Комплекс гистамина с клеточным лецитином

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комплекс гистамина с клеточным лецитином

Методами квантовой химии и ЯМР 1Н, 13C, 15N спектроскопии исследовано комплексообразование молекулы гистамина с клеточным лецитином. Показано образование нового типа комплекса, обусловленного взаимодействием атома азота, замыкающего углеводородную цепь гистамина с холиновой группой лецитина. Результатами двумерной спектроскопии ЯМР 1Н, 15N подтверждено одновременное существование двух типов комплексов в водном растворе гистамина с лецитином.

Развитие методов квантовой химии, достижения в совершенствовании вычислительной техники открыли новые возможности для исследования молекулярного механизма биологической активности. В настоящее время общепризнанным является представление, что биологические функции биологических молекул природой закодированы в их строении [1-3].

Проблема установления связи структуры, свойств и биологических функций, выполняемых молекулами, посвящен ряд работ, в которых приводится исследование молекулярного механизма биологической активности [4, 5]. Однако к настоящему моменту построить строгую теорию, способную предсказывать биологические функции молекул, не удается и основание усилия исследователей направлены на изучение молекулярного механизма биологической активности отдельных молекул или их групп [6, 7]. Настоящее сообщение посвящено исследованию молекулярного механизма биоактивности молекулы гистамина.

Рис. 1. Молекула гистамина

Гистамин является пятичленным гетероциклом с двумя атомами азота, расположенными в кольце и связанный с аминовой группой (рис. 1). Особый интерес к гистамину обусловлен тем, что эта молекула содержится во всех органах организма, включая кору головного мозга человека [8, 10]. Одновременно исследователями отмечено чрезвычайно широкий спектр видов биологической активности гистамина, проявляемой этой молекулой, несмотря на ее малые размеры. Гистамин является участником регулирования важнейших физиологических функций организма [1, 3, 11].

Установлено, что гистамин в ряде случаев обладает функциями медиатора [2, 5, 12]. В предыдущих работах было показано образование комплексов гистамина со структурообразующим соединением клеточной мембраны - фосфатидилхолином, приводящие к изменениям конформационных свойств и электронного строения лецитина [4, 5]. При формировании комплекса гистамина с атомом углерода, входящим в звено углеводородной цепи с двойной связью, был показан переход из транс конформации в цис конформацию, приводящий к формированию «Кинка», следовательно к возникновению дополнительного канала обмена веществ мембранами. Формирование дополнительных каналов в клеточной мембране под действием гистамина объясняет установленный факт влияния этого соединения на проницаемость капилляров [13].

Экспериментальня часть

Квантово-химические расчеты проводились методами DFT ВЗLYP и 6-31G. Предварительная оптимизация структуры молекулы гистамина производилось методом молекулярной механики.

Растворители имели индекс ЧДА. Гистамин, использованный в экспериментах, был производства фирмы «Oldrich» Лецитин выделялся из куриных яиц. Спектры ЯМР ¹Н, ¹³C, ¹⁵N записаны на импульсном спектрометре «Bruker» Avance III с рабочей частотой 500.13 МГц (¹H) и 125.47 МГц (¹³С) с использованием 5 мм датчика с Z-градиентом РАВВО при постоянной температуре образца 298 К. Химические сдвиги в спектрах ЯМР ¹³С, ¹Н, приведены в м.д. относительно сигнала внутреннего стандарта тетраметилсилана (ТМС). С целью увеличения цифрового разрешения применялось дополнение нулями и умножение Фурье-образа спектра на экспоненциальную функцию (1b = 0.1 Гц для ¹H и 1 Гц для ¹³С).

Спектры ЯМР ¹³С с подавлением по протонам (WALTZ-16) были зарегистрированы при следующих условиях: спектральное окно - 29.8 кГц, количество точек-64К, длительность возбуждающего импульса (30°) - 3.2 мкс, релаксационная задержка - 2 с, количество прохождений - 256. Редактирование спектров ЯМР проводилось на основании экспериментов DEPT-90 и DEPT-135 [1]. Длительность импульса регенерирующего поперечную намагниченность выбиралась 6 мкс (DEPT-90) и 9 мск (DEPT - 135), рефокусирующая задержка 1/2J = 3.5 мс, 64К точки накоплены в течение 64 прохождений, спектральное окно - 29.8 кГц, экспоненциальное уширение линий - 1 Гц. Двумерные спектры зарегистрированы в стандартных режимах многоимпульсных последовательностей программмного обеспечения прибора. Спектр gsCOSY зарегистрирован со следующими параметрами: размер матрицы 4К на 512 эксп. при спектральном окне 5.0 кГц, при обработке использовалась синусоидальная - колоколообразная взвешивающая функция для F1 и F2 проекций (ssb = 2). gsHSQC спектр (hsqcetgp, размер матрицы 2K на 256 эксп., 5.0 кГц для F2 - проекции и 27.7 кГц - для F1) зарегистрирован с задержкой d4 оптимизированной под наблюдение JCH = 144 Гц.

