p align="left">Взаимодействие ГАМК с нервной клеткой осуществляется когда нервный импульс достигает нервного окончания, он вызывает освобождение медиатора в синаптическую щель. ГАМК диффундирует через синаптическую щель (шириной 20--50 нм) и взаимодействует со специальными рецепторами в постсинаптической мембране. В результате такого взаимодействия изменяется мембранная проводимость для ионов, находящихся по обе стороны мембраны. Изменение проводимости связано со структурными изменениями мембраны и открытием в ней узких гидрофильных каналов для прохождения катионов или анионов и зависит от структурных особенностей ГАМК. ГАМК имеет неплоскую структуру. ГАМК является гибкой цвиттер-ионной молекулой, которая может существовать в разных конформациях. Методами рентгеноструктурного анализа, изучением действия синтетических аналогов с жестко фиксированным строением и ряда природных агонистов и антагонистов ГАМК было надежно установлено, что наиболее предпочтительной для получения тормозящего эффекта является вытянутая конформация ГАМК (расстояние между заряженными атомами N+ и О- составляет в этом случае 5,4 ± 0,4 А; для свернутой конформации оно находится в пределах 3,9-4,2 А). В кристаллах ГАМК находится полностью в вытянутой конформации. Однако в растворах ее молекулы, вероятно, существуют в различных конформациях. Прямое экспериментальное определение структуры ГАМК в момент ее взаимодействия с рецептором пока невозможно. Для установления пространственного строения активной молекулы ГАМК и участка ее рецептора была изучена связь структуры с физиологической активностью некоторых аналогов ГАМК, имеющих в отличие от гибкой молекулы ГАМК жесткую структуру. Так, мусцимол, 4-аминотетрловая и 4-аминокротоновая кислоты имеют определенную конформацию благодаря наличию циклической структуры двойных и тройных связей. Различное действие мусцимола и других аналогов ГАМК, на спинные нейроны, а также структурные характеристики ряда ингибиторов захвата ГАМК показывают, что в процесс поглощения ГАМК нервными структурами и взаимодействия ее с постсинаптическими рецепторами она может иметь как вытянутую, так и свернутую конформацию. Методами молекулярного моделирования были получены модели молекулы ГАМК и ГАМК-рецептора. Модель молекулы ГАМК была получена в программе HyperChem v6.0 методом оптимизации PM3. Пример модели молекулы ГАМК приведен на рисунке 4. Рисунок 4 - Модели молекулы ГАМК. а) оптимизация молекул ГАМК в воде; б) вытянутая конформация; в) свернутая конформация. Была выдвинута гипотеза, что взаимодействие молекулы ГАМК и рецептора обусловлено конформацией молекулы ГАМК. Положение ионов N+ и О- и расстояние между ними обуславливает образование комплекса между рецептором и медиатором. Образованный комплекс изменяет проводимость мембраны за счет образования пор. Для проверки гипотезы была построена модель рецептора по аминокислотной последовательности, полученной из базы данных RCSB.PDB (Protein Data Bank), в специализированной программе DeepView - TheSwissPdbViewer v3.7. Построенная модель приведена на рисунке 5. Рисунок 5 - Модель рецептора ГАМК. Как видно из модели ГАМК-рецептора в центре есть канал для связывания с молекулами ГАМК. Размеры канала составляют 6,65 Ао, а размер комплекса из трех молекул вытянутой конформации ГАМК составляет 6,012 Ао, что позволяет предположить что взаимодействие происходит именно поэтому месту [11]. 3.2 Определение биологической активности при помощи программы PASS Объектом является химическое соединение - дикаин. Структурная формула дикаина: Температура плавления 147-150. Соединение представляет белый кристаллический порошок без запаха. Легко растворим в воде и спирте. Дикаин сильное местноанестезирующее средство, обладающее высокой токсичностью. Применяют в глазной и оториноларингологической практике при некоторых оперативных вмешательствах, а также для анестезии. Были предложены варианты новых структур для компьютерного дизайна молекулы дикаина с целью снижения его токсичности с сохранением или даже усилением анестезирующих свойств. Введение в бензольное кольцо «облагораживающей» карбоксильной группы и замена диметиламиногруппы на более фармакоактивную диэтиланиногруппу позволит снизить токсичность соединения, облегчить гидролиз сложноэфирной связи с высвобождением антигистаминного фрагмента - диэтиламиноэтанола. Алифатический радикал н-бутил в структуре дикаина усиливает фармакологический эффект. При замене его на адреналиновый фрагмент ожидается получить более яркое анестезирующее действие. К настоящему времени известно, что биологические системы не делают различия между плоскими