресс" организма.
Возможность такого моделирования была установлена и успешно использована нами [ 15 ].
Анализ полученных нами результатов электрохимических исследований мелатонина и глу-татиона позволил сделать следующие заключения.
Глутатион и мелатонин проявляют антирадикальную активность, где глутатион значительно более активный антиоксидант, чем мелатонин. А стимуляция мелатонином иммунной системы организма скорее всего связана с его способностью проникать сквозь биомембраны. [16].
В результате изучения влияния исследованных соединений на ионы двухвалентного железа, участвующие в образовании гидроксильных радикалов, показано, что глутатион, в отличие от мелатонина, действует как активный превентивный антиоксидант.
Полученные представления приближают к более глубокому пониманию механизмов процессов протекающих in vivo с участием глутати-она и мелатонина.
Все приведенное выше не дает прямого ответа об антиоксидантной активности глутатиона и мелатонина. Поэтому представляется целесообразным изучение механизма взаимодействия этих антиоксидантов (МЛТ и GSH) с гидроксил-радикалом методами квантовой химии, что на наш взгляд даст возможность на микроскопиче-
ском электронном уровне не только получить данные о положительном эффекте их применения, так и установить потенциальную значимость использования, как лекарственных препаратов.
Важным также является перспективность квантово-химических расчетов для правильной передачи особенностей взаимодействия некоторых классов биологических молекул с целью научно обоснованного синтеза в дальнейшем химико-фармацевтических препаратов [17,18].
Цель работы: изучение механизма взаимодействия молекул мелатонина и глутатиона с гидроксил-радикалами на основании результатов квантово-химических расчетов.
Объекты и методы исследований
Изучение механизма взаимодействия МЛТ и GSH с гидроксил-радикалом проводились путем квантово-химических неэмпирических расчётов с применением пакета программ GAMESS (версия от 27 марта 2007 года) с использованием гаусовских базисных наборов: в валентно-расщеплённом базисе Хузинаги в неограниченном приближении Хартри-Фока-Рутана метода ССП МО ЛКАО в этой работе применялись оптимизированные геометрии молекул МЛТ [19] и GSH [20], впервые установленные нами. Из числа активных форм кислорода (АФК) объектом изучения был взят гидроксил-радикал (он), с
дЕ.кДж/моль 0
предварительно проведенной оптимизацией геометрического строения ( R(•oH) = 0,0987 нм, [19] ).
Результаты и их обсуждение На основании результатов поиска минимумов потенциальной энергии, отвечающих максимуму взаимодействия гидроксил-радикала с молекулой GSH, для моделирования общих закономерностей антиоксидантных свойств глутатиона нами было выделено 5 наиболее глубоких из 11 обнаруженных, что позволило определить основные "направления атаки" гидроксил-радикала (рис.1) на молекулу GSH. Пунктиром на рис.1 представлены значения энергии связей взаимодействий МЛТ....он для пяти наиболее глубоких минимумов из 16 обнаруженных нами ранее [19]. Такое наложение кривых для величин энергий связей взаимодействий GSH-■oн и МЛТ-он не только дает полную наглядность полученных результатов расчета для 5 наиболее глубоких минимумов этих взаимодействий (рис.2), но и позволяет, даже без дополнительного анализа предположить более высокую ан-тиоксидантную активность глутатиона, которая идентифицируется наличием более глубоких минимумов величин ДЕ, превышающие аналогичные значения для взаимодействий МЛТ с он на (1,5^3) кДж/моль
-0,50 -100 -1:50 -2.00 -2.50 -3,00 -3,50 -4,00 -4,50^
Гл л 1
л \ 1 \ - - -К \ Д
11 11 1 1 г ч 1 1 'Ч\
1 1 4 М |з 1 I 1 X 1 / \ 1 Л 1 7 1 А11
II 1 /1 1 1 / \/
11 \
\1 У 4 1 5
2
Рис. 1. Изменение величин энергии связи йЕ гидроксил-радикала с антиоксидантами: а) мелатонин (I); б) глутатион (II),
при движении он вдоль координаты реакции
Рис.2. Наиболее вероятные направления взаимодействия, отвечающие абсолютному (1) и локальным (2-5) минимумам энергии взаимодействия молекул антиоксидантов с гидроксил-радикалом
Сравнительный анализ результатов изменения величин порядков связей (B/,) между «внешними» атомами в молекулах МЛТ и GSH показал, что для всех пяти направлений взаимодействия он ослабляет «внешние» связи С-Н и N-H молекулы МЛТ и - С-Н, N-H и S-H молекулы GSH в 2-3 раза, а для положений 1 и 2, наблюдается, по данным расчета, вообще разрыв связи S-H и С-Н с образованием молекулы воды, подтверждая тем самым наличие более сильных антиоксидантных свойств в молекуле GSH.
