Теоретичне дослідження 1,2,4-триазоліл-1 дитіонової кислоти як аналога диклофенаку

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДВНЗ «Ужгородський національний університет»

Теоретичне дослідження 1,2,4-триазоліл-1 дитіонової кислоти як аналога диклофенаку

к.х.н., викл. Фізер М.М.

м.н.с. Фізер О.І.

к.фарм.н., доц. Девіняк О.Т.

к.х.н., доц. Сливка М.В.

д.х.н., проф. Лендєл В.Г.

Розробка нових синтетичних речовин, які б проявляли протизапальні властивості є актуальною задачею сьогодення. Широке застосування в медичній практиці знайшли нестероїдні протизапальні препарати (НПЗП), що обумовлено їхньою вираженою протизапальною та аналгезуючою, жарознижуючою активністю. Дія НПЗП базується на блокуванні циклооксігенази (ЦОГ) - фермента, який бере участь в утворенні простагландинів із арахідонової кислоти. Саме пригнічення дії ЦОГ обумовлює зменшення гіперемії, набряку, болю та запалення в цілому.

Один з найпоширеніших НПЗП є диклофенак натрію [1]. В літературі описано вдосталь досліджень по взаємодії диклофенаку з ЦОГ [2]. Так, в базі даних білків RCSD PDB [3] під кодом 3N8Y описані результати кристалографічного дослідження комплексу циклооксігенази-1 з диклофенаком. Даний комплекс є зручним об'єктом для теоретичного дослідження потенційних аналогів диклофенаку, як для порівняння структури досліджуваної молекули з геометрією диклофенаку, так і для прогнозування енергії зв'язування досліджуваної молекули з білком-мішенню.

Серед великої кількості раніше синтезованих сполук на кафедрі органічної хімії УжНУ [4], було проаналізовано їх потенційну активність за допомогою програми PASS [5]. Виявлено, що триазол І з доволі високим ступенем імовірності проявлятиме протизапальні властивості. При детальнішому дослідженні структури та властивостей триазолу І і порівнянні їх з властивостями диклофенаку, знайдено певну подібність між цими двома сполуками, і саме це теоретичне дослідження й стало об'єктом дослідження даної роботи.

Результати та їх обговорення. Синтез сполуки І описаний в попередніх роботах [6,7]. Структура І містить 1,2,4-триазольний цикл, два фенільні кільця в положеннях 4 та 5, а також тіокарбоксильну групу і тіонну групу (рис.1). На перший погляд, подібність до диклофенаку не дуже помітна, однак при детальному розгляді структури цих двох сполук було відмічено наявність подібних ланок. Насамперед, це 2,6-дихлорофенільний замісник диклофенаку та фенільне кільце в положенні 4 триазолу І. Атом Нітрогену пірольного типу N4 триазолу І та атом Нітрогену диклофенаку є слабоосновними (pKa_(пірол)=-4.0; pKa_{(дифеніламін)}=0.9). На відстані трьох атомів (у диклофанеку позначено 1,2,3, у випадку
триазолу І - 5,1,2) від Нітрогену знаходиться карбоксильна/тіокарбоксильна група. Також в обох молекулах є додаткове фенільне кільце, за рахунок якого може посилюватися взаємодія з білком-мішенню через слабкі взаємодії внаслідок р-стекінгу [8].

Рис. 1. Структурні фрагменти диклофенаку (зліва) та триазолу І (справа).

Для більш наочної презентації подібності цих двох молекул ми порівняли схожі структурні фрагменти (на рис.1 позначені жирним). Середньо-квадратичне відхилення виділених фрагментів склало всього 0.383 (рис.2).

протизапальний диклофенак триазол нестероїдний

Рис. 2. Порівняння структури диклофенаку (чорний) та сполуки І (білий). RMSD=0.383.

Було проаналізовано часткові заряди по Хіршфельду, для подібних ланок двох молекул. Значення часткових зарядів в межах досліджуваних фармакофорних фрагментів є подібними з високою кореляцією (R²=0.7816, рис. 3), а отже має місце однаковий характер перерозподілу електронної густини, що є додатковим доказом подібності цих структур.

