Оценка энергии взаимодействия некоторых функциональных групп лекарственных веществ с белковыми молекулами в водной среде

8. Карцова Л.А., Макаров А.А. Новые неподвижные фазы на основе фуллерена для газовой хроматографии // Журнал аналитической химии. - 2004. - T. 58. - № 8. - C. 812-818.

9. Слижов Ю.Г, Гавриленко М.А. Комплексообразование с участием хелатов металлов на границе раздела фаз в газовой хроматографии // Журнал координационной химии. - 2002. -Т 28. - № 10. - С. 783-800.

10. Yeh C.F., Chyueh S.D., Chen W.S. Application of dithiocarbamate resin-metal complexes as stationary phases in gas chromatography // J. Chromatogr. - 1992. - V. 630. - P. 275-285.

11. Schurig V. Practice and theory of enantioselective complexation gas chromatography // J. Chromatogr. - 2002. - V. 965. - P. 315-356.

12. Rykowska I., Wasiak W. The synthesis and characterisation of chemically bonded stationary phases for complexation gas chromatography properties of silica modified with Cu(II) and Cr(III) complexes // Z. Chemia Analityczna. - 2003. - V. 48. - № 3. -P. 495-507.

13. Гавриленко М.А. Разделение кислородсодержащих соединений на слоях диэтилдитиокарбаматов металлов // Аналитика и контроль. - 2004. - Т. 8. - № 4. - С. 36-41.

14. Гавриленко М.А. Использование фазового перехода диалкил-дитиокарбаматов никеля для разделения замещенных бензолов // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2005.

- Т 5. - № 5. - С. 690-695.

15. Слижов Ю.Г, Гавриленко М.А. Газохроматографическое разделение фенолов, спиртов и алкилбензолов на адсорбционных

слоях ализаринатов меди и никеля // Журнал физической химии. - 2006. - Т. 80. - № 3. - С. 489-490.

16. Fadeev A.Y., Lisichkin G.V. Adsorption on New and Modified Inorganic Sorbents // Studies in Surface Science and Catalysis. - 1995.

- V. 99. - Р. 191-213.

17. Мелихов И.В., Бердоносова Д.Г, Сигейкин Г.И. Механизм сорбции и прогнозирование поведения сорбентов в физикохимических системах // Успехи химии. - 2002. - Т. 71. - № 2.

- С. 159-179.

18. Кудрявцев Г.В., Вировец Ю.П., Лисичкин Г.В. Направленный синтез твердых веществ. - СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 1992. -52 с.

19. Parton R.F., Vankelecom I.FJ., Tas D., Janssen K.B.M. e.a. A Membrane occluded catalysts: a higher order mimic with improved performance // J. Molecular Catalysis. - 1996. - V. 113. - № 1-2.

- P. 283-292.

20. Sakurai Y., Natsukawa K., Nakazumi H. Thermal analyses of organic pigments used in sol-gel colored coatings // Shikizai Kyokaishi.

- 2000. - V. 73. - № 8. - P. 380-384.

21. Riber J., Fuente C., Vazquez M.D. e.a. Electrochemical study of antioxidants at a polypyrrole electrode modified by a nickel phthalocy-anine complex // Talanta. - 2000. - V. 52. - № 2. - P. 241-252.

22. Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе, хроматографии / Под ред. Г.В. Лисичкина. - М.: Химия, 1986.- 248 с.

23. Алесковский В.Б. Химия твердых веществ. - М.: Высшая школа, 1978. - 255 с.

УДК 536.7:615.5

ОЦЕНКА ЭНЕРГИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕКОТОРЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ С БЕЛКОВЫМИ МОЛЕКУЛАМИ В ВОДНОЙ СРЕДЕ

А.А. Бондарев, И.В. Смирнов

ГОУ ВПО Алтайский государственный медицинский университет, г. Барнаул E-mail: gc_ivan@mail.ru

С использованием неэмпирического квантово-химического метода DFT (теория функционала плотности) изучены основные энергетические эффекты при образовании комплексов органических веществ с белковыми молекулами, которые определяют термодинамику этого процесса. Комплексообразование рассматривается как замещение воды в сольватированных молекулах белка и органического соединения. Показана определяющая роль вкладов сильных водородных связей и гидрофобного эффекта в прочности образованных комплексов.

