Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Квантовохимические исследования механизмов

Квантовохимические исследования механизмов взаимодействия диоксинов с клеточными фосфолипидами

Байгулова О.В. (BiygulovaOV@ic.bashedu.ru ), Насибуллин Р.С. Башкирский государственный медицинский университет, г. Уфа

Аннотация. Методами квантовой химии установлено образование комплексов полихлорированных дибензо- п- диоксинов с клеточным фосфатидилэ-таноламином за счет взаимодействия п-системы электронов диоксиновых колец и этаноламинной группы фосфатидилэтаноламина. Исследовано влияние диоксинов на конформацию и электронное строение фосфолипидов клеточных мембран в условиях образования комплексов. Показано, что образование данных комплексов ведет к значительному изменению электронного строения фосфо-липидных молекул в области комплексообразования, однако их конформация сохраняется. Вместе с тем, отмечено изменение электронного строения и формы диоксиновых молекул.

Введение. Представленная работа посвящена исследованию воздействия полихлорированных дибензо- п- диоксинов (ПХДД) на фосфолипиды клеточных мембран. Актуальность изучения соединений диоксинового класса обусловлена тем, что проводимые в течение последних десятилетий интенсивные исследования диоксинов и родственных соединений, представляющих крайне опасные загрязнители окружающей среды [9, 10], не дали ясного понимания молекулярного механизма их действия, в том числе и характера их взаимодействия с биологическими системами. Имеющиеся многочисленные публикации [15, 16] показывают, что свое токсическое и биологическое действие диоксины осуществляют посредством взаимодействия с так называемым внутриклеточным цитозольным Ah-рецептором, однако структура и функции этого рецептора пока остаются не до конца выясненными. В то же время, в биологических процессах активно участвуют мембранные липиды. Биологическая активность веществ широкого спектра действия зависит от их способности взаимодействовать с биологическими объектами, и в первую очередь с клеточными фосфолипидами. Сведения об изменении конформационных и физических параметров фосфолипидов под действием биологически активных веществ дают возможность более глубокого понимания механизма их действия на молекулярном уровне.

Среди большого количества существующей литературы данные о влиянии диоксинов на конформационное состояние и электронное строение клеточных фосфолипидов нами не были обнаружены. Однако, учитывая сегодняшние масштабы повсеместного диоксинового загрязнения и вредные последствия их воздействия на организм [11], такая информация является крайне важной, поскольку поможет понять молекулярной механизм их действия и в дальнейшем разработать эффективные методы выведения из организма или снижения до минимума их токсического действия.



В проведенных ранее методами квантовой химии [4, 5, 6] и ядерного магнитного резонанса [3, 4, 5, 7, 8] исследованиях было показано, что при взаимодействии сопряженных молекул с молекулой фосфатидилхолина (ФХ) возникают комплексы, образующиеся за счет взаимодействия п-системы электронов этих молекул и холиновой группы фосфолипида. В данной работе приводятся результаты квантовохимических расчетов взаимодействия ПХДД с ФЭ.

Методы исследований. Для проведения квантовохимических расчетов нами использовался программный пакет HyperChem 5.01, реализующий метод молекулярной механики ММ+ [1] и полуэмпирический метод MNDO [13]. Расчетные программы получены из фондов ИХКиГ РАН (Новосибирск) и адаптированы под поставленную задачу и имеющиеся компьютерные ресурсы.

Методика проведения исследований. Исходные структуры молекул ФЭ и ПХДД выбирались из экспериментальных данных [2, 12] и в последующем оптимизировались сначала методом ММ+ , затем методом MNDO.

Для нахождения структур комплексов, соответствующих минимальному значению энергии, проводилось варьирование взаимного пространственного расположения молекул ПХДД и ФЭ относительно друг друга (рис.1) с одновременной оптимизацией геометрии.