кольцами, поэтому при замене ароматической основы н-аминобензойной кислоты на никотиновую (или изоникотиновую) кислоту изменяется полярность молекулы, облегчается задача введения различных заместителей в ароматическое кольцо. К тому же, аминопроизводные никотиновой кислоты (кордиамин) являются стимуляторами центральной нервной системы. Один из наиболее эффективных анестетиков, промедол, содержит в структуре вместо ароматического пиридинового кольца пиперидиновое, что является предпосылкой для модификации молекулы дикаина. Условно новым структурам дали названия: 1) Структура 1 - карбоксиструктура; 2) Структура 2 - адреноструктура; 3) Структура 3 - никотиноструктура; 4) Структура 4 - пиперидиноструктура. Примеры структур приведены на рисунке 6. Рисунок 6 - Предложенные структуры. При помощи программы HyperChem была доказана возможность существования данных соединений путем оптимизации молекул и построения графиков потенциальной энергии. По графикам были обнаружены максимумы и минимумы, что подтверждает существования молекулы по квантовым расчетам. После доказательства существования молекулы была проведена проверка биологической активности на программе PASS. Сводный анализ биологической активности дикаина и новых структур приведены в таблице 1. Современная версия компьютерной системы предсказания спектра биологической активности PASS C&T (Prediction of Activity Spectra for Substances: Complex & Training) реализована в 1998 году. Она включает в себя обучающую выборку, содержащую более 45000 биологически активных веществ с известной биологической активностью, и охватывает более 400 фармакологических эффектов, механизмов действия, а также мутагенность, канцерогенность, тератогенность и эмбриотоксичность[12]. Таблица 1 Таблица биологической активности ряда веществ |
Характеристика фармакологической активности | Основная структура | Модифицированные структуры | | | Дикаин | Структура 1 Карбоксиструктура | Структура 2 Адреноструктура | Структура 3 Никотиноструктура | Структура 4Пиперидноструктура | | 1. Спазмолтик | 0,603 0,023 | 0,591 0,025 | 0,620 0,021 | 0,683 0,017 | 0,680 0,015 | | 2. Сосудорасширяющее средство | 0,511 0,048 | 0,367 0,095 | 0,472 0,059 | 0,548 0,031 | 0,537 0,042 | | 3. Антагонист кальциевых каналов | 0,405 0,015 | 0,264 0,051 | 0,362 0,020 | 0,326 0,026 | 0,411 0,014 | | 4. Антигипер-тензивный | 0,350 0,107 | 0,301 0,142 | 0,237 0,211 | 0,364 0,098 | 0,402 0,078 | | 5. Агонист в-адренорецепторов | 0,114 0,098 | 0,113 0,101 | 0,139 0,043 | | | | 6. Токсичный | 0,323 0,166 | 0,331 0,160 | 0,291 0,188 | | | | 7. Тератоген | 0,219 0,214 | 0,233 0,195 | 0,243 0,182 | | | | 8. Антагонист в-адрено-рецепторов | 0,092 0,091 | 0,092 0,09 | | | | | 9. Диуретик | | 0,211 0,144 | | | | | 10. агонист -адренорецепторов | | | 0,144 0,041 | | | | 11. Агонист б-адренорецепторов | | | 0,133 0,119 | | 0,253 0,075 | | 12. Антагонист -адренорецепторов | | | | | 0,233 0,051 | | |
3.3 Поиск физиологически активных аналогов ССК-4 Было известно, что многие пептиды, в частности, аналоги гастроинтерального гормона холецистокинина(ССК), состоящего из 33 аминокислот (ССК-33), при парентеральном введении обладают способностью существенно влиять на психоэмоциональный статус. ССК пептиды функционируют в центральной нервной системе(ЦНС) как нейромодуляторы и участвуют в регуляции поведенческих реакций, болевых ощущений, процессов памяти и обучения. В связи с этим следует ожидать, что модуляция ССК системы является основой для лечения и предупреждение психотических заболеваний. Наиболее перспективным направлением при поиске средств купирования психических расстройств является конструирование аналогов эндогенных пептидов, который характеризуются минимальной токсичностью и отсутствием побочных эффектов. В этом аспекте актуальны разработка и синтез соединений на основе нейропептидов - антагонистов минимального физиологически активного С-концевого фрагмента холецистокинина - пептида ССК-4. ССК-4 - селективный агонист к холецистокининовым рецепторам второго типа, которые вовлечены в формирование психоэмоционального состояния. Пространственная структура рецептора была получена из базы данных Protein Data Bank (www.spdb.org). Оптимизацию молекул проводили с применением метода молекулярной механики BIO+ и полуэмпирическим квантово-химическим методом PM3, которые реализованы в программном комплексе HyperChem. В итоге по результатам молекулярного моделирования были получена наиболее вероятная биологически активная конформация молекулы ССК-4, которая представлена на рисунке 7. Рисунок 7 - Биологически активная конформация ССК-4 Исходя из структуры