Возможный механизм биологического действия агонистов nr 3c 4-рецептора как доноров, акцепторов и переносчиков электронов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.18/577.29:577.17

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ АГОНИСТОВ ^зС4-РЕЦЕПТОРА как доноров, акцепторов

И ПЕРЕНОСЧИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ

© 2015 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2

1 доцент кафедры химии, канд. хим. наук e-mail: [email protected] 2профессор кафедры химии, докт. хим. наук e-mail: kiiznetsovpe a mail.ru

Курский государственный университет

На основе квантово-химических расчетов взаимодействия гормон-рецепторных комплексов с нуклеотидами (ДНК) и рентгеноструктурных данных из Protein Date Base предложен возможный механизм биологического действия агонистов NR^Q-рецептора как акцепторов и переносчиков электронов: лиганд-рецепторные комплексы могут активировать перенос электрона от ДНК на протонированный агонист, который выступает в качестве акцептора электронов. В результате молекула ДНК трансформируется в катион-радикал, ее заряд, структура и электростатический потенциал изменяются, а двойная спираль ДНК расплетается. Это является стартовой точкой в инициации транскрипции РНК-полимеразой.

Ключевые слова: агонисты МЯ3С4-рецептора, ДНК, квантово-химическая модель, триплетное состояние, перенос электрона, механизм действия.

Химические реакции зависят от электронной структуры и электронного взаимодействия реагентов. Рассмотрим молекулу кислорода, которая играет ключевую роль в организмах. Молекула кислорода обладает необычной электронной структурой. Ее основное состояние - триплетное, то есть на высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) молекулы кислорода находятся два электрона с параллельными спинами, а не с противонаправленными, как у большинства молекул. Можно предположить, что при взаимодействии триплетной молекулы кислорода с синглетными молекулами возникнет градиент мультиплетности и изменение электронной структуры и мультиплетности реагентов.

Таким образом, при возникновении градиента мультиплетности возможно перераспределение электронов и их перенос с одной молекулы на другую. Это положение лежит в основе выдвигаемой нами теории гормонов и гормоноподобных соединений как доноров, акцепторов и переносчиков электронов [Кузнецова, Кузнецов 2014в]. Данная теория была доказана экспериментально для гормоноподобных соединений - диоксинов [Кузнецов, Кузнецова, Власов 2013]. Было экспериментально показано, что 2,3,7,8-ТХДД является переносчиком электронов на молекулярный кислород.

Нами [Кузнецова, Кузнецов 2013] было установлено с помощью методов квантовой химии, что гормоны щитовидной железы - тироксин и трийодтиронин - также могут являться донорами, акцепторами и переносчиками электронов в реакции окислительного фосфорилирования на цитохромоксидазе и при взаимодействии с ядерным тиреоидным рецептором. Это подтверждается тем, что при увеличении концентрации тиреоидных гормонов повышается скорость переноса электронов в митохондриях [Мецлер 1980].

Далее нами были рассмотрены молекулы рецепторов. С помощью методов квантовой химии было установлено, что при увеличении количества атомов в различных молекулах энтальпии образования их синглетных и триплетных состояний сближаются. Нами были рассчитаны триплетное и синглетное состояния ЕС1 петли холецистокининового рецептора ССК2. Было показано, что основное состояние петли рецептора - триплетное [Кузнецова, Кузнецов 2014б]. Градиент мультиплетности может возникнуть при взаимодействии с синглетными молекулами не только в случае триплетного молекулярного кислорода, но и в случае рецепторов, находящихся в триплетном состоянии. Предлагаемая нами теория переноса электронов гормонами была рассмотрена для гормонов щитовидной железы и ядерного тиреоидного рецептора [Кузнецова, Кузнецов 2013], для трансмембранного холецистокининового рецептора [Кузнецова, Кузнецов 2014б] и цитозольного КК3С4-рецептора [Кузнецова, Кузнецов 2014а]. В статьях [Кузнецова, Кузнецов 2014в; Кузнецова, Кузнецов 2015] была выдвинута общая теория гормонов и гормоноподобных соединений как доноров, акцепторов и переносчиков электронов.

Так, в статье [Кузнецова 2014в] было рассмотрено взаимодействие гормон-рецепторных комплексов (трансмембранных и ядерных) с нуклеотидами ДНК и ГДФ G-белка. На основе квантово-химических расчетов и рентгеноструктурных данных из Protein Date Base [Сайт] была выдвинута общая теория биологического действия гормонов и гормоноподобных веществ как доноров, акцепторов и переносчиков электронов. Было установлено, что гормон-рецепторные комплексы могут запускать процесс переноса электронов от ДНК или ГДФ на протонированные гормоны. В статьях [Кузнецова, Кузнецов 2013; Кузнецова, Кузнецов 2014а, 2014б, 2014в; Кузнецова, Кузнецов 2015] было установлено, что ДНК может являться донором электронов, а гормоны -акцепторами электронов.