5i = C[5,1]-N[W]-CRi-CR2, 62 = C[5,2]-N[1,2]-CR2-CRi Ri = N[U]-CRb R2 = N[1,2]-CR2

начальные условия: 5i = 62 = 0°, ZC[5]-Nm-CR = 180°, ZNM-CR1(2)-CR2(1) = 90°

с. 1 Параметры, определяющие пространственное рас-тожение молекул ПХДД и ФЭ относительно друг друга: 4 и CR2 - центры I-го и II-го диоксиновых колец; N[1,1], ,1] - атомы N1, C5 ФЭ1, N[1,2], C[5,2] - атомы N1, C5 ФЭ2; и 52- торсионные углы, определяющие положение мо-ул ФЭ1 и ФЭ2 относительно ПХДД


н н


а а



Рис. 2 Исследуемые молекулы ПХДД:

a) 2,3,7,8-ТХДД;

b) 1,2,3,7,8,9-ГХДД;

c) 2,3,7,9-ТХДД;

d) 2,3,7-ТриХДД;

e) схема нумерации позиций диоксинового скелета



Изменение углов 81, 82 задавалось в интервале от 0° до 360° с шагом в 30° или 10°. По результатам расчетов строились картины зависимости энергии образования указанных комплексов от значений углов 81 и 82, по которым затем определялись точки, соответствующие минимуму энергии.

Для проведения квантовохимических расчетов нами были выбраны 4 ди-оксиновые молекулы (рис. 2), для которых был установлен экспериментальный ряд их относительной биологической активности [14] (табл. 1: данные представлены в %).

Результаты и обсуждение. В результате проведения расчетов нами было установлено существование комплексов, возникающих за счет взаимодействия п-системы электронов диоксиновых колец и Мг-группы ФЭ (рис.3). При этом мы обнаружили несколько разновидностей данных комплексов.


Рис. 3 Комплексы ПХДД с ФЭ: 1 - комплекс ПХДД с одним ФЭ на I-м (I) или II-м (II) крайнем кольце, 2 - комплекс ПХДД одновременно с двумя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы; a - молекула ПХДД, b и c - ФЭ 1 и ФЭ2, соответственно

1-я разновидность комплекса - комплекс, образующийся при взаимодействии молекул диоксинов с одной молекулой ФЭ на одном из крайних диокси-новых колец (рис. 3-1).



Таблица 1

Экспериментальные и расчетные данные исследуемого ряда ПХДД

Молекула ПХДД

Относительная биологическая активность* [14]

Энергия комплексообразования ПХДД с ФЭ Екомп (ккал/моль)

комплекс ПХДД с одной молекулой ФЭ:

комплекс ПХДД с двумя молекулами ФЭ с одной стороны относительно плоскости диокси-новой молекулы

на кол угол 5i,°

1-м ьце

Екомп

на ] кол угол

52,°

[1-м ьце

Екомп

углы 51-52,°

Екомп

2,3,7,8-ТХДД

-3,76

-3,76

-33,36

1,2,3,7,8,9-ГХДД

-3,68

-3,19

-32,22

2,3,7,9-ТХДД

-1,83

-2,68

-30,82

2,3,7-ТриХДД

0,06

-1,32

-2,37

-33,19

Примечания: (*) - определяется через концентрацию, вызывающую 50%-е повышение уровня гидроксилаз ароматических углеводородов (AGG) от максимально возможного: чем эта концентрация ниже, тем активнее считается данная диоксиновая молекула; активность 2,3,7,8-ТХДД принята за 100%.

Исследования геометрических и физических параметров образующихся комплексов в точках минимумов энергии дали следующие результаты. Двугранные углы в гидрофильной части молекулы ФЭ, т. е. в области комплексооб-разования, изменяются в среднем на 4-9°, за исключением углов C7-O10-P12=O13 и C7-O10-P12-O14, изменения которых составляют 120-130°, что, по-видимому, можно объяснить внутренним вращением связей P12=O13 и P12-O14 в фосфатной группе; в жирнокислотных хвостах эти изменения составляют 1-2°. Длины связей и расстояния между атомами не изменяются. Таким образом, конформа-ция фосфолипидной молекулы сохраняется.

Изменения зарядов на атомах ФЭ в области комплексообразования составляют в среднем 0,01-0,02е; на остальных атомах заряды не изменяются. Общий суммарный заряд молекулы ФЭ также остается без изменений

Для получения диаграмм зависимости энергии образования данных комплексов от значения углов 51; 52 их вращение задавалось с шагом в 10°.