Вместе с тем представленный выше анализ был произведен для моделирования взаимодействия молекул МЛТ и GSH только с одним гидроксил-радикалом. Этот результат, в сочетании с утверждением об особой роли GSH в ан-тиоксидантной защите организма [7,8], вызванной red-oxi реакциями, происходящими в различных органах человека благодаря обратимой red-oxi сульфгидрильной группы глутатиона, влияющему на протекание таких болезней как сахарный диабет, болезнь Альцгеймера, Пар-кинсона и другие [9,10-12], стимулирует расширение направленности моделирования. Поэтому для приближения результатов расчета к реальным условиям взаимодействия молекул мела-
тонина и глутатиона с гидроксил-радикалом в организме человека и моделирования ситуации изменения концентрации гидроксил-радикала относительно молекул МЛТ и GSH, нами был предпринят расчет взаимодействия молекул ан-тиоксидантов с пятью гидроксил-радикалами одновременно в местах, которые соответствуют положениям минимумов энергии взаимодействия молекул МЛТ и GSH со свободным радикалом (рис.3).
;ОМЛТ-5-ОП
и 1С.
GKiSII-vOIb
Fl
- 1
Н 'T.I '.H', y
3 -;_>-1 H лк— 1
I
'.H ¡¡¿i^
é
>•0 О
>j ------ _ >
- и
н к
I
о-.
-H i
L
■H", 1 1
1
t..
i
■-.Hf-
О S'QrV
Рис.З.Концептуальная схема взаимодействия пяти гидро-ксил-радикалов с молекулами антиоксидантов
Анализ данных в табл. 2 показывает, что
взаимодействие одновременно пяти гидроксил-радикалов с молекулой GSH также способствует ослаблению, однако более «мягкому», «внешних» связей С-Н, ^Н и S-H антиоксиданта в положениях 1 и 2, которое, повидимому, вызвано особой ролью сульфгидрильной группой GSH [10] в антиоксидантной и антирадикальной за-
Изменение величин оптимизированных расстояний ) и п
щите организма человека. Для всех направлений взаимодействия он с молекулой МЛТ наблюдается существенное, но не одинаковое, ослабление связей в положениях 2,4 на фоне сильного ослабления (~9^10 раз) в положениях 1,3,5, что стимулирует отрыв трех атомов водорода.
Таблица 1.
:ов связей (В,) между атомами при взаимодействии молекул Т и GSH с одним гидроксил-радикалом (выборочные данные)
Взаимодействие № п/п R•1010 , м Д R•1010 , м Вц Л Вц
До реакции После реакции До реакции После реакции
МЛТ ....-он 1 МЛТ С -Н 1.088 4.42 3.332 0.619 0.034 -0.585
СР Н-О 0.987 0.975 -0.012 0.837 0.805 -0.032
2 МЛТ С -Н 1.088 4.649 3.561 0.944 0.052 -0.892
СР Н-О 0.987 0.977 -0.01 0.837 0.807 -0.03
3 МЛТ ^Н 0.999 1.960 0.961 0.933 0.066 -0.867
СР Н-О 0.987 0.970 -0.017 0.837 0.844 -0.007
4 МЛТ С -Н 1.080 3.119 2.031 0.931 0.068 -0.863
СР Н-О 0.987 0.971 -0.016 0.837 0.845 0.008
5 МЛТ С -Н 1.088 3.367 2.279 0.843 0.092 -0.751
СР Н-О 0.987 0.971 -0.016 0.837 0.819 -0.018
GSH он 1 GSH S -Н 1.671 4.235 2.256 0.938 -
СР Н-О 0.987 0.970 -0.017 0.837 0,823 -0.014
2 GSH С -Н 1.134 3.254 2.12 0.921 -
СР Н-О 0.987 0.973 -0.014 0.837 0.819 -0.018
3 GSH ^Н 1.128 1.082 -0.046 0.906 0.873 -0.044
СР Н-О 0.987 0.992 0.005 0.837 0.762 -0.075
4 GSH С -Н 1.131 1.083 -0.048 0.917 0.871 -0.046
СР Н-О 0.987 0.988 0,001 0.837 0.822 -0.015
5 GSH С -Н 1.137 1.085 -0.052 0.833 0.855 0.022
СР Н-О 0.987 1.000 0.013 0,837 0.761 -0.076
Таблица 2
Изменение расстояний (^) и порядков связи (В,) между атомами при взаимодействии молекул мелатонина и глутатиона с
пятью гидроксил-радикалами (выборочные данные)
Взаимодействие № R • 1010 , м Д R • 1010 , м в8 Д Ви
п/п До реакции После реакции До реакции После реакции
1 С -Н 1.088 2.79 1.702 0.619 0.098 -0.521
2 С -Н 1.088 1.077 -0.011 0.944 0.883 -0.061
3 ^Н 0.999 2.038 1.039 0.933 0.086 -0.847
МЛТ ..он 4 С -Н 1.080 1.088 0.008 0.931 0.894 -0.037
5 С -Н 1.088 2.360 1.027 0.843 0.069 -0.774
1 S -Н 1.671 2.344 0.673 0.938 0.055 -0.883
2 С -Н 1.134 2.828 1.694 0.921 - -
3 ^Н 1.128 1.470 0.342 0.906 0.745 -0.161
GSH.....он 4 С -Н 1.131 1.081 -0.050 0.917 0.944 0.027
5 С -Н 1.137 1.075 -0.062 0.833 0.869 0.036
При этом главным результатом взаимодействия гидроксил-радикала с молекулами МЛТ и GSH следует считать наличие существенных антиоксидантных свойств мелатонина и глута-тиона, больших естественно у глутатиона, которые проявляются в ослаблении «внешних» связей атомов по превалирующим направлениям взаимодействия, отвечающим минимальным значениям энергии.
