автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование конформационных свойств фосфолипидов клеточных мембран при образовании комплексов с пиридином и некоторыми его производными

Башкирский государственный медицинский университет кафедра медицинской и биологической физики

На правах рукописи

Косарева Диляра Ильдусовна

Математическое моделирование конформационных свойств фосфолипидов клеточных мембран при образовании комплексов с пиридином и некоторыми его производными

05.13.16. Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Насибуллин P.C.

Уфа-1999

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЯМР 1Н, 2Н и 13С - спектроскопия ядерного магнитного резонанса на ядрах

водорода, дейтерия и изотопа водорода

- химический сдвиг

- единица измерения ХС в миллионных долях

- оператор Гамильтона системы или Гамильтониан

- молекулярная орбиталь

- атомная орбиталь

- орбиталь Слэтеровского типа

- орбиталь Гауссовского типа

- расширенный метод Хюккеля

- приближение нулевого дифференциального перекрывания

- Complete Neglect of Differential Overlap (Полное Пренебрежение Дифференциальным Перекрыванием, ППДП)

INDO - Intermediate Neglect of Differential Overlap (Частичное Пре-

небрежение Дифференциальным Перекрыванием, ЧПДП) NDDO - Neglect of Diatomic Differential Overlap (Пренебрежение

Двухатомных Дифференциальным перекрыванием, ПДДП) MINDO - Modified INDO

MNDO Modified Neglect of Differential Overlap (Метод Пренебреже-

ния Дифференциальным Перекрыванием, МПДП) ФХ - фосфатидилхолин (1,2-диацил- sn- глицеро-3- фосфорил-

холин)

DPPC - 1,2 - дипальмитоил- sn- глицеро-3 - фосфохолина

РОРС - 1-пальмитоил-2-олеил-фосфатидилхолин

DMPC - димиристоил - фосфатидилхолин

DSPC - дистеароилфосфатидилхолин

ХС м.д.

Н

МО

АО

STO

GTO

РМХ

НДП

CNDO

DPPE - дипальмитоилфосфатидилэтаноламин (1,2 - дипальмитоил-

sn- глицеро-3 - фосфоэтаноламин) DLPE - дилинолеилфосфатидилэтаноламин

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 6

Глава 1. Литературный обзор 11

1.1. Структура фосфолипидов в биологических мембранах 11

1.1.1. Модели мембран 12

1.1.2. Конформация липидов 15

1.1.3. Организация липидов 23

1.2. Структура, строение, применение и некоторые физико- 35 химические свойства пиридина и его производных

1.3. Роль квантово-химического и радиоспектроскопическо- 39 го методов исследований биоактивных соединений содержащих молекулу пиридина

Глава 2. Математические модели и методы 44

2.1. Основные приближения, используемые при расчетах 44 электронной структуры и спектров биоорганических молекул

2.2. Характеристики электронного строения молекул. Сте- 51 пень надежности и достоверности результатов квантово- химических расчетов

2.3. Обзор полуэмпирических методов расчета 53 Глава 3. Вычислительный эксперимент 56

3.1. Анализ экспериментальных данных 56

3.2. Расчет конформационных свойств 59

3.2.1. Комплекс 1 -го типа 59

3.2.1.1. Исследования в области углов (0С5, 014) 59

3.2.1.2. Исследования в области углов (0С2, 0С1) 72

3.2.2. Комплекс II типа пиридин - ФХ 90

3.2.2.1. Исследование в области углов (аз, 0,2) 90

3.2.2.2. Исследования в области углов (а.2, ai) 106

3.2.2.3. Исследования сложной структуры комплекса 116 3.2.3. Комплекс 3-го типа 137

Выводы 159

Список литературы 160

Приложение 170

Введение

Все возрастающая по интенсивности деятельность человечества на данном этапе развития науки и технологии привела к появлению в биосфере земли огромных масс веществ, которые отсутствовали в период биологической эволюции. Преобладающая часть их составляют впервые синтезированные или выделенные из природных источников соединения. Почти все химические соединения обладают в разной степени способностью влиять на функции тех или иных биологических систем. Не вызывает сомнения то, что среди уже имеющихся соединений могут быть найдены эффективные регуляторы патологических процессов организма и новые лечебные препараты. В то же время синтезируются новые химические препараты (яды, канцерогены, мутагены, аллергены) представляющие опасность для человека и окружающей среды. Однако, на современном этапе развития науки знания о последствиях этого воздействия явно недостаточны, чтобы прогнозировать длительное и оптимальное существование человека в этом все более насыщающемся биологически активными веществами мире.