Химические сдвиги ЯМР ¹⁵N получены из - проекции ¹H-¹⁵N HMBC спектров, значения приведены в аммиачной шкале. Спектры gsHBC зарегистрированы с задержкой эволюции малых констант 71.4 мс для ¹H-¹³С и 142.8 мс для ¹H-¹⁵N HMBC, размер матрицы 2К на 256 экспериментов.

Результаты и их обсуждение

Полученные квантово-химическими вычислениями в приближении метода DFT ВЗLYP/6-31G результаты представлены в таблице.

азот углеводородный гистамин

Таблица. Распределение заряда на атомах N и C гистаминов

Распределение зарядов на атомах азота и углерода гистамина, получение DFT, показывают, что атом азота, замыкающий углеводородную цепочку молекуле, обладает заметным избытком положительного заряда. Расчеты, проведенные методом молекулярной механики и последующей анализ результатов в рамках QSAR показали возможность существования еще одного комплекса, возникающего за счет взаимодействия азота N(8) гистамина с холиновой группой молекулы лецитина и имеющего значительную величину энергии комлексообразования. Квантово-химические дискрипторы рассчитывались указанными выше методами. Прогностические QSAR уравнения сформированы методами, предложенными в работах [16, 17]

Вычисленное методом DFT значение энергии комплексообразования составляет 6.4 ккал/моль. Результаты расчетов методом DFT является достаточно точными.

Однако энергия комплексообразования получается как маленькая разность двух больших величин, поэтому может иметь заметную погрешность. Контрольные вычисления, проведенные методом AM1, дают близкие значения энергии комплексообразования.

Установленный из результатов расчетов комплекс нового типа получлэкспериментальное подтверждение. Вычисленная величина химического сдвига ЯМР 13С от атомов метильной группы холиновой головки лецитина оказалась очень близкой к значению химического сдвига, возникающею при формировании комплекса за счет взаимодействия холиновой группы фосфатидилхолина с гетероциклом гистамина. Спектр, зарегистрированный от ядер 13С метиловых групп холиновой головки лецитина, показал почти сливающуюся спектральную линию (рис. 2). Наблюдаемые крос-пики показали принадлежность линий атомам водорода из метильной группы холиновой головки лецитина. Кросс-пики в двумерных спектрах от 15 N и от водорода однозначно подтвердили существование комплекса, обусловленного взаимодействием N(8) гистамина с холиновой группой (рис. 3).

Наблюдаемые кросс-пики однозначно показывают одновременное взаимодействие атомов N(3) и N(8) гистамина с водородами холиновой группы лецитина. Следовательно, в водном растворе лецитина с гистамином одновременного существуют два разных комплекса, имеющий отличающие структуры и электронное строение.

Рис. 2. Двумерные спектры от ¹³С и ¹H молекулы гистамина и лецитина

Одновременное существование комплексов с разной структуры и электронным строением, по-видимому, являются одной из причин проявления гистамином разных видов биоактивности.

Выводы

азот углеводородный гистамин

1.Показано одновременное существование двух комплексов молекулы гистамина с клеточным лецитином разной структуры и электронного строения.

2.Одновременное существование двух комплексов молекулы гистамина с клеточным лецитином разной структуры обуславливает экспериментально наблюдаемый широкий спектр биоактивности гистамина.

Литература

1.R. Kohl. Protective and adverse biological actions of phenoliic antiocidants. London. 1991.

2.E. Breitmaier, K.N. Spohn. Tetrahedron. 1973. Vol.29. P.1145.

3.Насибуллин Р.С., Галеева Р.И., Юсупов З.Д. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.32. №10. С.68. ROI: jbc-01/12-32-10-68

4.Насибуллин Р.С., Спирихин Л.В., Фахретдинова Е.Р., Галеева Р.И. Бутлеровские сообщения. 2015. Т.43. №8. С.42-44. ROI: jbc-01/15-43-8-42

5.Насибуллин Р.С., Кузнецов М.В., Фахретдинов Д.И. Химическая физика и мезоскопия. 2013. T.15. №4. C.627-631.

6.M.S. Setchenkov, S.I. Usmanova, Yu.G. Afanaseva. R.S. Nasibullin. Russian Physiсal Joural. 2009. Vol.52. No.4. P.417.

7.Никитина В.В., Минеева С.Н. Современный мир, природа и человек. 2011. Т.2. №1. C.57.

8.R.S. Nasibullin, L.V. Spirikhin, V.A. Ponamorev. Biophysics. 1991. Vol.36. No.4. P.594.

9.Y.G. Afamaseva, E.R. Fakhertdinov, L.V. Spirikhin, R.S. Nasibullin. Pharmaceutiсal Chemistry Journal. 2007. T.41. №7. С.354-356.

Размещено на Allbest.ru