Эпидемиологические проблемы во всем мире, резистентность патогенных микроорганизмов к применяемым противомикробным средствам, увеличение числа хронических заболеваний и коморбидной патологии делает актуальным рассмотрение процесса создания лекарства не только в направлении увеличения его эффективности, безопасности и продолжительности действия, но и для обеспечения многофункциональности в организме. До настоящего времени основным объектом поиска лекарственных веществ были рецептор-специфичные или мишень-ориентированные производные, однако на сегодняшний день повышенный интерес при осуществлении дизайна вызывают мультитаргетные лекарственные средства [1]. Концептуальной основой получения таких производных, сформированной при использовании представлений системной биологии, сетевой фармакологии и полифармакологии, служит рассмотрение заболевания как мультифакторного процесса. Наличие в структуре производного лиганда, способного образовывать химические связи с различными мишенями, обусловливая широкий спектр фармакологических эффектов, является главным признаком полифункционального средства [1].
Часто проявление лекарственным веществом побочного эффекта может быть использовано при разработке новых соединений, способных обнаруживать различные виды активности. Наглядным примером является способность антибиотиков, относящихся к группе фторхинолонов, вызывать гипогликемию, что приходится учитывать при их приеме пациентами, страдающими сахарным диабетом 2 типа [2]. Показано, что блокирование аденозин-5'-трифосфат-чувствительных калиевых каналов в мембранах β-клеток поджелудочной железы, представляющих собой специализированный тип белковых структур, которые обеспечивают диффузию ионов К+ через клетку мембраны, и, как следствие, передачу электрических сигналов в нервной системе и регуляцию секреции инсулина, под воздействием левофлоксацина может способствовать возникновению гипогликемии [2, 3]. Установлено строение КАТФ-каналов, представляющих собой гетерооктамерный комплекс, состоящий из двух различных типов белковых субъединиц: внутренних «выпрямляющих K-каналов» (Kir6.x), собирающихся в виде тетрамера, и формирующих канальную пору, и рецептора сульфонилмочевины (SUR) [4]. Установлено, что селективность и ионная проводимость канала достигается конформационными изменениями белков в них, а взаимодействие с ингибиторами осуществляется посредством поливалентных катионов (Mg2+ и Ca2+). Изучена активация канал Kir фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатом (PIP2) и его блокирование АТФ. Обоснована конкуренция PIP2 и АТФ за сайт связывания Kir. Известно, что при низком уровне глюкозы КАТФ-каналы открыты, и калий выходит через эти каналы, что обусловливает гиперполяризацию мембранного потенциала. Повышение концентрации АТФ по сравнению с АДФ приводит к закрытию, деполяризации оболочки и секреции инсулина [5]. Описана роль генов KCNJ11 и ABCC8, находящихся на хромосоме 11p15.1. Установлено кодирование ими и рецептором сульфонилмочевины 1 (SUR1) КАТФ-канала. Важным компонентом КАТФ-канала является рецептор сульфонилмочевины 1 (SUR1), который не участвует в ионном транспорте, но модулирует субъединицу Kir6.2. Описано наличие у SUR1 сайта связывания с АТФ-нуклеотидсвязующего домена (NBD1) [5]. Известно, что ингибиторы активности КАТФ-каналов делятся на две группы: вещества, взаимодействующие с Kir6.2, и производные, блокирующие SUR [4]. Проявление побочного эффекта фторхинолонами связано с взаимодействием веществ с Kir6.2. Блокирование КАТФ-каналов противомалярийными средствами (хинином, мефлохином) также определяет их способность, как и у фторхинолонов, действовать полифункционально. Механизм прямого гипогликемического действия производных сульфонилмочевины (толбутамида, гликлазида, глимепирида) реализуется за счет связывания высоким сродством к SUR [4].
Представляет интерес акарбоза – псевдотетрасахарид бактериального происхождения, способный конкурентно подавлять активность α-глюкозидазы, вследствие чего снижается ферментативное превращение ди-, олиго- и полисахаридов в моносахариды, уменьшается всасывание глюкозы из кишечника и, как следствие, снижается постпрандиальная гипергликемия [6, 7]. Показана способность акарбозы связываться с каталитическим сайтом пептиддеформилазы I типа и ингибировать рост бактерий [8]. Описаны результаты молекулярного докинга воглибозы, также относящейся к классу ингибиторов α–глюкозидаз. Показано, что в стабилизации переходного комплексного состояния играют роль силы ковалентного взаимодействия и Ван-дер-Ваальса. Установлено образование водородных связей с остатками аспарагина и межмолекулярного связывания с триптофаном, изолейцином, тирозином, фенилаланином активного сайта α–глюкозидазы [9].
Анализ литературных данных свидетельствует о работе ученых в направлении поиска веществ, отличающихся способностью оказывать несколько фармакологических эффектов. Одним из перспективных вариантов реализации такой задачи является использование хиназолинона в качестве мультитаргетного лиганда. Известно, что соединения, молекула которых содержит хиназолиноновое ядро, отличающееся уникальной гетероциклической структурой, проявляют широкий спектр фармакологической активности (антимикробной, гипогликемической, противоопухолевой, противовирусной и др.), что дает основание рассматривать данный химический фрагмент в качестве мультитаргетного фармакофора. Показана возможность модификации молекулы глибенкламида введением в нее хиназолинонового кольца, позволившей получить производные – 2-Фенил-3-(п-сульфонил)фенил)-4(3Н)-хиназолинон, 2-Фенил-3-[4-[[(фениламино)карбонил]аминосульфонил]фенилэтил]-4(3H)-хиназолинон), гипогликемическая активность которых превосходит фармакологический эффект производного сульфонилмочевины [10]. Доказана ингибирующая активность C-7 замещенных-2-морфолино-N-(пиридин-2-илметил)хиназолин-4-аминов в отношении α-глюкозидазы [7].