Одним из важнейших этапов развития современной физики и биофизики является решение вопроса о характере влияния биологически активных соединений на проницаемость клеточных мембран. Основные состояния биологических систем в значительной мере определяются многогранной функцией мембран. В мембранах идут важные для жизни метаболические и энергетические процессы. Фосфолипиды, являясь основным компонентом клеточных мембран, выполняют специфические функции в метаболических превращениях и межклеточных взаимодействиях. Среди фосфолипидов клеточных мембран особое место занимает фосфатидилхолин, в котором азотсодержащее положительно заряженное основание (холин) связано эфирной связью с радикалом фосфорной кислоты, то есть обладает свойствами цвиттериона. В большинстве

случаев, в первом положении глицерина преобладают жирные кислоты, а во втором - ненасыщенные жирные кислоты. По-видимому, биологическая активность веществ широкого спектра действий проявляется в значительной степени во взаимодействии с фосфолипидами клеточных мембран. Хотя в настоящей работе приводятся результаты исследований одного вида фосфолипи-да, характер взаимодействий биоактивных веществ с другими видами фосфоли-пидов представляется общим.

Изменения естественного течения различных биохимических процессов в клетке, вызываемых попадающими в организм экзогенными химическими соединениями, прямо или косвенно связаны с нарушением барьерной или структурной функции мембран [1-4]. Действие многих лекарственных препаратов направлено на изменение функции мембран, а эффективность действия лекарств зависит от их способности проникать через мембраны или связываться ими. В связи с этим огромный интерес представляет молекулярный механизм взаимодействия биологически активных соединений со структурными составляющими клеточной мембраны - фосфатидилхолином (ФХ).

Одним из наиболее ярких представителей класса биологически активных соединений является пиридин - шестичленный гетероцикл с атомом азота в кольце. Поскольку пиридин и некоторые его производные нашли широкое применение во многих областях медицины, сельского хозяйства и легкой промышленности, механизмы их воздействия на живые организмы издавна привлекали внимание ученых. Известно, что пиридин и его замещенные производные образуют разнообразные комплексы с биологическими молекулами. Эти комплексы, как правило, формируются либо за счет образования водородной связи типа К..Н-0, либо с участием ионной пары ЬГ Н...О" [5-8]. Однако, анализ биологического действия многочисленных соединений, содержащих пиридиновые гетероциклы показывает, что лишь указанные выше типы связей не могут объяснить все разнообразные виды воздействия этой группы со-

единений. Изучение молекулярного механизма влияния биологически активных соединений пиридина и его производных на функции биологических мембран требует учесть и другие механизмы комплексообразования. Однако, в литературе не имеется достаточно сведений об исследованиях на молекулярном уровне процессов, происходящих в биомембранах под влиянием этих химических соединений, и данных о механизме действия данного класса веществ. Решение указанных выше задач открывает возможность целенаправленного использования уже имеющихся лекарственных препаратов и синтеза новых. Знания о молекулярном механизме взаимодействия пиридина и некоторых его производных с биологическими мембранами позволят расширить границы практического применения данного класса биологически активных веществ во многих областях медицины и других сферах деятельности человека.

