Изучение воздействия фармакологических соединений на структуру гидратных оболочек

Изучение воздействия фармакологических соединений на структуру гидратных оболочек

В.А. Злобин, В.А. Павлов, А.И. Шеньшин, Е.В. Назарова

Научный центр биомедицинских технологий РАМН, Москва

Исследовалась способность воздействия молекул опиатов на структуру водных систем. Выявлено значительное снижение величины пространственно-временного параметра воды, что свидетельствует о способности исследуемых соединений структурировать водное окружение и тем самым влиять на рецепторные системы.

Ключевые слова: опиаты, кластер, флуктуация.

Для детектирования низких концентраций (до 10-13 М) лекарственных соединений предлагается использовать эффект их действия на структуру сетки водородных связей воды. Это действие обуславливает ряд биологических и физико-химических эффектов, которые могут быть положены в основу различных модификаций детектирования.

Так, к настоящему времени получено большое количество экспериментальных данных, указывающих на то, что опиаты способны вызывать как бифазный, так и мультифазный ответ при воздействии на биологические системы [1, 2, 6]. Мульти-фазность проявляется в ингибировании и активации некоторых биоэффектов под действием различных концентраций опиата. Наличие мультифазности, в частности для морфина, объясняется его взаимодействием с различными подтипами опиатных рецепторов. Однако, полученные результаты позволяют предположить, что мульти-фазность может быть связана с изменением свойств клеточных мембран, вызываемых изменением структуры приповерхностной воды. Так, было установлено, что опиаты в концентрациях 10-2—10-8М способны критически сказываться на целостности липидного бислоя [3] путем опосредованного действия на структуру сетки водородных связей приповерхностной воды. Более того, вызы-

ваемое опиатами изменение структуры воды компенсировались их антагонистом — налоксоном [4]. Данный факт служит косвенным подтверждением того, что примем-бранная водная фаза может являться одним из сигнальных элементов рецепции опиатов и играет важную роль в процессе ли-ганд-рецепторного взаимодействия.

Целью настоящего исследования было изучение воздействия фармакологических соединений на структуру их гидратных оболочек. Для этого нами проведена серия вычислительных экспериментов с использованием метода молекулярной динамики.

Материалы и методы

В процессе вычислительного эксперимента использовались периодические граничные условия и молекулярно-механическое силовое поле ММ2+. Заряды и ван-дер-ва-альсовы потенциалы воды в этом случае близки к таковым для Т1Р3Р. Условия моделирования: КУТ-ансамбль, потенциал взаимодействия молекул воды — Т1Р3Р [6], заряды рассчитывались методом СКБО/2 в неограниченном базисе Хартри-Фока, температура 310 К, шаг по времени 5х10-4 пс, постоянная времени 1 пс, радиус обращения потенциала в 0 равен 9,5, радиус точного потенциала 5,5. [5].

Техника вычислительного эксперимента заключается в следующем. На 1 молекулу исследуемого вещества во всех случаях приходилось в среднем около 200 молекул воды, ребро кубической ячейки выбиралось из условия равенства плотности, приблизительно 1 г/см3. Молекулярнодинамический расчет проводился с использованием программы HyperChem (версии 5.02) до выхода на динамическое равновесие ~50 пс, при котором полная энергия системы не менялась с точностью до флуктуаций.

Среднее время жизни водородной связи и среднее число водородных связей на молекулу воды вычислялись с использованием специально разработанного программного обеспечения по результатам молекулярно-динамических расчетов.

Среднее время жизни водородной связи <т> в программе оценивалось по формуле:

<т>=Ё V»

1=1 ,

где т — время существования г-й водородной связи; п — число водородных связей, образовавшихся за время наблюдения за системой (обычно 0,2 пс). Такие оценки вполне приемлемы для времени жизни водородной связи (0,5 пс — эксперимент, 0,2 пс — расчет).

Интервал длин водородной связи определялся по экспериментальным функциям парной корреляции (то есть функциям радиального распределения) GO..H. Для расстояния ОН...О он составлял г=1,4- 2,4.

Расчетное среднее число водородных связей на молекулу воды для чистой воды составило — 2,94+0,02, что близко к экспериментальному — 3,2.

Для оценки ошибок рассчитываемых величин нами были выполнены три независимых вычислительных эксперимента для чистой воды. На конечном участке траекторий движения молекул рассчиты-

вались параметры функции радиального распределения (среднее число водородных связей на молекулу воды и среднее время жизни водородных связей). Каждый из расчетов проводился по 17 состояниям с интервалом по времени 0,05 пс.

Результаты

Получены следующие значения стандартных отклонений. Ошибка среднего времени жизни водородных связей составила & = 0,008 пс. Ошибка среднего числа водородных связей на молекулу воды составила БН = 0,020. Найденные величины позволяют судить о достоверности возмущений, вносимых в структуру сетки водородных связей воды различными соединениями.