Значения углов 51; 52, при которых отмечаются минимумы энергии, и соответствующие им значения энергии комплексообразования представлены в табл.1. Значения высот потенциальных барьеров позволили сделать вывод об энергетической устойчивости структур в данных точках и охарактеризовать данные точки как локальные минимумы.



Тем не менее, происходит изменение электронного строения фосфоли-пидных молекул в области комплексообразования. При этом на атомах этано-ламина (N1, C5, C7, H2-H4) наблюдается существенное изменение электронной заселенности нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО), особенно заметное - на атомах N1 и C5; а на атомах фосфатной группы (P12, O10, O13, O14, O15) отмечено значительное изменение электронной заселенности верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО), особенно заметное - на атоме O13.

Одновременно с этим наблюдается изменение формы диоксиновых молекул (рис.4): если в свободном состоянии они являются жесткими практически плоскими молекулами (рис.4, А, С: углы ш1-ш4 составляют 177°-179°, т.е. угол между плоскостями крайних колец составляет 1°-2°), то в точках минимумов энергии они приобретают форму бабочки (рис.4, В): углы ш1-ш4 становятся равными 161 °-171 °, т.е. угол между плоскостями крайних диоксиновых колец составляет от 8° до 18°.

Ш! = Cj-Cs-Oy-Cs ©2 = C3-O7-C8-C10 Ш3 = C13-C9-O14-C5 Ш4 = C9-O14-C5-C6

Рис. 4 Формы диоксиновых молекул: A - в свободном состоянии; B - бабочка , в комплексах с ФЭ; С - торсионные углы, определяющие форму молекул; ось симметрии, относительно которо й определяется форма диокси-новых молекул, проходит через атомы O7 и O 14

Изменение зарядов на атомах С того диоксинового кольца, с которым взаимодействует №Н3-группа ФЭ, составляет 0,03-0,04е, а на некоторых атомах С другого диоксинового кольца - 0,01-0,02е.

Тем не менее, происходит изменение электронного строения диоксино-вых молекул. При этом на С-атомах того диоксинового кольца, с которым взаимодействует №Н3-группа ФЭ, наблюдается существенное изменение электронной заселенности НСМО; а на некоторых С-атомах другого кольца отмечено значительное изменение электронной заселенности ВЗМО.



Анализ межатомных расстояний в точках минимумов энергии показал, что в этих точках полярная часть ФЭ вытягивается вдоль плоскости молекулы ПХДД (рис.5), т.е. №т3-группа взаимодействует с одним из крайних колец диоксина, в то время как фосфатная группа PO4 взаимодействует с другим крайним диоксиновым кольцом. В точках же высоких значений потенциального барьера фосфатная группа ФЭ PO4, наоборот, располагается на максимальном удалении от плоскости диоксиновых молекул (рис.5).


Рис. 5 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с одной молекулой ФЭ на крайних кольцах в точках минимумов энергии и точках высоких потенциальных барьеров

Исходя из анализа межатомных расстояний и структур оптимизированных комплексов (рис.5), можно сделать вывод, что помимо этаноламинной группы ФЭ, в процессе комплексообразования диоксинов с фосфолипидом принимает активное участие и фосфатная группа. Этим и объясняется изменение электронной заселенности ВЗМО на атомах PO4-группы. Кроме того, по всей видимости, именно близкое расположение фосфатной группы ФЭ к диок-синовым кольцам в точках минимумов энергии способствует изменению формы диоксиновых молекул и перераспределению зарядов на атомах того диок-синового кольца, с которым фосфатная группа взаимодействует. Об этом также свидетельствует и тот факт, что на тех атомах, к которым фосфатная группа располагается ближе всего, отмечено более сильное изменение зарядов на атомах и электронной заселенности ВЗМО.

2-я разновидность комплекса диоксин - фосфолипид - это комплекс, образующийся при взаимодействии диоксинов одновременно с двумя фосфо-липидными молекулами на крайних диоксиновых кольцах, когда фосфолипиды располагаются с одной стороны относительно плоскости диоксиновых молекул



(рис.3-2). Для получения картины зависимости энергии образования данных комплексов от значения пары углов 81-82 их вращение задавалось с шагом в

30°.