Реакционная способность, пространственное строение и некоторые другие характеристики молекул определяются взаимодействием электронов с ядрами, их поведением во времени и их пространственным распределением [911]. Изучение сложных систем биоорганических молекул и свободных радикалов можно начинать с изучения распределения электронной плотности при данном расположении ядер. Современный уровень естественных наук и вычислительной техники открывает новые возможности подхода к проблемам биологической активности химических соединений и дает возможность применения методов численного эксперимента к биологическим системам [12-15]. Развитие квантово-механической теории межмолекулярных взаимодействий обязано использованию быстродействующих ЭВМ и общему развитию методов расчета электронных оболочек молекул, а так же применению более точных математических методов. Аналитические расчеты поверхности потенциальной энергии молекулярных систем имеют важное значение для развития теории химических реакций и конформационных переходов, для разработки теории межмолекулярных взаимодействий, учитывающей неаддитивные эффекты, для более точной

интерпретации спектров конденсирования систем и процессов переноса в жидкой фазе и более точных расчетов термодинамических характеристик молекул, для расчета гармонических и негармонических потенциальных (силовых) постоянных в спектроскопии молекул и ряда других свойств.

Использование полуэмпирических методов квантовой химии и методов молекулярной механики на корректно выбранной модели дает возможность вычислять геометрические параметры сложных молекул и комплексов и их физических параметров (энергии связи, распределение электронной плотности и заряда на атомах исследуемой системы, дипольного момента). Для описания электронного строения больших молекул необходимо брать большое число базисных функций слейтеровских орбиталей, проводить расчеты с большими матрицами и вычислять большое количество интегралов. Несмотря важность проблемы связи структуры биологических молекул с их биологической активностью, развитие исследований в этой области сдерживается чрезмерной сложностью биологических объектов, и поэтому традиционные методы являются мало эффективными и трудоемкими. Именно поэтому при работе с такими молекулами ограничиваются модельными системами.

Ранее, при исследовании методами квантовой химии и ЯМР- спектроскопии действия пиразола и его производных на клеточные фосфолипиды, нами было показано образование трех типов комплексов между пиразольным гетеро-циклом и молекулой фосфатидилхолина, один из которых образован водородной связью РО=...ЫН (комплекс 1-го типа), второй характеризуется взаимодействием 71-электронов кольца пиразола с холиновой 1Ч(СНз)з частью фосфолипи-да (комплекс 2-го типа), а третий - с двойной связью С=С в остатке олеиновой кислоты (комплекс 3-го типа) [16-23]. Поскольку пиразольное кольцо содержит атом азота, идентичный азоту пиридинового гетероцикла, все экспериментальные и расчетные данные, полученные для пиразола, можно по аналогии соотнести к пиридину [24].

Данная работа проводилась в рамках обширной программы кафедры физики БГМУ по исследованию молекулярного механизма действия биологически активных препаратов с целью построения теории связи структуры молекул с их биологической активностью.

Настоящая работа посвящена исследованию изменений электронного строения и конформационных свойств клеточных фосфолипидов под воздействием пиридина и некоторых его производных.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Структура фосфолипидов в биологических мембранах

Существование биологических мембран определяется уникальной способностью мембранных липидов спонтанно образовывать в водной среде тонкие протяженные пленки. Идея о наличии липидной оболочки, окружающей клетку, была высказана еще в 1895 г. Е. Овертоном на основании анализа скорости проникновения в клетку различных веществ. В 1925 г. Г. Гортер и Е. Грендель предположили, что эта оболочка представляет собой бимолекулярный слой, в котором неполярные части липидных молекул образуют внутреннюю гидрофобную область бислоя, а полярные группы образуют две контактирующие с водой внешние гидрофильные области.

Функции биологических мембран заключаются не только в создании полупроницаемого барьера между внутренним пространством клетки и внешней средой, но и в локализации значительной части ферментативных реакций. В процессе жизнедеятельности клетки растут, делятся, образуют контакты с соседними клетками, движутся, осуществляют эндо- и экзоцитоз и т.д. [25-26]. Необходимым условием этих процессов является одновременная лабильность и устойчивость мембран, что обеспечивается их определенным химическим составом. Цитоплазматические мембраны, которые действуют как граница клетки, образуют основной фундамент современной клеточной биологии. Такие мембраны ответственны за состояние внутриклеточного вещества (негативная энтропия), участвующего во всех процессах жизнедеятельности клетки, за счет дезорганизации (позитивная энтропия) в их окружении. Разнообразие и функции биологических мембран, тем не менее, более широкие.