Выводы
1. На основании результатов квантово-химического моделирования взаимодействия молекул мелатонина и глутатиона с гидроксил-радикалом установлен микроскопический механизм антирадикальной активности этих молекул.
2. Предложенная концептуальная схема из-
менения межатомных связей между «внешними» атомами антиоксидантов под воздействием свободного радикала он, которая позволила установить наиболее вероятные активные центры в протекании red-oxi реакций, обуславливающие антиоксидантную активность МЛТ и GSH.
3. Установлен приоритет антирадикальной активности GSH в сравнении с таковым для МЛТ, вызванный разрывом «внешних» связей С-Н и S-H в молекуле глутатиона.
4. Моделирование эффекта увеличения концентрации гидроксил-радикала относительно молекул GSH и МЛТ (5:1) принципиально не меняет обнаруженный механизм, что указывает на инвариантность протекания таких реакций относительно концентрации свободных радикалов.
5. Установлена перспективность квантово-
химических расчетов для правильности передачи на наноуровне взаимодействий биологических молекул на макроуровень с целью научно-обоснованного объяснения воздействия антиок-сидантов на различные свободные радикалы и активные формы кислорода.
Литература
1. Шаповал Г.С. Вольтамперометрическое исследование каталитических redox-процессов с участием аминокислот / Г.С. Шаповал, И.Е. Миронюк, В.Ф. Громовая [и др.] // Катализ и нефтехимия. - 2006. - № 14. - С. 43-48.
2. Громовая В.Ф. Электрохимическое моделирование элементарных стадий окислительно-восстановительных реакций в биосистемах / В.Ф.Громовая, Г.С. Шаповал, В.П. Кухарь [и др.] // До-повщ НАН УкраТни. - 1995. - № 3. - С.92-94 .
3. Wetterberg L. Melatonin and clinical application / L. Wetterberg // Reprod. Nutr. Dev.- 1999.-V.39, № 3. - P.367-382.
4. Хавинсон В.Х. Влияние эпиталамина на свободнорадикальные процессы у человека и животных / В.Х. Хавинсон, В.Г. Морозов,
B.Н. Анисимов // Успехи геронтологи. - 1999.- Вып. 3. - С.259-265.
5. Boutin J. Molecular tools to study melatonin pathways and actions / J. Boutin, V. Audinot, G. Ferry // Trends Pharmacol Sci.- 2005. - V. 26, № 8. - P. 409-412.
6. Беленичев И.Ф. Регуляция антиоксидантного гомеостаза и системы детоксикации организма гормоном мелатонином. Роль мелатонин-зависимых рецепторов в реализации этой функции / И.Ф. Беленичев, Ю.И. Губский, Е.Л. Левицкий [и др.] // Соврем. проблемы токсикологии. - 2003. - № 2. - С.2-16.
7. Арушанян Э.Б. Мелатонин и болезнь Альцгеймера /Э.Б.Арушанян // Неврология и психиатрия. - 2010. - № 1. -
C.100-106.
8. Бачурин С.О. Медико-химические подходы к направленному поиску препаратов для лечения и предупреждения болезни Альцгеймера / С.О.Бачурин // Вопросы медицинской химии.-2001.- № 2.- С. 11-25.