Структуры комплексов с минимальной энергией наблюдаются при значении пары углов 81-82 = 0°-0°. Значения высот потенциальных барьеров позволили сделать выводы об энергетической устойчивости структур в этих точках и охарактеризовать их как точки локального минимума энергии.

Значения энергии комплексообразования в точках минимумах энергии приведены в табл.1, из которой видно, что энергия образования такой разновидности комплекса значительно повышается по сравнению с энергией образования 1-ой разновидности этого комплекса, когда диоксин взаимодействует с одной фосфолипидной молекулой.

Большая величина энергии комплексообразования ПХДД с ФЭ говорит об устойчивости образованных комплексов. Кроме того, это хорошо согласуется с тем экспериментальным фактом, что диоксины накапливаются прежде всего в жировых тканях и тканях, богатых липидами [11].

Исследования структурных и электронных параметров обнаруженной разновидности комплекса диоксин - фосфолипид дали следующие результаты.

Двугранные углы гидрофильной части обеих молекул ФЭ меняются в среднем на 2-12°, что не оказывает влияния на конформацию фосфолипидных молекул. Изменение зарядов на атомах ФЭ в области комплексообразования составляет 0,01-0,03е, за исключением атома O13, на котором заряд увеличивается на 0,06-0,08е. На остальных атомах заряд практически не изменяется. Общий суммарный заряд молекулы также остается неизменным.

Тем не менее, происходит изменение электронного строения фосфоли-пидных молекул в области комплексообразования. При этом на атомах этано-ламинной группы (N1, C5, H2-H4) наблюдается существенное изменение электронной заселенности НСМО, наиболее значительное - на атомах N1, C5; а на атомах фосфатной группы (P12, O10, O13, O14, O15) отмечено значительное изменение электронной заселенности ВЗМО, наиболее заметное - на атомах O13,

O14.

Одновременно с этим отмечено изменение формы диоксиновых молекул: как и в комплексах ПХДД с одним ФЭ, они приобретают форму бабочки (см. рис.4, В, С): углы ю1-ю4 становятся равными 168°-172°. При этом изменения зарядов на атомах диоксинов составляют 0,01-0,02е. Общий суммарный заряд молекул ПХДД остается неизменным. Однако при этом происходит изменение электронного строения диоксиновых молекул: на атомах C12, C11, C8, C9 - наблюдается значительное изменение электронного строения как ВЗМО, так и НСМО; а на атомах O7, O14 - существенное изменение электронного строения

Для объяснения такого поведения диоксиновых молекул при образовании комплексов с двумя ФЭ был проведен сравнительный анализ структуры оптимизированных комплексов ПХДД с ФЭ и межатомных расстояний в точках ми-



нимумов энергии и наивысших точках потенциальных барьеров. Результаты представлены на рис. 6-7 (a и b - молекулы ФЭ1 и ФЭ2; 1 - структура комплекса, 2 и 3 - расположение полярной части молекул ФЭ1 и ФЭ2 относительно плоскости диоксиновой молекулы).


Рис. 6 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с 2-мя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы в точках минимумов энергии


Рис. 7 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с 2-мя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы в точках высоких значений потенциальных барьеров



Как видно из рисунков, атом Р12 фосфатной группы PO4 ФЭ располагается приблизительно на одинаковом удалении от плоскости диоксиновой молекулы в обеих энергетически крайних точках, в то время как атомы О13 и О14 фосфатной группы PO4 ФЭ в точках минимумов располагаются намного ближе к диоксиновым кольцам, чем в точках высоких значений потенциальных барьеров.

По-видимому, именно определенный вклад фосфатной группы в образование исследуемых комплексов оказывает влияние на изменение формы диок-синовых молекул, о чем также свидетельствует существенное изменение зарядов и электронного строения на всех атомах фосфатной группы PO4 ФЭ (в особенности на атоме O13) и именно тех атомах C диоксиновых колец, к которым фосфатная группа располагается ближе всего.

Выводы и заключение. Таким образом, из представленных данных можно сделать следующие выводы.

Образование комплексов ПХДД с ФЭ не приводит к каким-либо существенным изменениям структуры фосфолипидных молекул, однако при этом происходит изменение электронного строения молекул фосфолипидов в области комплексообразования. При этом на атомах этаноламинной группы наблюдается изменение электронной заселенности НСМО, а на атомах фосфатной группы наблюдается изменение электронной заселенности ВЗМО.

