CC BY
20
УДК 544.18/577.29:577.17
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОГО МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ АГОНИСТОВ
ДОФАМИНОВОГО РЕЦЕПТОРА
© 2017 Н. Б. Кузнецова, П. Е. Кузнецов
1канд. хим. наук, доцент кафедры химии e-mail: [email protected]
2докт. хим. наук, профессор кафедры химии e-mail: [email protected]
Курский государственный университет
На основе расчетов методом функционала плотности и рентгеноструктурных данных из Protein Date Bank предложена модель взаимодействия дофаминового рецептора с его агонистами. Возможный механизм молекулярного действия заключается в том, что происходит перенос электрона с комплекса рецептор - гуанозиндифосфат на протонированный агонист.
Ключевые слова: квантово-химическая модель, агонисты дофаминового рецептора, протонирование, перенос электрона.
Авторы настоящей статьи предлагают гипотезу механизма действия гормонов и гормоноподобных соединений на молекулярном уровне. Она заключается в том, что гормоны являются переносчиками электронов и могут быть как донорами [Кузнецова и соавт. 2006; Кузнецов и соавт. 2013; Кузнецов и соавт. 2016; Кузнецова, Кузнецов 2013], так и акцепторами электронов [Кузнецова, Кузнецов 2014: №2; 2015: №4; 2016: №1; 2016: №3; 2014: №1; 2017: №1; 2017: №2]. Таким образом, молекулы гормонов, возможно, множество раз могут участвовать в биохимических реакциях, не разрушаясь и создавая эффект высоких концентраций. Гипотеза была подтверждена квантово-химическими расчетами и некоторыми экспериментальными данными [Кузнецова, Кузнецов 2013; 2014: №1; 2014: №2; 2014: №4].
В данной статье методом функционала плотности (DFT) исследовалось взаимодействие трансмембранного дофаминового рецептора с его агонистом -нейромедиатором дофамином (2-(3,4-дигидроксифенил)этиламином).
Лиганды дофаминового D2 рецептора представляют собой два класса лекарственных соединений: антагонисты дофаминового D2 рецептора являются лекарствами от шизофрении, агонисты дофаминового D2 рецептора являются лекарствами от паркинсонизма [Сергеев 1999]. Механизм действия лигандов основан на их связывании с дофаминовым D2 рецептором [Андреев 2005].
Расчеты выполнены с применением программы Gaussian 09 [www.gaussian.com]. Предварительный расчет был проведен с использованием программы HyperChem 7.01 и метода MNDO/d [Hyper Chem Release 7 for Windows].
Модель в методе DFT была построена на основе полуэмпирической модели [Кузнецова, Кузнецов 2016: №1(9)]. В расчетах учитывались экспериментальные данные
рентгеноструктурного анализа базы Protein Date Bank и принцип построения модели как комплекса молекулы дофамина, фрагмента активного центра рецептора и гуанозиндифосфата (ГДФ) G-белка.
В базе Protein Date Bank найдены рентгеноструктурные данные (PDB 3PBL) дофаминового D3 рецептора человека в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (5-хлор-3-этил-N- [[(2S)-1 -этилпирролидин-2-ил]метил] -2-гидрокси-6-метоксибензамидом), который является антагонистом также и D2 рецептора; данные же по D2 рецептору отсутствуют. Ранее было установлено, что структура группы аминокислот, взаимодействующих с лигандами динорфинового, энкефалинового и эндорфинового рецепторов, одинакова. Можно предположить то же самое и в случае дофаминовых рецепторов. Под фрагментом активного центра мы понимаем несколько аминокислот рецептора, которые через водородную связь связываются с лигандами.
Структура дофаминового D3 рецептора в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (PDB 3PBL) представлена
Рис. 2. Структура дофаминового D3 рецептора в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (PDB 3PBL). Пунктиром отмечена водородная связь между аминокислотой Asp110 рецептора и антагонистом
На рисунке 2 видно, что молекула лиганда фиксируется одной водородной связью. Кроме того, лиганд определенным образом вписывается в структуру дофаминового D3 рецептора, образуя водородную связь с аспарагиновой кислотой активного центра.
Заряд фрагмента рецептора, связанного с лигандом, равен минус 1. Таким образом, этот фрагмент насыщен избытком электронной плотности и является ее донором. Известно [Андронатти и соавт. 2013], что агонисты и антагонисты дофаминового D2 рецептора
Рис. 1. Структура дофаминового D3 рецептора в комплексе с антагонистом этиклопрайдом (PDB ЗРВЬ), молекула которого отмечена желтым цветом
протонируются по аминогруппе. Таким образом, они заряжены положительно и могут являться акцепторами электронной плотности. Следовательно, можно ожидать переноса электронной плотности с рецептора на агонист дофаминового Б2 рецептора.
Молекула дофамина может быть протонирована по аминогруппе. Протонированный дофамин также является акцептором электронов.