Рис. 3. Кореляція між частковими зарядами на відповідних атомах для молекул диклофенаку та триазолу І.

Окрім порівняння двох структур між собою, важливим насамперед залишається прогнозування можливої взаємодії з білком-мішенню. У даному випадку це можна провести з доволі високою точністю через наявність експериментально встановленої структури ЦОГ-1.

Для моделювання взаємодії триазолу І з мішенню ми використали «карман» з всіма амінокислотами на відстані 4Е - 13 амінокис-лотних фрагментів, а саме тирозин (3 зали-шки), валін, лейцин (2 залишки), серин (2 залишки), триптофан, метіонін, ізолейцин, гліцин, аланін. Вільні валентності були замінені на Гідрогени. Одержаний «карман» складався з 232 атомів, з диклофенаком - 261 атом, а з триазолом І - 263!

Враховуючи розміри досліджуваної системи, для моделювання взаємодії з досліджуваним триазолом І та порівняння з диклофенаком було вирішено використати методи молекулярної механіки, з використанням силового поля SP4 [9]. Валідацію отриманих результатів зручно провести порівнянням геометричних параметрів кристалографічних даних з отриманими розрахованими. З рис. 4 видно, що оптимізація геометрії не сильно змінює загальну картину будови «карману» ЦОГ-1 і середньо-квадратичне відхилення складає 0.913, що для системи такого розміру є абсолютно припустимим.

Рис. 4. Порівняння структури комплексу «карман»-диклофенак. Чорний - оптимізований SP4, білий - експериментальний. RMSD=0.913.

Для порівняння енергій взаємодії диклофенаку та триазолу І, було попередньо проведено повну оптимізацію геометрії комплексу «карман»-ліганд, а також системи при віддаленні ліганду від «карману» на відстань близько 100Е.

Таблиця 1. Вільна енергія Гіббса взаємодії ліганду з білком ЦОГ-1.

Отримані значення енергій зв'язування вказують на можливу близьку аналгетичну дію триазолу І до диклофекану, хоча і трохи меншу. Різниця в енергіях для різних лігандів складає всього 2.04 ккал/моль.

Окрім розрахунку вільної енергії Гіббса реакції зв'язування ліганду з білком-мішенню, було вирішено дослідити, які саме типи взаємодій присутні в утвореному комплексі. Для цього було проведено аналіз слабких нековалентних взаємодій в комплексах «карман»-триазол І та «карман»-диклофенак на рівні теорії DFT PBE/6-31+G* для геометрії SP4 та геометрії з експериментальних рентгеноструктурних досліджень. Знову ж таки, враховуючи розміри системи, така задача далеко не є тривіальною.

Рис. 5. RDG поверхня: a - комплекс диклофенак:ЦОГ-1(експеримент); b - комплекс диклофенак:ЦОГ-1(SP4); с - комплекс триазол І:ЦОГ-1(SP4).

Дослідження слабких взаємодій було проведено методом зменшення градієнту густини (RDG - Reduced Density Gradient) [10], як це реалізовано в програмі Multiwfn [11]. На рис. 5 представлено види взаємодій, які були знайдені у відповідному наближенні. Цікаво відзначити, що у даному комплексі не спостерігається водневих зв'язків між лігандом та протеїном, про це свідчить відсутність зубців у нижній частині області «H-bond». Стеричний ефект описує взаємодію в циклах, і завжди присутній в системах, які, наприклад, містять бензольне чи циклогексанове кільце. Як видно з рис.5 основним типом взаємодії є слабкі Ван дер Ваальсові. У всіх трьох випадках діаграми доволі схожі і це є додатковим доказом схожості між триазолом І та диклофенаком.

Експериментальна частина. Триазол І та диклофенак моделювали у вигляді аніонів. Початкову геометрію для сполуки І, диклофенаку, маніпуляції з геометрією проводили в програмі Avogadro [12]. Розрахунки методами молекулярної механіки проводили пакетом VEGA ZZ [13] з вбудованою програмою AMMP [14]. Для розрахунку початкових часткових зарядів на атомах, для молекулярної механіки, використовували програму MOPAC2016 [15] з напівемпіричним методом AM1 [16]. Для порівняння геометричних параметрів та часткових зарядів лігандів, проводили оптимізацію геометрії та розрахунок хвильових функцій в програмі ORCA [17], в наближенні PBE/6-31+G*. Аналіз хвильових функцій програмі Multiwfn [11]. Візуалізуція здійснена в програмах VEGA ZZ [13] та Multiwfn [11].