Биоэнергетика живых систем также контролируется процессами, происходящими на поверхности мембран [27]. Анизотропия бислоя, который в на-

правлении, параллельном поверхности, ведет себя как "двумерная жидкость", а в направлении, перпендикулярном поверхности, - как твердое тело, определяется общей формой образующих его молекул. Все структурообразующие липи-

9 С __)в

ды имеют одно структурно выделенное направление с разделенными полярной и гидрофобной областями. Полярная и гидрофобная (углеводородная) части молекулы, как правило, обладают достаточной гибкостью и подвижностью, что позволяет им принимать наиболее выгодную форму, соответствующую минимуму энергии, а "жидкому" бислою - сохранять барьерные свойства при изменении в широких пределах липидного состава, температуры, ионной силы водной среды и т. д.

1.1.1. Модели мембран

Основные компоненты биомембран - белки и липиды. Относительная концентрация этих двух компонентов зависит от природы и функций мембраны, но приблизительно они представлены в почти одинаковых весовых соотношениях.

Самая общая форма липидов в биомембране - фосфолипиды (рис. 1.1). Существует три важных физико-химических свойства этих молекул, которые имеют хорошо выраженные гидрофильные и гидрофобные области. Гидрофильная область состоит из ос- цепочки и области глицеринового позвоночника, в то время как две длинные углеводородные цепочки (Р и у) образуют гидрофобную группу. В избытке воды, фосфолипид приобретает ламинарную структуру углеводородной цепочки, превращаясь в форму бислоя (рис. 1.2), мало контактирующего с водой, в то время как полярная головка погружается в воду. Липиды очень хорошо растворимы, потому что имеют способность движения межмолекулярных цепочек как вокруг различных простых связей в молекуле, так и латеральных диффузий и флип- флоп. Эта характеристика об-

% а5 О

сн2 Э

/ Ж

СНг Р,

Рис. 1.1 Молекула фосфатидилхолина (система обозначений по [32]). (3 и у углеводородные цепочки состоят из 15-18 атомов углерода. Трехмерная структура молекулы определяется торсионными углами 9ь 9з, осга6, РгРп, УгУп

jr \ J-1JT \ J- ^

Wí. J

/ЩШШ --к SI -, ,,

"0'Х.>~Х.ГХ_ГХ..'"Х

'"ХЛ^ХГХ^Х.ГЧ. "xj" x ->"X f''-J"KSX.

X XX/1./Ч/ \ ,

л

~XJ~ X J~X J~XJ~XJ"

-•aa/x/jí

"x /x Ух i

3

i §

Oí

s

o S

Ю

................ .

"Х-/" \ хх.гх-Гху г

"\J~\S\л

X./ Х./Х^ГХ^ГХ-ГХ

"XУ\j"X\

s es

IT)

o §

«

o

£ H

o

o

s

4

5 S

íN

o S Рч

разует главный фундамент так называемой модели жидкостной мозаики биомембран [28-29]. Движения этих мембран сдерживаются определенной температурой, характеризующей жидко- кристаллические гелевые фазовые изменения.

Липиды в различных областях в мембране имеют разные текучесть и физико-химические свойства, формируемые отдельными островками в мембране [30-31]. Организация липидов и других структурных единиц в этих островках отличаются друг от друга.

1.1.2. Конформация липидов

Трехмерная структура липидов характеризуется конформационными состояниями с соответствующими различными химическими связями [32]. Говоря о конформации фосфолипидной молекулы в целом, нельзя не учитывать кон-формации ее отдельных частей (полярной головки, глицеринового позвоночника, углеводородных цепей). При этом нельзя не брать в расчет влияние фазовых переходов, происходящих в клеточных мембранах, на конформационные состояния, поскольку конформации отдельных участков фосфолипидной молекулы непосредственно зависят от фазы. Так, например, отмечено, что при переходе из гелевой в жидко- кристаллическую фазу уменьшается толщина бислоя и увеличивается площадь, приходящаяся на каждую молекулу в бислое [33]. Ниже температуры фазового перехода, в фазе геля, фосфолипиды образуют бис-лойную структуру, в которой жирно-кислотные цепи упакованы в виде высоко-упоряд