Молекула ГДФ встроена в О-белок. Известно, что после взаимодействия с агонистами трансмембранных рецепторов в комплексе [О-белок - рецептор - агонист рецептора] О-белок распадается на три субъединицы, и одна из них передает сигнал внутрь клетки [Албертс и соавт. 1994; Кольман 2000]. Процесс начинается с замены ГДФ на гуанозинтрифосфат. Поэтому мы считаем, что донором электронов является ГДФ. Это подтверждается тем, что депротонированный ГДФ содержит пять атомов кислорода, насыщенных электронной плотностью.
Схема переноса электрона с ГДФ на дофамин представлена уравнением:
АТ 1Т 41
[[А+Н+^ АН+]+К"+ООН"2] —► [АН
1Т
■Я"—ООН'2] -► [АН*
—Я"—ООН"2]
с
-2
У
С-2
е" Н+ Н ? г
ТТ Т 1Т т
[АН'+К"Н++00"2]| АН'+Я"Н +00"2'|-> [ АН"+К/Н++00-2] - А+Я"
С-2
11+12+1:
, 1)
где Я- - фрагмент активного центра рецептора с зарядом минус один и ионизированными К,С-концевыми группами;
ООН-2 - гуанозиндифосфат, заряд минус два;
ОО-2' - радикал ГДФ после переноса электрона с ГДФ на протонированный дофамин и переноса протона с ГДФ на фрагмент активного центра рецептора, заряд минус два;
А - агонист дофамин, заряд 0;
-2
С - комплекс исходных реагентов, заряд минус два;
вверху строки схематически изображено спиновое состояние электронов на верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО): Е - синглетное, ТТ - триплетное;
II, 12, 1з - интермедиаты;
Р - продукты реакции;
--- - обозначено существование водородных и ионных связей соединений комплекса.
Упрощенная модель комплекса представлена на рисунке 3.
В модели комплекса в качестве агониста рассматривался протонированный по аминогруппе дофамин (с зарядом плюс один), который может являться акцептором электронов.
В качестве модели рецептора применялась аспарагиновая кислота с зарядом минус один. Согласно экспериментальным данным, она образует водородную связь с лигандом. К- и С-концевые группы ионизированы в соответствии с экспериментальными данными.
ГДФ имеет заряд минус два и может являться донором электронов. В комплексе (дофамин - рецептор - ГДФ) возможно перераспределение электронной плотности, которое может повлечь смещение равновесия в сторону триплетного состояния за счет высокой вероятности переноса электрона.
Рис. 3. Упрощенная модель комплекса фрагмента активного центра дофаминового рецептора, протонированного дофамина и гуанозиндифосфата. Пунктиром показаны водородные связи между дофамином, активным центром рецептора и ГДФ
На следующем этапе методом функционала плотности ББТ в параметризации Б3ЬУР в базисе БТО 6-31О(ё) был рассчитан упрощенный комплекс протонированного дофамина, активного центра рецептора и гуанозиндифосфата (ГДФ) О-белка (С-2 в уравнении) в триплетном состоянии. В результате расчетов была найдена стационарная точка на поверхности потенциальной энергии. Распределение спиновой плотности
фрагмент активного центра дофаминового рецептора и гуанозиндифосфат. Комплекс находится в триплетном состоянии. Эллипсами показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами
В результате перераспределения электронной плотности в комплексе после взаимодействия произошел перенос протона от ГДФ на фрагмент активного центра рецептора, а также перенос электрона от ГДФ на протонированный дофамин и депротонирование дофамина.
Изменение зарядового распределения после взаимодействия также свидетельствует о переносе электрона с ГДФ на дофамин.
В каждой из областей, отмеченных на рисунке, на валентной оболочке находится по одному электрону с параллельными спинами. Так, один электрон локализуется на молекуле ГДФ на атомах кислорода, а другой - на аминогруппе дофамина. После взаимодействия происходит депротонирование дофамина.
Таким образом, вероятный механизм молекулярного действия заключается в переносе электрона с гуанозиндифосфата на протонированный дофамин при их взаимодействии в комплексе с рецептором. Это возможно лишь в случае смещения равновесия синглетного и триплетного состояний комплекса в сторону триплетного состояния. После взаимодействия образуются следующие вероятные интермедиаты:
- радикал протонированного дофамина АН;
- протонированный фрагмент активного центра рецептора Я-И+ с зарядом ноль;
- радикал ГДФ (ОО-2') после переноса электрона на дофамин и протона на фрагмент активного центра рецептора с зарядом минус два.
После переноса электрона, депротонирования и диссоциации комплекса дофамин теряет электрон и вновь может многократно взаимодействовать с рецептором.