Доказательство антимикробной активности в ходе первичного микробиологического скрининга новыми производными хиназолинона (рис. 1), синтезированными учеными Волгоградского государственного медицинского университета, позволило выделить соединения-лидеры, проявляющие противомикробный эффект в отношении Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli [10].
VMA-13-05 R1 = H, R2 = H
VMA-17-04 R1 = H, R2 = CH3
Рис. 1. Общая формула производных хиназолин-4(3Н)-она
Fig. 1. General formula of quinazoline-4(3H)-one derivatives
Использование программы PASS с целью компьютерного прогнозирования фармакологической активности показало высокую вероятность проявления данными производными гипогликемического эффекта.
Цель: осуществить математическое моделирование взаимодействий установленных соединений-лидеров хиназолинонового ряда с α-глюкозидазой с дальнейшим прогнозированием полифункциональности соединений.
Материалы и методы исследования. Моделирование межмолекулярных комплексов в системе взаимодействия новых производных хиназолин-4(3Н)-она – VMA–17–04 и VMA–13–05 (рис. 1) с α-глюкозидазой проведено с использованием квантово-химического полуэмпирического PM7-метода, реализованного в программе MOPAC 2016 [11]. Дальнейшие расчеты энергетических, структурных и зарядовых параметров были выполнены методом RHF с использованием базисного набора 6-31G(d, p) в программе Gamess («Iowa State University Quantum Chemistry Group», США) [12].
Изучение энергетики и механизма процесса взаимодействия новых синтезированных производных 4(3H)-хиназолина с аминокислотными центрами ферментной системы было проведено с использованием модели белковой системы α–глюкозидазы из базы данных RCSB PDB [13], содержащей в составе активного центра цистеин и серин. Модель активного центра, которую использовали в моделировании межмолекулярных взаимодействий на уровне квантово-механических расчетов, представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Модель активного центра системы 1k4h
Fig. 2. Active centre model of the 1k4h system
Результаты исследования и их обсуждение. Проведенные исследования позволили установить существование молекулы 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолина (VMA 13–05) в двух пространственных конформациях, которые активно могут быть включены в процесс взаимодействия c ферментными системами [14]. Изучено взаимодействие наиболее стабильной формы (конформация I: угол поворота 80° по связи N1С2С3С4), соответствующей минимуму на поверхности потенциальной энергии (рис. 3) и молекулы 3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он (VMA 17–04) (рис. 4).
Рис. 3. 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин
Fig. 3. 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин
Рис. 4. 3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он
Fig. 4. 3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он
Анализ электронной заселенности молекулярных орбиталей, граничных орбиталей позволил установить активные центры в исходных молекулах и образующихся межмолекулярных комплексах. В таблице 1 приведены результаты энергии граничных орбиталей (EВЗМО/EНСМО, эВ), где ВЗМО – соответствует высшей занятой молекулярной орбитали, НСМО – низшей свободной молекулярной орбитали, величины энергетической щели (Eg, эВ) и объем доступной контактной поверхности (VCOSMO, Å3).
Таблица 1. Энергетические и структурные характеристики исходных соединений
Table 1. Energy and structural characteristics of the starting compounds
|
Соединение |
EВЗМО, эВ |
EНСМО, эВ |
ΔE, эВ |
VCOSMO, Å3 |
|
Модель активного центра |
-8,397 |
3,943 |
12,340 |
670,73 |
|
3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин |
-8,490 |
1,516 |
10,006 |
364,27 |
|
3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он |
-8,631 |
2,335 |
10,966 |
342,30 |
Визуализация граничных молекулярных орбиталей исследуемых объектов представлена на рис. 5. Для модели активного центра в дополнение к граничным орбиталям приведены следующие две занятые молекулярные орбитали и две свободные молекулярные орбитали.
77ВЗМО 78НСМО
Рис. 5. Визуализация граничных молекулярных орбиталей
Fig. 5. Visualisation of boundary molecular orbitals
Анализ результатов исследования показывает, что в модели активного центра вклады в формирование молекулярных орбиталей у аминокислот различны. Донором электронной плотности является 148ВЗМО1 в молекуле тирозина, что соответствует вкладу ароматического кольца и неподеленной электронной пары кислорода. В таком случае стабилизация хиназолинов напротив тирозина будет осуществляться преимущественно за счет стэкинг-взаимодействия. Молекулярная орбиталь 147ВЗМО3 метионина и следующая 145ВЗМО5-орбиталь цистеина также оказываются активными за счет участия неподеленной пары электронов серы. Неподеленные электронные пары атома серы участвуют во взаимодействии с функциональными группами хиназолинонов, что подтверждается распределением частичных зарядов на этих атомах, а также наличием минимального расстояния между взаимодействующими атомами (1,9…2,3 Å).
В формировании молекулярных орбиталей 149НСМО2, 150НСМО4 и 151НСМО6 принимают участие -CH группы цистеина, тирозина и серина. Напрямую взаимодействия с хиназолинами, через данные функциональные группы, оказываются энергетически затратными (более 12,8 эВ) и стерически маловероятными.
Таким образом, из представленных производных хиназолинона энергетически наиболее выгодные межмолекулярные комплексы образуются с молекулой 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин. Акцептором электронной плотности является 83НСМО, что способствует увеличению положительного заряда на атомах углерода в орто- и параположениях нафтил-радикала. В молекуле
3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он именно 78НСМО является акцептором электронной плотности, что преимущественно определено вкладом хиназолин-радикала. Вероятно, VMA–13–05 может быть рассмотрено в качестве соединения, способного оказывать мультитаргетный эффект.