9. Чеснокова Н.П. Молекулярно-клеточные механизмы инактивации свободных радикалов в биологических системах / Н.П. Че-
снокова, Е.В. Понукалина, М.Н. Бизенкова // Успехи соврем. естествознания - 2006.- № 7. - С.29-41.
10. Hothorn M. Structural Basis for the Redox Control of Plant Glutamate Cysteine Ligase Wachter / M. Hothorn // Journal of Biological Chemistr - 2006. - V. 281.- P. 27557-27565.
11. Кветная Т.В. Мелатонин: Роль и значение в возрастной патологии / Т.В. Кветная; Под ред. В.Х. Хавинсона. - СПб. : ВМЕДА, 2003. - 256 с.
12. Сорочан П.П. Рак молочной железы и мелатонин / П.П. Соро-чан, И .А. Громакова // Онкология. - 2007. -Т.9, № 1. - С.11-17.
13. Левин Я.И. Мелатонин и неврология / Я.И. Левин // Русский медицинский журнал. - 2007. - № 24. - С.1851-1855.
14. Russel J.Melatonin: Lowering the High Price of Free Radicals / J. Russel // News Physiol. Sci. - 2000. - V.15. - P. 246-250.
15. Шаповал Г.С. Электрохимическое исследование антиоксидант-ных свойств мелатонина / Г.С. Шаповал, Т.Ю. Кузнецова,
B.В.Соловйов [и др.] // Доповщ НАН УкраТни. - 2009. - № 9. -
C.159-164.
16. Delagrange P. Melatonin, its receptors, and relationships with biological rhythm disorders / P. Delagrange, B. Guardiola-Lemaitre // Clin. Neuropharmacol. - 1997. - V.6. - P. 482-510.
17. Tsendra O. Interaction of some biomolecules with modified nanosilica surfaces studied by quantum chemistry / O. Tsendra, A. Datsyuk, V. Lobanov [ et al.] // Surface Chemistry in Biomedical and Environmental Science. - NATO Science Series. - Series II: Mathematics, Physics and Chemistry / J.P.Blitz, V.M.Gunko. -2006. - V. 228. - P. 315-324.
18. Tsendra O. Structure and properties of hydrated complexes of methylphosphonic acids / O.Tsendra. A. Grebenyuk, V.Lobanov // J. Mol. Struct.: THEOCHEM. - 2008. - V. 864.- P. 14-19.
19. Соловьев В.В. Квантово-химическое исследование влияния гормона мелатонина на активные формы кислорода / В.В. Соловьев, Т.Ю. Кузнецова // Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии: IV Всеукраин. науч.-техн. конференция.- Севастополь, 2008.- С.211-214.
20. Кузнецова Т.Ю. Перспективи в дослщженш антиоксидантних властивостей мелатоншу i глутатюну / Т.Ю Кузнецова, В.В.Соловйов, Г.С. Шаповал [та ш.] // Проблеми й перспективи розвитку академiчноТ та ушверситетськоТ науки: IV всеукраТнсь-ка науково-практична конферен^я. - Полтава, 2011.- С. 173175.
Реферат
МОДЕЛЮВАННЯ АНТИОКСИДАНТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МЕЛАТОН1НУ I ГЛУТАТ1ОНУ ПРИ ВЗАСМОДИ 13 Г1ДРОКСИЛ-РАДИКАЛОМ
Кузнецова Т.Ю., Соловйова Н.В.
Ключов1 слова: антиоксиданти, мелатожн, пдроксил-радикал, глутатюн
Проведений порiвняльний аналiз антиоксидантних властивостей мелатоншу i глутатюну за результатами неемшричних квантово-хiмiчних розрахунш взаемоди iз пдроксил-радикалом. Показано, що п-дроксил-радикал стимулюе вщрив у молекул мелатоншу i глутатюну «зовшшшх» атомiв водню. Вста-новлена iнварiантнiсть проткання таких реакцш щодо концентрацп пдроксил-радикала. Встановлений прюритет антирадикально'Г активност глутатюну у порiвняннi з мелатоншом.
Summary
SIMULATION OF ANTIOXIDANT PROPERTIES OF MELATONIN AND GLUTATHIONE IN CONTACT WITH HYDROXYL RADICALS Kuznetsova T.Y., Solovyova N.V.
Key words: antioxidants, melatonin, hydroxyl-radical, glutathione.
This paper highlights the comparative analysis of the antioxidant properties of melatonin and glutathione obtained by ab initio quantum and chemical calculations of the interaction with the hydroxyl-radical. It has shown hydroxyl radical stimulates the separation of "external" hydrogen atoms in the molecules of melatonin and glutathione. We have established the invariance in the course of such reactions depending on the concentration of hydroxyl radical as well as the priority of the antiradical activity of glutathione compared with melatonin.
