CC BY
44
2. Букатов В.М., Ершова А.П. Нескучные уроки физики, математики, географии, химии и биологии: пособие по социоигровой педагогике. К.: Изд-во Дом «Шкшьний свгг»: Изд. Л. Галицина, 2006. 128 с.
3. Ершов П.М., Ершова А.П., Букатов В.М. Общение на уроке, или режиссура поведения учителя. 2-е изд., перераб. и доп. М., 1998. 336 с.
4. Ершов П.М. Искусство толкования: в 2-х кн. М., 1997. Кн. 1. 349 с.; Кн.2. 608 с.
5. Лазутша О.М. Особливосп формування понятшного апарату оргашчно! хiмil // Збiрник наукових праць Бердянського державного педагопчного ушверситету (Педагогiчнi нау-ки). № 1. Бердянськ: БДПУ, 2010. С. 114-119.
6. Профшьне навчання хiмil / упоряд. Г. Мальченко. К.: Изд. Дом «Шкшьний свт>: Изд. Л. Галицина, 2005. 128 с.
Д.В. Пивоваров, О.П. Ткаченко, П.П. Исаев
ПРИМЕНЕНИЕ ИДЕИ АДДИТИВНОСТИ ВКЛАДОВ ФРАГМЕНТОВ МОЛЕКУЛ ПРИ РАСЧЕТЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В QSAR МЕТОДАХ
Токсичность химических веществ может быть смоделирована в QSAR совокупностью одного (нелинейная комбинация) или нескольких дескрипторов, которые отражают механизм проникновения и действия веществ. Ярким примером является явная электрофильность макромолекул, содержащих нуклеофильные группы О, NH и SH [1]. Для оценки lg(p) существует множество теоретических подходов. Теоретическая оценка и некоторые экспериментальные данные доступны в некоторых версиях ряда пакетов прикладных программ Chem3D Ultra 6.0. Возьмем, к примеру, ряд молекул, представляющих собой присоединяемые алкильные или ацильные заместители при синтезе замещенных адамантанов табл. 1. Компьютерная программа позволяет рассчитать искомую величину. Найдя экспериментальные данные по некоторым молекулам можно построить график корреляции расчетных значений, вычисленных методом наименьших квадратов, от экспериментальных данных рис. 1.
Таблица 1
№ nr1r2 lg(p)
Эксп. Расч.
а). 1-аминоадамантана
I NH3 , - -
II NH2CH3 -0,57 -0,65
III nh2ch2ch3 -0,30 0,00
IV NH(CH3)2 -0,13
V nh2coch3 -1,26 -0,71
VI NH2COCH2Q -0,53 -0,57
№ ЫЯ1Я2 Ш
Эксп. Расч.
VII ]мн2то(сн2)2а - -0,12
VIII М^ТОСН^СНзЪ - -1,24
IX м^га^^шснзЪ - -0,79
X 1МН2га(СН2)2М(С2Н5)2 - -0,24
б). Диаминоадамантана
XI МН3 - -
XII ]мн2гасн3 - -
XIII 1МН2ТОС17Н35 - 6,59
в). 2-аминоадамантана
XIV МН2(СНз)2 - -
XV Н2 Н2 __с—0^ ™Сс-с-сН2 Н2 Н2 0,84 0,76
Рис. 1
у = 0,8 9х + 0,12
Для удобства к совокупности молекул добавлены аминоадамантаны, содержащие радикалы МН(С2Н5)2 (экспериментальный ^(р) = 0,58 и расчетный 0,65); МН(С3Н7)2 (экспериментальный ^(р) = 1,46, расчетный 1,57, в дальнейшем они понадобятся для решения системы уравнений). Исходя из графика, видно - линия корреляции оказалась в некоторых местах либо ниже, либо выше кривой у = х, что позволяет говорить о распределении завышенных и заниженных данных. Результатом рассуждений является необходимость иного подхода к вычислению коэффициента распределения вещества.
Для многих систем на основании предположения об аддитивности вклада субструктурных фрагментов молекулы может быть проведен приближенный расчет величин р). Расчет параметров гидрофобности непосредственно из структуры молекулы был выполнен еще Нисом и Рек-кером. Метод расчета основан на определении параметров гидрофобности / фрагментов молекулы, которые описывают вклад отдельных субструктур в суммарную липофильность молекулы. Таким образом, величина р) рассчитывается по следующему соотношению:
= Е аг/г, (1)
где / - параметр гидрофобности фрагмента (АВ) (А, В - обозначение атомов химических элементов), а - число фрагментов данного типа в структуре. Величины / находят путем множественного регрессионного анализа представительной выборки молекул, для которых известны значения ли-пофильности. После этого липофильность соединения, не представленного в обучающей выборке, может быть рассчитана путем суммирования значений / структурных фрагментов исследуемой молекулы.