биологической конформации были предложены аналоги. В ходе данной работы были получены следующие результаты: 1) Методами молекулярного моделирования сконструирована вероятная биологически активная конформация пептида ССК-4, а также разработана пространственная модель взаимодействия лиганда ССК-4 с активным центром холецистокининового рецептора второго типа. 2) С использованием квантохимических расчетов разработанной модели взаимодействия пептида ССК-4 и холецистокининового рецептора второго типа предложен вероятный механизм лиганд-рецепторного взаимодействия, заключающийся в одновременном переносе протона амидной группы N-концевой группы фенилаланина и перераспределением электронной плотности с молекулы лиганда ССК-4 на аминокислоту активного центра рецептора. 3) На основании рассчитанных дескрипторов предложены новые высокоактивные соединения - аналоги ССК-4. 4) Синтезированы предложенные аналоги. 5) Проведены экспериментальные исследования по оценке биологической активности синтезированных аналогов. Установлено, что аналоги превосходят стандарт в 3,6-4,1 раза по антагонистической активности [13]. 4. Анализ примеров Анализ приведенных примеров позволяет предложить следующую схему использования компьютерного моделирования в создании новых лекарственных препаратов: 1) Анализ литературы по фармацевтической химии и синтезу лекарственных препаратов. Поиск моделей структур соединений и рецепторов в базах данных, полученных методами ЯМР и рентгеноскопии. Примерами баз данных служат SPDB, CSD. 2) В случае отсутствия компьютерных моделей препарата строят модель и оптимизируют модель квантово-химическими расчетами в программном комплексе HyperChem или аналогичном; 3) Анализ биологической активности путем совмещения модели рецептора клетки-мишени или путем использования метода QSAR в программе PASS; 4) По сделанным выводам о биологической активности предлагают модификации, улучшающие свойства молекулы. При этом должна использоваться литература по фармацевтической химии и синтезу лекарственного препарата; 5) Построение модели в HyperChem, анализ биологической активности методами виртуального докинга или QSAR с использованием HyperChem и PASS, соответственно; 6) Синтез новой структуры и лабораторные испытания. Заключение В ходе данной работы было проанализированы работы о применимости методов моделирования в практике, а именно при создании новых препаратов и изучении механизма действия химического соединения и рецепторов клетки мишени. По результатам анализа можно с уверенностью сказать, что молекулярное моделирование является эффективным методом разработки новых лекарственных препаратов, позволяющим сэкономить время при отборе новых структур и деньги, затрачиваемые на синтез новых структур для отбора. Но применение данной методики связано с определенными трудностями, так как требует высококвалифицированных кадров. Также это требует высокие вычислительные мощности оборудования и соответствующее программное обеспечение, которое требует больших финансовых затрат. Список используемых источников 1) Ассоциация Российских Фармацевтических производителей. Режим доступа: http://www.arfp.ru, свободный; 2) ЦВТ «Химрар». Режим доступа: http://www.chemrar.ru, свободный; 3) A.R. Leach, V.J. Gillet: An Introduction to Chemoinformatics. Springer, 2003, ISBN 1-4020-1347-7; 4) A.R. Leach, V.J. Gillet: An Introduction to Chemoinformatics. Springer, 2003, ISBN 1-4020-1347-7; 5) Степанов Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия. - М.: Мир, 2001. - 519 с., ил; 6) Немухин А.В. Компьютерное моделирование в химии // Соросовский образовательный журнал, 1998. -- №6. -- с.48-52; 7) 9. Буркерт У., Аллинжер Н. Молекулярная механика. М.: Мир, 1986. - 364 с; 8) Курс лекций «Введение в химическую информатику», проведенный в 2008 г. в Киевском политехническом институте. Режим доступа: http://summerschool.ssa.org.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=91&lang=ru , свободный; 9) Зефиров, Николай Серафимович - Википедия. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Зефиров, свободный; 10) Биографическая интернет-энциклопедия. Режим доступа: http://www.biographica.ru/, свободный; 11) Дипломный проект А.В.Конорева «Производство ГАМК мощностью 7 тонн в год в системе фармпредприятий. Исследование механизма рецепции ГАМК методом компьютерного моделирования»; 12) Дипломный проект Саенко «Разработка аналогов дикаина методами компьютерного моделирования»; 13) Автореферат диссертации С.В.Шульгина на тему «Конструирование синтетических аналогов С-концевого тетрапептида холецистокинина и оценка их физиологической активности»
Страницы: 1, 2, 3
|