Висновки

Розглянута 3,4-дифеніл-5-тіо-4,5-дигідро-1H-1,2,4-триазоліл-1 дитіонова кислота (І) має структурну та електронну схожість з протизапальним засобом диклофенак, що було нами підтверджено за допомогою цілого ряду теоретичних методів. Очевидно, що подальша робота в дослідженні активності сполуки І є необхідною і перспективною, адже відомо, що похідні триазолу є мало токсичними і доволі легко переносяться хворими. Враховуючи велику кількість лікарських засобів, які містять фрагмент триазолу, синтез похідних та структурно схожих до триазолу І молекул, є в перспективі наших подальших досліджень.

Список використаних джерел

1. Шварц Г.Я. Фармакологические свойства и результаты клинического изучения нестероидного противовоспалительного препарата ортофена. Химико-фармацевтический журнал. 1997, 11, 1395-1398.

2. Sidhu R. S., Lee J. Y., Yuan Ch., Smith W. L. Сomparison of cyclooxygenase-1 crystal structures: cross-talk between monomers comprising cyclooxygenase-1 homodimers. Biochemistry 2010, 49, 7069-7079.

3. http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do.

4. Лендєл В.Г., Онисько М.Ю., Сливка М.В., Балог І.М., Король Н.І., Кривов'яз А.О., Кут М.М., Луцьо С.А., Русин І.Ф., Фаринюк Ю.І., Фізер М.М., Хрипак Н.П. Наукова школа кафедри органічної хімії. Електрофільна гетероциклізація як універсальний метод створення гетероциклічних систем. Науковий вісник Ужгородського у-ту. Серія «Хімія». 2016, 35, 16-21.

5. http://www.pharmaexpert.ru/passonline/index.php.

6. Sukcharev S.N., Chundak S.Yu., Sukchareva О.Yu., Slivka M.V. Extraction-Photometric Determination of Cadmium and Mercury in Waters. Chem Tech Water. 1997, 19(5), 474-480.

7. Chundak S.Yu., Sukchareva О.Yu., Sukcharev S.N., Khripak S.М., Slivka М.V. The Complexation and Extraction of Ion-Association of Cadmium, Mercury (II) and Lead (II) with Sulphurcontains Triazoles and Basic Dyes. Ukr. Khim. Zh., 1997, 63(3), 37-41.

8. Wheeler S. E. Local Nature of Substituent Effects in Stacking Interactions. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 10262-10274.

9. Pencheva T., Lagorce D., Pajeva I., Villoutreix B. O., Miteva M. A. Ammos: automated molecular mechanics optimization tool for in silico screening. BMC Bioinformatics 2008, 9, 438-452.

10. Johnson E.R., Keinan S., Mori-Sanchez P., Contreras-Garcia J., Cohen A.J., Yang W. Revealing Noncovalent Interactions. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6498-6506.

11. Lu T., Chen F., Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer. J. Comp. Chem. 2012, 33, 580-592.

12. Avogadro: an open-source molecular builder and visualization tool. Version 1.XX. http://avogadro.openmolecules.net/

13. Pedretti A., Villa L., Vistoli G. "Vega - an open platform to develop chemo-bio-informatics applications, using plug-in architecture and script programming" J.C.A.M.D. 2004, 18, 167-173.

14. Harrison R. W. Stiffness and Energy Conservation in Molecular Dynamics: an Improved Integrator. J. Comp. Chem. 1993, 14, 1112-1122.

15. MOPAC2016, Version: 16.175W, James J. P. Stewart.

16. Dewar M. J. S., Zoebisch E. G., Healy E. F., Stewart J. J. P. AM1: a new general purpose quantum mechanical molecular model. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 3902-3909.

17. Neese F. The ORCA program system. WIREs Comput. Mol. Sci. 2012, 2(1), 73-78.

Размещено на Allbest.ru