Для веществ, входящих в таблицу составим систему линейных уравнений вида:
2(ЫН) + 1(СЫ) + 3(СН) = -0.57;
2(ЫН) + 1(СЫ) + 5(СН) + 1(СС) = -0.30;
2(ЫН) + 1(СЫ) + 3(СН) + 1(СС) + 1(ТО) = -1.26;
2(ЫН) + 1(СЫ) + 2(СН) + 1(СС) + 1(ТО) + 1(Са) = -0.53;
1(ЫН) + 2(СЫ) + 10(СН) + 2(СС) + =0.58;
1(NH) + 2(СЫ) + 14(CH) + 4(СС) + =1.46;
1(NH) + 2(СЫ) + 10(CH) + 4(СС) =0.84.
Как можно заметить, уравнения строятся по принципу количества связей того или иного типа, входящих в молекулярную структуру. В качестве столбца свободных членов матрицы такой системы выступают данные по экспериментально найденным значениям коэффициента распределения вещества в системе октанол-вода. Произведя решение методом наименьших квадратов, находим вклад определенного вида химических связей: (ЫЫН) = -0,36; (СЫ) = -0,36; (Ж) = 0,15; (СС) = 0,11; (СО) = -0,74; (СС1) = 0,88. Открытым остается вопрос значимости всех вкладов.
Таблица 2
№ ЫЯгЯг ш е
Эксп. Расч.
1 ЫН2СН3 -0,57 -0,64 -0,07
2 ЫН2СН2СН3 -0,30 -0,23 0,07
3 ЫН2ТОСН3 -1,26 -1,26 0
4 ы^тос^а -0,53 -0,53 0
5 МН(С2Нз)2 0,58 0,61 0,03
6 ЫН(СэН7)2 1,46 1,43 -0,03
7 Н2 Н2 __с—0^ Н2 Н2 0,84 0,84 0
Исходя из величин, найденных выше, составляется таблица 3, в которую входят данные по веществам группы Ы-алкильных и Ы-ацильных производных:
а) 1-аминоадамантана (рис. 2а);
б) 2-аминоадамантана (рис. 2б);
в) диаминоадамантана (рис. 2в).
Рис. 2а Рис. 2б Рис. 2в
Таблица 3
№ ЫЯ1Я2 ш, форм.1 Р0 е НСМО, (эВ) Ш
Эксп Расч.
а). 1-аминоадамантан
I ЫН2 ,мидантан 2,49 26,60 1,70 1,79
II ЫНСН3 2,93 26,41 1,82 1,77
III ЫНСН2СН3 3,34 26,37 1,70 1,74
IV М(СНз)2 3,39 26,13 1,87 1,74
V ЫНСОСН3 2,31 3,55 1,18 1,34
VI ЫНСОСН2С1 3,04 3,42 1,24 1,3
VII ЫНСО(СН2)2С1 3,45 3,46 1,15 1,28
VIII ыНСОСН2м;СНз)2 1,98 3,40 1,51 1,36
IX ЫНСО(СН2)2К(СН3)2 2,39 3,34 1,32 1,33
X ЫНСО(СН2)2К(С2Н5)2 3,21 3,29 1,30 1,29
б). Диаминоадамантан
XI ЫН2 4,79 23,56 1,6 1,61
XII ЫНСОСН3 4,43 3,19 1,46 1,22
XIII ЫНСОС17Н35 17,55 3,29 0,48 0,52
в). 2-аминоадамантан
XIV М(СНз)2 3,39 26,27 1,54 1,74
XV Н2 Н2 0—0-0Н2 Н2 Н2 4,41 26,32 1,88 1,69
Методом наименьших квадратов (МНК) получено корреляционное уравнение для замещенных адамантанов:
¡Я(Л) =-0,054(±0,022Мр) + 0,02(±0,0072)Бьимо + 1,396(±0,17), (2) п=15, г=0,93, s=0,143, f=38,8, где А (ed50 эффективные дозы), полученные на скрининго-вых тестах трифтазиновой модели каталепсии у мышей, еьимо энергия нижней свободной молекулярной орбитали, s - среднеквадратичная ошибка, г2 - квадрат коэффициента корреляции, f - статистическая критерий Фишера.На графике рис. 3 регрессионной зависимости расчетных значений от экспериментальных данных по уравнению (2).
Исходя из полученных данных, необходимо построить теорию, способную описать механизм действия препарата на структуры, встречающиеся в природных белках. Еще в начале 70 годов стали формироваться представления о гетерогенности рецепторов возбуждающих аминокислот (ВАК) - глютаминовой и её аналогов [3]. В частности был выделен подтип постсинаптических ВАК рецепторов, специфически связывающих и возбуждаемых Ы-метил-Б-аспарагиновой кислотой (ЫМБЛ). Наличие у мидантана свойств неконкурентного антагониста рецепторов ЫМБЛ может объяснять (помимо его прямого действия на дофаминергические тормозные проекции) аспект механизма противопаркинсонического действия препарата.
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Рис. 3
Гипервозбуждение ММЭЛ рецепторов играет главенствующую роль в пресыщении цитоплазмы различных нейронов ионами кальция при развитии феномена нейротоксичности. Поэтому приостановить или прервать процесс накопления ионов кальция в цитоплазме, являющейся конденсированной высокополярной средой, можно с помощью применения прямых или непрямых антагонистов ММЭЛ рецепторов.