В то же время, в точках минимумов энергии происходят значительные изменения формы диоксиновых молекул. Одновременно с этим наблюдается изменение электронного строения молекул ПХДД. Наиболее значительные изменения отмечены на всех углеродных атомах диоксинового скелета, при этом на атомах того диоксинового кольца, с которым взаимодействует этаноламин-ная группа ФЭ, происходит изменение электронной заселенности НСМО, а на атомах другого кольца отмечено изменение электронной заселенности ВЗМО.

Анализ межатомных расстояний, электронного строения и структур оптимизированных комплексов в точках минимумов энергии показывает, что в процессе комплексообразования диоксинов с фосфолипидами активное участие принимает и фосфатная группа ФЭ, и именно ее близкое расположение к одному из диоксиновых колец способствует изменению формы диоксиновых молекул.

Поскольку общий заряд участвующих в комплексообразовании молекул ФЭ и ПХДД остается неизмененным, то изменение зарядов на атомах не связано с переносом заряда между молекулами, а объясняется внутренним перераспределением зарядов на атомах в пределах молекул в результате образования комплексов.

Также нельзя не отметить тот факт, что прослеживается схожий характер всех отмеченных изменений для комплексов ФЭ со всеми 4-мя диоксиновыми молекулами, что свидетельствует и о схожем механизме их взаимодействия с фосфолипидами.



ЛГитература.

1. Буркерт У., Эллинджер Н. Молекулярная механика. - М.: Мир, 1986.

2. Ивков В.Г.. Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. - М., 1981. - 293 с.

3. Насибуллин Р.С., Зелеев М.Х., Спирихин Л.В., Хайретдинова Д.И (Косарева Д. И.) Исследование воздействия молекулы пиридина на клеточные фос-фолипиды Новости ЯМР в письмах. - 1995. - № 1. - с. 120.

4. Насибуллин Р.С., Косарева Д.И., Спирихин Л.В. Биополимеры и клетка. - 1998. - т. 14, № 5. - с. 15-17.

5. Насибуллин Р.С., Пономарева В.А., Спирихин Л.В. Биомембраны. -

1992. - т. 9, № 3. - с. 308-311.

6. Насибуллин Р.С., Серебреник М.А. Биополимеры и клетка. - 1997. - №

2. - с. 12-15.

7. Насибуллин Р. С., Спирихин Л. В., Пономарева В. А. Биофизика. - 1991.

- т. 36, вып. 4. - с. 594-598.

8. Насыров Х.М., Насибуллин Р.С., Бузыкаев Б.А. Спектроскопическое исследование взаимодействия молекулы пиразола с фосфолипидами Фармакология и токсикология. - 1991. - № 3. - с.59-60.

9. Федоров Л.А. Диоксины как фундаментальный фактор техногенного загрязнения природы Экологическая химия. - 1993. - № 3. - с. 169-187.

10. Федоров Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы. - Москва: Наука, 1993. - 260 c.

11. Цырлов И.Б. Хлорированные диоксины: биологические и медицинские аспекты: Аналитический обзор. - М.: ГПНТБ СО АН СССР, 1993. - 187 с.

12. Boer F.B., Van Remoortere F.P., North P.P., Newman M.A. Acta. Crystallogr. Sect. B: Struct. Crystallogr. Cryst. Chem. - 1972. - B28. - p. 1023-1029.

13. Dewar M.J.C. The molecular theory of organic chemistry. - N.Y.: McGraw-Hill. - 1969. - 381 p.

14. Poland A., Greenlee W.F., Kende A.S. Studies on the mechanism of action of the chlorinated dibenzo-p-dioxins and related compounds Ann. N.Y. Acad.Sci. -1979. - vol. 320. - p. 214-230.

15. Silbergeld E.K., Gasiewicz T.A. Dioxins and the Ah receptor Amer. J. Ind. Med. - 1989 - v. 16. - p. 455-474.

16. Whitlock J.P.J. Mechanistic aspects of dioxin action Chem. Res. Toxicol.-

1993. - vol. 6, № 6. - p. 754-763.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.