CC BY
23
УДК 544.18/577.29:577.17
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОГО МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
© 2018 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2
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 квантово-химических расчетов взаимодействия 3,3',5'-трийодтиронина (Тз) с молекулой кислорода предложен возможный механизм действия гормонов щитовидной железы с биомишенями. Он заключается в том, что при взаимодействии Т3 с молекулярным кислородом цитохромоксидазы в реакции окислительного фосфорилирования происходит перенос электрона с Т3 на кислород. Гормоны щитовидной железы могут выступать в качестве доноров или переносчиков электронов, катализируя образование АТФ. Объясняются гормональный эффект Т3 и ряд экспериментальных данных.
Ключевые слова: 3,3',5'-трийодтиронин, молекула кислорода, триплетное состояние, механизм действия, перенос электрона, квантово-химическая модель.
Экспериментальные данные показывают, что тиреоидные гормоны влияют на сердечно-сосудистую, нервную, дыхательную системы, на метаболизм белков, жиров, углеводов и т.д. [1; 2; 8]. А. Ленинджер [4] отмечает, что молекулярный механизм действия гормонов щитовидной железы не установлен и неизвестна их биомишень в организме.
Главный результат действия тиреоидных гормонов состоит в увеличении скорости основного обмена. До сих пор остается неизвестным, как тиреоидные гормоны регулируют скорость основного обмена [Там же]. Изучение этой проблемы с позиций теоретической химии, электронного строения вещества и анализа биохимических свойств тиреоидных гормонов методами квантовой химии позволяет рассматривать данные соединения в качестве эффективных химических переносчиков электронов, увеличивающих скорость окислительных реакций, что ведет к увеличению скорости основного обмена.
Анализ экспериментальных данных с позиций молекулярных механизмов указывает, что все они могут быть объяснены тремя взаимодействиями тиреоидных гормонов: с ядерными рецепторами, с биомишенями в окислительных реакциях и с мембранными белками.
Взаимодействие с биомишенями в окислительных реакциях. Отмечается калоригенное действие тиреоидных гормонов [7], что может быть связано с усилением процессов окисления и фосфорилирования в реакции окислительного фосфорилирования. Гормоны щитовидной железы повышают потребление митохондриями кислорода, повышают в них теплообразование, обнаруживается «утечка» протонов через внутреннюю мембрану митохондрий, увеличивается синтез АТФ, митохондриальное
дыхание может усиливаться в 2 раза, увеличивается площадь поверхности внутренних мембран митохондрий [8; 9; 10]. Объясняются эти эксперименты [8] влиянием гормонов щитовидной железы на липидный состав мембран, усилением эффективности трансмембранного насоса, усилением проницаемости мембран для ионов Са++, что активирует фермент малатдегидрогеназу и процессы дыхания. Однако отмечается, что неизвестны места связывания гормонов щитовидной железы в митохондриях.
Электронный портрет молекулы Т3 показывает, что трийодтиронин может быть донором электронов. Так, о донорных свойствах молекулы свидетельствует сближение ВЗМО и ближайших трех орбиталей на расстоянии 0,29; 0,12 и 0,17 эВ. Это понижает активационный барьер на пути процесса переноса электрона с гормона на молекулу реагента.
Взаимодействие с молекулой кислорода. Основное состояние молекулы кислорода - триплетное. Таким образом, можно предположить, что при образовании комплекса с синглетной молекулой Т3 может возникнуть изменение мультиплетности у компонентов комплекса, которое приведет к перераспределению электронной плотности ВЗМО-орбитали. После взаимодействия в комплексе возможен перенос электрона, а молекула Т3 может являться как донором, так и переносчиком электрона. Таким образом, исследуем методами квантовой химии перераспределение электронной и зарядовой плотности в комплексе (триплетный кислород - молекула Т3).
Проанализируем механизм взаимодействия гидроксила Т3 с кислородом на примере реакции окислительного фосфорилирования. Цитохромоксидаза в комплексе с кислородом является конечным звеном в цепи переноса электронов в реакции окислительного фосфорилирования и катализирует перенос четырех электронов на кислород с образованием двух молекул воды. Четыре иона водорода Н+, которые тоже для этого необходимы, поступают из водной среды [5].
Таким образом, вполне вероятно, что гормоны щитовидной железы могут образовывать комплекс с кислородом цитохромоксидазы, а после присоединения протона к кислороду через водородную связь инициировать перенос электрона от молекулы гормона на молекулу кислорода, усиливая митохондриальное дыхание.