Среди внутриклеточных рецепторов кроме ядерных существуют цитозольные рецепторы. Настоящая статья посвящена изучению взаимодействия цитозольного NRзC4-гормон-рецепторного комплекса с ДНК.

КК3С4-рецептор относится к стероидным ядерным рецепторам. Известно, что его лиганд индуцирует трансформацию КК3С4-рецептора, после чего комплекс лиганд-рецептор связывается в ядре клетки с ДНК, вызывая экспрессию генов [Щитовидная железа... 1998: 150].

Ранее было установлено [Кузнецова, Кузнецов 2014а], что все лиганды NR3C4-рецептора могут протонироваться. Было показано с помощью квантово-химических расчетов, что активный центр NR3C4 рецептора находится в триплетном состоянии.

Известно, что КК3С4-рецепторы узнают в ДНК элементы промотора TGTTCT [Льюин 2012: 896].

Расчеты проводились программой HyperChem 7e [Hyper Chem Release 7 for Windows], использовался метод MNDO/d, привлекалась программа Discovery Studio Client v2.5.0.9164.

Расчеты показали, что для фрагмента ДНК-TGTT триплетное состояние термодинамически устойчивее синглетного. Таким образом, фрагмент ДНК, с которым взаимодействует комплекс NR3C4-рецептора с гормоном, находится в триплетном состоянии.

Ранее было установлено, что при взаимодействии протонированных гормонов с рецепторами электроны переносятся с рецептора на гормон. Это было показано для тиреоидного [Кузнецова, Кузнецов 2013]; NR3C4-рецептора [Кузнецова, Кузнецов 2014а] и

ССК-2 [Кузнецова, Кузнецов 2014б] рецепторов. Также были выявлены свойства ДНК как донора электронов, а протонированных гормонов как акцепторов электронов [Кузнецова, Кузнецов 2014в].

Таким образом, мы можем представить упрощенную модель взаимодействия гормон-рецепторного комплекса с ДНК в виде комплекса ДНК и гормона с активным центром рецептора.

Рассмотрим взаимодействие гормон-рецепторного комплекса КК3С4-рецептора с агонистом (селективным модулятором NR3C4 рецептора BMS-564929) и фрагмента ДНК-TGT. Упрощенная модель взаимодействия гормон-рецепторного комплекса с ДНК сформирована в виде комплекса, содержащего протонированный Bms, фрагмент активного центра NR3C4- рецептора и нуклеотиды TGT и представлена на рисунке 1. Модель основана на экспериментальных данных базы [Protein Data Base].

Рис. 1. Упрощенная модель комплекса, содержащего протонированный агонист NR^Q-рецептора Bms; фрагмент активного центра NR^Q-рецептора; нуклеотиды TGT - фрагмент элементов промотора, узнаваемых NR^zi-рецептором

Bms находится в протонированном виде. Протонирование по атому азота C=N группы подтверждается в экспериментах по ВЭЖХ МС. 5'-фосфатная группа цепи ДНК ионизирована в соответствии с литературными данными [Льюин 2012]. Заряд фрагмента TGT равен минус четырем, следовательно, этот фрагмент может являться донором электронов. На НСМО-уровне протонированного Bms недостаток электронов локализован на группе C+=NK, которая предположительно является акцептором электронов. Гидроксильная группа гормона образует водородную связь с аспарагином рецептора [Protein Data Base], а N-концевая аминогруппа модели рецептора образует водородную связь с ДНК TGT в соответствии с литературными данными [Льюин 2012], как показано на рисунке. С помощью расчетов было установлено, что основное состояние комплекса соответствует состоянию с мультиплетностью равной пяти.

Распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате квантово-

химических расчетов, показано на рисунке 2. В каждой из областей, отмеченных на рисунке пунктиром, находится на валентной оболочке по одному электрону с параллельными спинами.