Результаты вычислительного эксперимента представлены на рисунке.

Рис. Гистограмма зависимости отношения числа водородных связей на молекулу воды п к времени жизни водородной связи <т> от природы растворенной в воде молекулы.

Анализ результатов вычислительного эксперимента представленных на гистограмме показывает, что величина пространственно-временного параметра для системы 2, не содержащей биологически активных компонентов, близка к таковой

для чистой воды. Для систем 7...9, содержащих биологически активные вещества, существенно отличаются от воды, а для систем 3...6 и 10... 11, содержащих биорегуляторы и антагонисты биологически активных веществ системы 7... 9 находятся в промежутке между крайними значениями.

Обсуждение результатов

Наиболее общую информацию о структуре жидкости дают методы дифракции рентгеновских лучей, нейтронов и электронов. Возможности этих методов дополняют друг друга. Целью является расчет функции радиального распределения по данным эксперимента.

Однако точное определение функции радиального распределения из дифракции рентгеновских лучей и нейтронов сейчас невозможно. Это связано с тем, что существуют значительные трудности в интерпретации экспериментальных данных. Рентгенография и нейтронография, как правило, наиболее эффективны только при изучении простых жидкостей.

Кроме того, рентгенограмму структуры можно сравнить с вершиной айсберга, поскольку она отображает лишь те молекулярные образования, которые «живут» достаточно долго. Она не дает представления об огромном числе структур с меньшим временем «жизни», которые, играют очень важную роль в молекулярных системах. Только новое поколение нейтронных спектрометров будет способно дать новую полезную информацию о структуре водных систем.

В связи с этим особую значимость приобретает получение информации о структуре жидкости с помощью вычислительного эксперимента, который используется как мощный метод предсказания

макроскопических свойств системы по её микроскопическим параметрам.

При проведении вычислительного эксперимента, как правило, используют метод Монте-Карло или метод молекулярной динамики, что позволяет рассчитать значительное число экспериментально измеряемых величин, а также экспериментально не определяемых, но фигурирующих в теории. В результате численного эксперимента можно получить функцию радиального распределения, число Н-связей на одну молекулу, время жизни этой связи, средний размер кластера в образце, координационное число и ряд других величин.

Функция радиального распределения малочувствительна даже к существенным изменениям не только дальнодейст-вующей, но и близкодействующей части потенциальной энергии межмолекуляр-ных сил. При этом связь между функциями распределения и межмолекулярны-ми взаимодействиями, а также строением ассоциатов и комплексов сложна и неоднозначна.

Кроме того, имеет значение, для какой части системы следует проводить вычислительный эксперимент, сводящийся в конечном итоге к выходу системы на динамическое равновесие, поскольку неравновесная термодинамика, применительно к слабо неравновесным системам, опирается на представление о локальном равновесии. Согласно этому представлению любая малая часть массы неравновесной системы находится в состоянии термодинамического равновесия. Она подчиняется всем соотношениям равновесной термодинамики. Поэтому их состояния могут быть охарактеризованы с помощью температуры, энтропии и других макроскопических переменных в зависимости от природы системы.

Для сохранения принципа локального равновесия под малой частью системы на-

ходящейся в состоянии термодинамического равновесия следует понимать такую, к которой соотношения термодинамики еще применимы с точностью, по крайней мере, десятых долей процента. Такие части системы содержат примерно 103-104 молекул, поэтому проведение численного эксперимента с таким числом молекул при современном уровне развития вычислительной техники становится невыполнимой задачей.

Однако вычислительный эксперимент может эффективно использоваться для исследования элементарных событий реакций. От механизмов элементарных реакций зависят механизмы более сложных процессов, происходящих в исследуемых системах. Например, для процессов, протекающих при тепловом движении в жидкостях, в качестве элементарных могут быть приняты реакции разрыва и образования связей (приводящие к перестройке ассоциатов) или реакции перераспределения (результатом которых может быть изменение числа связей).

Структурные особенности жидкости во многом определяются тепловым движением молекул. В воде происходят различные флуктуации, характеризуемые пространственно — временными параметрами. Причиной возникновения таких флуктуаций в воде могут быть колебательные движения молекулы растворенного вещества. Для сложных молекул такие колебания, как правило, специфичны.

Под флуктуацией, как известно, подразумевается отклонение физических величин от их среднего значения, то есть неоднородность. Эти неоднородности в жидких системах являются результатом скопления значительного числа молекул. Из сказанного следует, что в чистой воде флуктуацией может быть кластер, состоящий из множества молекул воды, связанных водородными связями, для которого

сохраняется принцип локального равновесия. Такой подход согласуется с современными теоретическими представлениями о структуре воды.