При этом молекула гормона рассматривается в качестве донора электронов, а молекула кислорода в комплексе с протоном - в качестве акцептора.
Расчеты выполнены с применением программы Gaussian 09 [12]. Предварительный расчет был проведен с использованием программы HyperChem 7.01 и метода MNDO/d [11].
Модель в методе DFT была построена на основе полуэмпирической модели [3]. В расчетах учитывался принцип построения модели как комплекса молекулы трийодтиронина, триплетной молекулы кислорода и протона, которые фиксировались водородной связью.
Заряд Т3 равен нулю, однако выше отмечались донорные свойства молекулы Т3, которая насыщена избытком электронной плотности. Молекула кислорода представлена в комплексе с протоном, который заряжен положительно и может являться акцептором электронной плотности. Следовательно, можно ожидать переноса электронной плотности с Т3 на триплетный кислород.
Схема переноса электрона с Т3 на пероксид представлена уравнением 1.
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2018. № 4 (20)
;т п п _е>.
[Тз+ОО+Н+]- [Тз---ОО---Н+]-[ Тз---ООН+]-
V__J \__J
V"
с+
—V-
с+
п т т
►[ Тз+"—ООН*]- [Тз+*+ООН*]- [Тз+*+ООН*]-Тз
V
(1)
с+
V 11+12
т
е-
Р
Здесь Тз - з,з',5'-трийодтиронин, заряд ноль;
ОО---Н+ - комплекс триплетной молекулы кислорода и протона, заряд плюс один;
ООН - радикал пероксида после переноса электрона с Тз, заряд ноль;
Тз+ - радикал Тз после переноса электрона на пероксид, заряд плюс один;
С+ - комплекс исходных реагентов, заряд плюс один;
вверху строки схематически изображено спиновое состояние электронов на верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО): -1Т - синглетное, П - триплетное;
II, 12 - интермедиаты;
Р - продукты реакции;
----обозначено существование водородных и ионных связей соединений комплекса.
Модель комплекса представлена на рисунке 1.
В модели комплекса в качестве реагентов рассматриваются гормон Тз с зарядом ноль, который может являться донором электронов, и комплекс триплетной молекулы кислорода и протона с зарядом плюс один, который может являться акцептором электронов.
Основное состояние комплекса (Тз - ОО - Н+) триплетное, так как молекула кислорода находится в нем в основном триплетном состоянии. В комплексе возможно перераспределение электронной плотности, в том числе и триплетных электронов ВЗМО-уровня.
3,3',5'-трийолтиро|1ин
Комплекс триплет-ного кнслорол!) с протоном /
С Ы '
Рис. 1. Упрощенная модель комплекса гормона 3,3',5'-трийодтиронина, триплетного кислорода и протона. Пунктиром показаны водородные связи
На следующем этапе методом функционала плотности DFT в параметризации B3LYP в базисе LANL2DZ был рассчитан комплекс гормона, молекулы кислорода и протона (С+ в уравнении) в триплетном состоянии. В результате расчетов была найдена стационарная точка на поверхности потенциальной энергии. Распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов, показано на рисунке 2._
Рис. 2. Распределение спиновой плотности в модели комплекса, содержащего 3,3',5'-трийодтиронин и пероксид. 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 на молекулу кислорода с образованием пероксидной частицы, а также перенос электрона от гормона Тэ на пероксид.
Изменение зарядового распределения после взаимодействия также свидетельствует о переносе электрона с гормона на кислород.
В каждой из областей, отмеченных на рисунке, на валентной оболочке находится по одному электрону с параллельными спинами. Так, один электрон локализуется на молекуле пероксида на атомах кислорода, а другой - на атомах гормона Тэ. После взаимодействия происходит протонирование молекулы кислорода.
Таким образом, вероятный механизм молекулярного действия заключается в переносе электрона с гормона Тэ на комплекс молекулы кислорода с протоном при их взаимодействии. После взаимодействия образуются следующие вероятные интермедиаты:
- радикал пероксида после переноса электрона с Тэ с зарядом ноль;
- радикал Тэ после переноса электрона на пероксид с зарядом плюс один.
После переноса электрона и восстановления гормон Тэ может вновь многократно взаимодействовать с кислородом цитохромоксидазы.
Расчеты, выполненные методом функционала плотности (DFT) в параметризации B3LYP в базисе LANL2DZ, показали, что интермедиаты термодинамически устойчивее исходных реагентов. Таким образом, основное состояние комплекса является триплетным.