Расчеты, выполненные методом функционала плотности (ОБТ) в параметризации Б3ЬУР в базисе БТО 6-31О(ё), показали, что интермедиаты термодинамически устойчивее исходных реагентов на 18,6 ккал/моль. Таким образом, триплетное состояние комплекса (ГДФ, фрагмент активного центра рецептора, дофамин) устойчивее синглетного на 18,6 ккал/моль, и равновесие между синглетным и триплетным состояниями комплекса сдвинуто в сторону триплетного состояния.
Возможный механизм взаимодействия агонистов с дофаминовым рецептором, в соответствии с расчетами ББТ, заключается в следующем:
- агонисты протонируются на поверхности мембраны;
- затем взаимодействуют с рецептором, образуя комплекс через водородную связь с аспарагиновой кислотой активного центра рецептора, если нет стерических препятствий;
- после электронного взаимодействия комплекс переходит в триплетное состояние и электрон переносится с ГДФ на агонист;
- после диссоциации агонист депротонируется, теряет электрон и вновь может многократно взаимодействовать с рецептором;
- радикал ГДФ с измененными структурными параметрами вытесняется из комплекса гуанозинтрифосфатом, О-белок распадается на три субъединицы и одна из них передает сигнал далее вглубь клетки.
Таким образом, в результате расчетов методом ББТ уточнен возможный механизм действия агонистов дофаминового рецептора на молекулярном уровне. Механизм заключается в том, что протонированный агонист или дофамин катализируют перенос электрона с ГДФ на агонист. Антагонисты, напротив, блокируют перенос электрона. Агонисты, таким образом, являются переносчиками электронов, которые, оставаясь в неизменном виде, могут многократно участвовать во взаимодействии с рецептором и ГДФ с последующей передачей сигнала вглубь клетки. В результате малые количества дофамина или агонистов дофаминового рецептора создают эффект высоких концентраций.
Библиографический список
Альбертс Б., Брей Д., Льюис Д., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Д. Молекулярная биология клетки: в 3 т.: пер. с англ. М.: Мир, 1994. 1560 с.
Андреев Б.В. Атипичные антипсихотические средства нового поколения: итоги и перспективы // Обозрение психиатрии и медицинской психологии им. В.М. Бехтерева, 2005. Т. 02. № 2. С. 3-10.
Андронатти С.А., Карасева Т.Л., Замковая А.В. и др. Лиганды 5-НТ1А и D2 рецепторов - №(арилпиперазинил)бутилимиды бицикло[2.2.1]гент-5-ен-эндо-эндо-2,3-дикарбоновой кислоты и их нейротропные свойства // Журнал оргашчно!' та фармацевтично'1 ими. 2013. Т. 11. Вип. 4(44). С. 72-76.
Кольман Я., Рем К. Наглядная биохимия: пер. с нем. М.: Мир, 2000. 469 с. Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Квантово-химическая модель гормонов щитовидной железы как доноров и переносчиков электронов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2013. № 4. С. 179-184.
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Квантово-химическое моделирование механизма действия лигандов NR3C4 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 1(1). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/001-004.pdf (дата обращения: 13.08.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов холецистокининового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 2(2). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/002-003.pdf (дата обращения: 13.08.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия гормонов как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 4(4). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/004-004.pdf (дата обращения: 13.08.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия агонистов NRзC4-рецептора как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 2(6). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/006-002.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е Возможный механизм биологического действия ДНК как доноров электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 1(5). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/005-004.pdf (дата обращения: 13.08.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности лигандов каппа-опиоидного рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2015. № 4 (8). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/008-002.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецов П.Е., Кузнецова Н.Б., Власов И.А. Экспресс-метод определения 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в водных средах // Электронный научный журнал. Ученые записки Курского государственного университета. 2013. Вып. 3(27). Ч. 2. URL: www.scientific-notes.ru/pdf/032-014.pdf (дата обращения: 13.08.2017)
Кузнецов П.Е., Кузнецова Н.Б., Власов И.А. Реакция образования пероксида водорода, катализируемая диоксиноподобными соединениями // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 2 (10). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/010-001.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов дофаминового D2 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 1 (9). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/009-002.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов динорфинового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016а. № 3 (11). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/011-001.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Новый электронный дескриптор, отражающий биологическую активность лигандов внутриклеточных рецепторов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016б. № 4 (12). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/012-001.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов ядерного NR3C4 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 1(13). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/013-002.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов ядерного эстрогенового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 2(14). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/014-001.pdf (дата обращения: 05.10.2017)
Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е., Согуренко И.А. Возможный механизм токсического действия экотоксикантов класса дибензо-п-диоксина // Вестник Саратовского государственного аграрного университета. 2006. № 2. С. 18-24.
Сергеев П.В., Шимановский Н.Л., Петров В.И. Рецепторы физиологически активных веществ. Волгоград: Изд-во «Семь ветров», 1999. С. 168-215.
Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.
Protein Data Bank [Сайт]. URL: www.rcsb.org/pdb/home/home.do (дата обращения: 02.10.2015)
www.gaussian.com [Сайт]. URL: (дата обращения: 05.10.2017).