Рис. 2. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего агонист МЯ3С4-рецептора Bms; активный центр NR^Q-рецептора; нуклеотиды ТОТ - фрагмент элементов промотора, узнаваемых МЯ3С4-рецептором. Пунктиром показаны электроны ВЗМО с параллельными спинами

До образования комплекса электроны с параллельными спинами находились на фрагменте ТОТ. Следовательно, произошло перераспределение электронов. Так, заряд на протонированном Bms до взаимодействия был равен плюс единице, а после него - нулю. Заряд на нуклеотидах ТОТ был равен минус четырем, а после взаимодействия стал равен минус трем. Следовательно, электрон перераспределился с ТОТ на гормон. Таким образом, возможно, присоединение гормон-рецепторного комплекса с Bms к определенному фрагменту ДНК инициирует перенос электрона с ДНК на Bms через NR3C4 рецептор.

Расчеты показали, что перенос электронов термодинамически выгоден, а конечное состояние комплекса намного устойчивее исходного состояния.

Таким образом, протонированный гормон Bms, как акцептор электрона, путем переноса электронов с ДНК на гормон-рецепторный комплекс инициирует активацию нужного фрагмента ДНК. В результате последний превращается в катион-радикал, и его заряд, структура и электростатический потенциал изменяются, а двойная спираль ДНК расплетается [Кузнецова, Кузнецов 2014в]. Это является стартовой точкой в инициации транскрипции РНК-полимеразой.

Таким образом, в предлагаемом механизме действия для агонистов NR3C4-рецептора, подобно гормонам, действующим на трансмембранный ССК-2 рецептор и ядерный тиреоидный рецептор [Там же], наблюдаются следующие закономерности:

1. КК3С4-рецептор и соответствующий фрагмент ДНК (ТОТТ) могут находиться в триплетном состоянии.

2. Лиганды КК3С4-рецептора могут протонироваться.

3. Агонисты КК3С4-рецептора воздействуют на ДНК через рецептор.

4. Цепь ДНК и пептидные цепи рецепторов рассматриваются как цепь переноса электронов.

5. Агонисты КК3С4-рецептора, представляющие собой небольшие по размерам молекулы, могут узнавать с помощью КК3С4-рецептора нужные нуклеотиды (TGTT) и изменять их электронную и пространственную структуру.

6. Структура ДНК изменяется за счет переноса электрона с нуклеотидов на агонист КК3С4-рецептора, при этом образуется катион-радикалы нуклеотидов.

7. Перенос электрона осуществляется потому, что после переноса электрона комплекс намного устойчивее, чем до переноса электрона.

8. Изменения заряда и структуры нуклеотидов, расплетание цепей ДНК являются стартовой точкой в инициации транскрипции генов.

Таким образом, предлагаемый механизм действия агонистов КК3С4-рецептора не противоречит общей теории молекулярного механизма действия гормонов, выдвинутой нами ранее [Кузнецова, Кузнецов 2014в]. Данный механизм заключается в том, что гормоны протонируются, образуют гормон-рецепторные комплексы, которые узнают соответствующую последовательность нуклеотидов. При этом происходит перенос электрона с нуклеотида на гормон, нуклеотиды превращаются в катион-радикалы, что влечет за собой расплетание спирали ДНК и экспрессию генов в случае ядерных рецепторов. Таким образом, гормоны выступают в качестве катализатора процесса переноса электронов, являясь в сущности переносчиками электронов, и остаются в организме в неизменном виде, множество раз вступая в процесс переноса электронов с ДНК на гормон.

Библиографический список

Кузнецов П.Е., Кузнецова Н.Б., Власов И.А. Экспресс-метод определения 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина в водных средах // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2013. № 3(27). Ч. 2. URL: scientific-notes.ru/pdf/032-014.pdf (дата обращения: 14.02.2015)

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 КК3С4 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 1. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/001-004.pdf (дата обращения: 11.03.2015).

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Прогнозирование биологической активности антагонистов холецистокининового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 2. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/002-003.pdf (дата обращения: 11.03.2015).

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. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/004-004.pdf (дата обращения: 11.03.2015)

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия ДНК как доноров электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2015. № 1. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/005-004.pdf (дата обращения: 28.04.2015)

Льюин Б. Гены. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 896 с.

Мецлер Биохимия. Химические реакции в живой клетке. М.: Мир, 1980. Т. 3. 147 с.

Щитовидная железа. Фундаментальные аспекты / под ред. проф. А.И. Кубарко и проф. S. Yamashita. Мн. - Нагасаки, 1998. 366 с.

Discovery Studio Client v2.5.0.9164 [Сайт]. URL: http//www.accelrys.com/ (дата обращения: 2.08.2014).

Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.

Protein Data Base [Сайт]. URL: www.rcsb.org/pdb/home/home.do (дата обращения: 12.08.2014).