Возможность образования кластеров небольшого размера можно считать экспериментально доказанной. Теоретические работы допускают возможность образования кластеров, содержащих сотни молекул воды. В последние годы появились указания на то, что в определенных условиях в воде могут образовываться кластеры микронного размера. Вместе с тем, в настоящее время с применением инструментальных методов анализа получены результаты, свидетельствующие о существовании в тонких (3, 5, 10 и 20 мкм) слоях кластеров большого (миллиметрового) размера, которые обнаруживали регулярность в пространственном расположении.

Кластерная модель строения жидкости определяет кластер как индивидуальную сущность. Из этого следует, что характерные для кластера пространственно — временные параметры должны определяться характеристиками элементарных событий реакций.

Так, например, для воды в качестве временного параметра будет величина среднего времени жизни водородной связи, а в качестве пространственного — среднее число водородных связей на молекулу воды, так как эта величина характеризует структурированность системы (чем больше число водородных связей на молекулу воды, тем больше развита структура).

Вода, является упругой средой, поэтому возникшая флуктуация будет изменяться во времени. Так, например, адиабатические флуктуации плотности, которые можно рассматривать как локальное изменение давления, разумеется, не могут «застыть» на месте в упругой среде, а «побегут» по ее объему со скоростью распро-

странения упругого возмущения. То есть в определенном объеме должна наблюдаться картина структурных волн.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что для характеристики процессов, определяющих структурные особенности исследуемых систем, наиболее целесообразным является применение пространственно-временного параметра, в качестве которого, предлагается использовать отношение числа водородных связей на молекулу воды к времени жизни водородной связи. Данный параметр можно отнести к метрическим (протяженность и длительность) свойствам системы. Исходя из того, что в таких системах возможно существование волновых процессов, этот параметр также можно использовать для частотной характеристики этих процессов.

Необходимо отметить, что такие оценки, по-видимому, являются несколько грубыми, но для проведения качественных исследований структурных особенностей исследуемых систем могут быть вполне приемлемыми.

Таким образом, для изучения влияния фармакологических соединений на процессы, использование вычислительного эксперимента с применением метода молекулярной динамики, который позволяет определить время жизни и среднее число водородных связей на одну молекулу воды, происходящие в объеме жидкости, представляется целесообразным.

Выводы

1. Молекулы опиатов значительно снижают величину пространственно-временного параметра воды. Это может указы-

вать на снижение частоты волновых процессов, происходящих в исследуемых системах. Причиной этому может быть, например, увеличение размеров флуктуаций, что свидетельствует о способности исследуемых соединений структурировать воду.

2. Полученные результаты свидетельствуют о значительном влиянии молекул опиатов на структуру водных систем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бурлакова Е.Б. Особенности действия сверхмалых доз биологически активных веществ и физических факторов низкой интенсивности. // Российский химический журнал, т. XLIII, № 5, С. 3-11, 1999.

2. Воронина Т.А., Бурлакова Е.Б., Чернявская Л.И. и др. Некоторые аспекты фармакологического действия транквилизаторов бензадиазепинового ряда, вводимого в сверхмалых дозах. / В сб. Механизмы действия сверхмалых доз. М., с.92-93, 1995.

3. Кунцевич А.Д, Кузнецов П.Е., Назаров Г.В. и др. Влияние некоторых опиатов на стабильность искусственных бислойных липидных мембран. // Докл. АН, Т.358, №1, С. 125-126, 1998.

4. Кузнецов П.Е., Злобин В.А., Назаров Г.В. и др. Неспецифическое действие морфина на мембраны эритроцитов. // Биофизика, Т.49, вып. 4, с.680-684, 2004.

5. Kalinichev A.G., Buss J.D. Hydrogen Bonding in Supercritical Water. 2. Computer simulation. // J. Phys. Chem, V. 101, P..9720-9727, 1997.

6. Zlobin V.A., KuznetsovP.E, NazarovG.V. etal. Optical properties of aqueous morphine solutions. // Proc. SPIE, Vol. 5068, Р.396-404, 2003.

STUDYING OF PHARMACOLOGICAL COMPOUNDS INFLUENCE ON THE STRUCTURE OF HYDRATE COATS V.A. Zlobin, V.A. Pavlov, A.I. Shanshin, E.V. Nazarova

The Research Center for Biomedical Technologies of RAMS, Moscow

Key words: fluctuation, cluster, opiates.

The ability of opiates molecules influence on the structure of water system was analyzed. The considerable reduction of quantity of water spatial-time parameter was revealed. It evidences about the ability of analyzing compounds to make the structure of water surrounding and by this to influence on receptor’s system.