Возможный механизм взаимодействия гормона Тэ с молекулярным кислородом цитохромоксидазы, в соответствии с расчетами DFT, заключается в следующем:
- гормон Тэ образует комплекс с молекулярным кислородом цитохромоксидазы;
- затем к этому комплексу присоединяется протон через водородную связь;
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета.
2018. № 4 (20)
- комплекс находится в основном триплетном состоянии, поскольку в его состав входит триплетная молекула кислорода;
- после электронного взаимодействия происходит перенос электрона с гормона Тз на кислород цитохромоксидазы;
- после диссоциации комплекса гормон Тз восстанавливается и вновь может многократно взаимодействовать с кислородом цитохромоксидазы.
Продуктами переноса электрона с молекулы трийодтиронина на молекулярный кислород цитохромоксидазы являются катион-радикал трийодтиронина и пероксирадикал. В определенных условиях катион-радикал может восстанавливаться до 3,3 ',5'-трийодтиронина, вновь образовывать комплекс с кислородом цитохромоксидазы и инициировать перенос электрона на молекулу кислорода. Следовательно, молекула трийодтиронина может выступать катализатором описанной реакции, являясь в сущности переносчиком электронов. Пероксирадикал в результате реакций дисмутации может превращаться в другие активные формы кислорода [6].
Предлагаемый биохимический механизм трийодтиронина соответствует известным экспериментальным данным, в частности представлению о том, что гормоны щитовидной железы являются стимуляторами энергетического метаболизма, способствуя повышению скорости переноса электронов, а следовательно, ускорению синтеза АТФ в реакции окислительного фосфорилирования. Гормоны щитовидной железы, взаимодействуя с кислородом цитохромоксидазы, инициируют перенос электронов и образование дополнительной цепи переноса электронов.
Известно, что гормоны вызывают индукцию набухания митохондрий [8], которая может быть инициирована формированием дополнительной цепи переноса электронов, стимулируемой гормонами щитовидной железы, и вследствие этого увеличением числа компонентов мембраны.
Кроме того, предлагаемая схема объясняет увеличение образования активных форм кислорода, которые могут элиминироваться вследствие генерации пероксирадикала.
Таким образом, обсуждаемый возможный механизм биохимического действия гормонов щитовидной железы не противоречит известным экспериментальным данным. В результате расчетов методом DFT выявлен возможный механизм действия гормона Тз щитовидной железы на молекулярном уровне. Механизм заключается в том, что гормон Тз является переносчиком электронов на молекулярный кислород цитохромоксидазы. Оставаясь в неизменном виде, гормоны щитовидной железы, возможно, катализируют реакцию окислительного фосфорилирования, контролируя образование АТФ. Таким образом, малые количества гормонов создают эффект высоких концентраций.
Библиографический список
1. Божко А.П., Солодков А.П. Влияние тиреоидных гормонов на стрессорные изменения коронарного кровотока и сократительные функции гипертрофированного сердца // Физиол. журн. СССР им. Сеченова. 1990. Т. 76. № 10. С. 1333-1339.
2. Вельтищев Ю.Е., Дементьева Г.М. Синдром дыхательных расстройств (респираторный дистресс-синдром) у новорожденных // Вестник АМН СССР. 1990. № 7. С. 51-55.
3. 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.
4. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. С. 804.
5.МецлерД. Биохимия. Т. 2. М.: Мир, 1980. С 376.
6. Скулачев В.П. Феноптоз: запрограммированная смерть организма // Биохимия. 1999. 64 (12). С. 1679-1688.
7. Султанов Ф. Ф., Соболев В. И. Гормональные механизмы температурной адаптации / под ред. К. Аманнепесова. Ашхабад: Ылым, 1991. 215 с.
8. Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты / под ред. проф. А.И. Кубарко и проф. S. Yamashita. Минск - Нагасаки, 1998. 366 с.
9. База знаний по биологии человека [Сайт]. TR (рецептор тиреоидного гормона c-erbA): humbio.ru/humbio/01122001/tr sv2/00023140 (дата обращения: 20.07.2013).
10. Биология и медицина TR [Сайт]. (рецептор тиреоидного гормона c-erbA): www.medbiol.ru/medbiol/01122001/tr_sv2/00023140 (дата обращения: 23.07.2013).
11. Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.
12. www.gaussian.com [Сайт]. (дата обращения: 5.06.2018).
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2018. № 4 (20)