Моделирование прямого взаимодействия производных аминоадамантана, соответствующего состоянию молекул в вакууме, позволяет говорить об образовании относительно устойчивого комплекса между М-метил-Э-аспарагиновой кислотой и препаратом (рис. 4). На основе полученных данных становится возможным предполагать, что активные вещества влияют на медиаторные системы не за счет взаимодействия с ММЭЛ рецепторами.
Рис. 4
Выраженное периферическое и центральное холинолитическое действие позволяет предположить постсиноптическое действие и блокирование ионофорного канала Н-холинорецептора в открытом и закрытом состоянии [4]. Данный пример представляет собой канал, работа которого регулируется нейромедиатором. Эти каналы находятся главным образом в концевых пластинках - пост-синаптических мембранах и имеют вид плотно упакованных кластеров в плазматической мембране. Следует отметить, что номенклатура и классификация нейромедиаторных рецепторов основаны главным образом на данных о влиянии на них различных лекарственных веществ, в особенности тех, которые выступают в роли агонистов, стимулируя рецептор наподобие естественного нейромедиатора, или антагонистов, которые блокируют стимулирующий эффект агонистов. Выделенный и очищенный канал состоит из пяти полипептидных субъединиц четырех разных типов.
Субъединицы близки друг к другу по аминокислотной последовательности и различаются по кажущейся молекулярной массе (от 40000 до 68 000). В связи с этим возникает предложение о замещении модели канала другой экспериментальной моделью, обладающей аналогичными свойствами, проявляемыми физиологическиважными каналами. Уже давно для изучения белково-ли-пидных взаимодействий используются пептиды. В большинстве случаев это были природные мем-браноактивные пептиды, в первую очередь грамицидин А, аламетицин и меллитин. Канал, образуемый грамицидином А - гидрофобным пептидом из чередующихся L- и D-аминокислот, - охарактеризован к настоящему времени наиболее полно. Он имеет следующую аминокислотную последовательность: HCO-L-Val-Gly-L-Ala-D-Leu-L-Ala-D-Val-L-Val-D-Val-L-Trp-D-Leu-L-Trp-D-Leu-L-Trp-D-Leu-L-Trp-NHCH2CH2OH. Отметим некоторые особенности. Грамицидин А чрезвычайно гидрофобен, он не содержит ни одной полярной аминокислоты. Проводимость единичного канала, образуемого грамицидином, довольно велика. Канал является катионселективным. Небольшие неорганические и органические катионы проходят через него, в то же время проницаемость по Cl- равна нулю. Хотя этот анион достаточно мал, чтобы легко пройти через пору такого диаметра, он не транспортируется через грамициднновый канал и не блокирует его. Этот факт весьма примечателен, если принять во внимание, что в грамицидине нет полярных или заряженных аминокислот. Молекулы могут проходить через канал только поодиночке, поскольку его диаметр составляет всего 4 А. Следовательно, транспортируемый ион в момент вхождения в канал должен частично дегидратироваться. Помимо переносимого катиона в канале могут находиться от пяти до семи молекул воды, и ион будет контактировать с двумя из них, находящимися спереди и сзади от него. Транспорт ионов через канал, образуемый грамицидином А, характеризуется при достаточно высоких концентрациях соли кинетикой с насыщением. Открывание и закрывание грамицидинового канала происходит соответственно в результате ассоциации мономеров, образующих димер, и диссоциации димера. Когда грамицидин А находится в отрицательно заряженном липидном бислое, под влиянием поверхностных зарядов может произойти увеличение локальной концентрации катиона у входа в грамициди-новую пору. Это значительно увеличит проводимость канала при низких концентрациях соли.
Полная энергия взаимодействия мидантана с грамицидином 44,26 эВ.
Опробовано и теоретически обосновано применение аддитивной схемы подсчета величины lg(p). Получена оценка точности метода применительно к QSAR расчетам. Методы QSAR, представленные здесь, могут использоваться для прогноза, как токсичности, так и иных видов активности, обуславливаемых эффектами явления переноса заряда и проникновения через биологические мембраны с дальнейшим взаимодействием с биологическими центрами и рецепторами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Dearden J.C., Netzeva T.I. QSAR prediction of environmental toxicity of oxygen - and sulphur-containing heterocycles // Химия и биологическая активность синтетических и природных соединений: "Кислород- и серусодержащие гетероциклы" / под ред. д-ра хим. наук В.Г. Карцева. М.: IBS PRESS, 2003. 505 с.
2. Финкельштейн Е.Е., Колосова Е.А., Яшкин С.Н., Курбатова С.В. Топология алкилпроизводных адамантана // Журнал структурной химии. 2004. № 1. С. 144-149.
3. Морозов И.С., Петров В.И., Сергеева С.А. Фармакология адамантанов. Волгоград: Волгоград. мед. академия, 2001. 320 с.
4. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: пер. с англ. М.: Мир, 1997. 624 с., ил.