Оценка фармакологической и биологической активности веществ имеет огромное практическое значение. Целью нашей работы было количественное описание энергетических эффектов образования комплексов лекарственных веществ с молекулами белка в условиях взаимодействия в водной среде.

Термодинамическое описание позволяет рассматривать образование таких комплексов как динамическое равновесие различных энергетических состояний. Расчет энергий этих состояний возможен с применением современных методов квантовой химии.

Материалы и методы

Неэмпирические квантово-химические расчеты БЕГ (теория функционала плотности) выпол-

нялись с помощью стандартного пакета программ GAMESS методом В3ЕУр/6-31Ю* с обменным функционалом Беке В3 и корреляционным функционалом Ли, Янга и Пара (1УР) [1]. Геометрии рассчитанных молекул были полностью оптимизированы, отсутствие мнимых частот колебаний подтверждало их стационарный характер.

Результаты и обсуждение

Константу прочности комплекса лекарственного вещества с молекулами белка в водной среде можно оценить по термодинамическому уравнению:

-дС -аИ д£

кр = е^ = е^ • ет.

Энтропийная составляющая имеет величину T-AS<4 кДж/моль [2].

Процесс образования комплекса мы рассматриваем как динамическое равновесие двух энергетических состояний в условиях организма (in vivo) при 310 К (37 °С). Исходное состояние - гидратированные молекулы лекарственного вещества (ЛВ) и белка. Второе состояние - образовавшийся комплекс молекулы ЛВ с белком и взаимодействие высвободившихся молекул воды между собой.

Энтальпийную составляющую ур. (1) можно рассчитать по формуле:

аН —

где: АЛлв_бс - энергия взаимодействия активной группы лекарственного вещества с группами молекулы белка; - энергия взаимодействия молекул воды между собой; АИЛВ_В - энергия гидратации активной группы лекарственного вещества; АЛбс_в -энергия гидратации активной группы белка.

Межмолекулярное взаимодействие описывается многими составляющими. Слабые Ван-дер-Ва-альсовы взаимодействия имеют энергию менее 0,4 кДж/моль, а с учетом того, что в исходном состоянии молекулы сольватированы, т.е. уже взаимодействуют с другими молекулами, разница этих энергий имеет на порядок меньше значения и близка к нулю.

Особое место в межмолекулярных взаимодействиях занимает водородная связь, которая может иметь энергию от 1 до 200 кДж/моль, сравнимую с энергиями ковалентных химических связей. Различают слабую водородную связь с энергией до 20 кДж/моль, среднюю - 20...60 кДж/моль, образующуюся при взаимодействии нейтральных молекул, и сильную водородную связь от 60 до 200 кДж/моль, которая наблюдается при взаимодействии молекул с заряженными ионами [3].

Был проведен расчет 40 различных органических и неорганических молекул, включая 20 аминокислот, встречающихся в организме. Также нами был проведен расчет димеров и тримеров аминокислот, который показал, что при полимеризации эффективные заряды на активных центрах аминокислотных остатков практически не изменяются при наращивании цепи. Это позволяет моделировать взаимодействие с белком, заменяя его взаимодействием с аминокислотными остатками. Для всех рассмотренных молекул была рассчитана энергия взаимодействия сильно заряженных центров с молекулами воды.

Затем были рассчитаны энергии замещения для процесса комплексообразования по ур. (2). В ходе этих процессов число водородных связей не изменялось.

Энергетические эффекты межмолекулярного взаимодействия в корне изменяются при учете того, что взаимодействие происходит в водной среде. Это иллюстрируют следующие примеры:

Таблица 1. Энергетический эффект взаимодействия карбонильной группы с гидроксильной группой с образованием водородной связи в водной среде

Взаимодействие Энергия, кДж/моль

CH3-COOH ... HOCH2- CH3 -59,85

H2O ... H2O -43,47

CH3-COOH ... H2O -63,26

CH3-CH2OH ... H2O -43,27

Энергетический эффект замещения воды CH3COOH ... H2O+CH3CH2OH ... H2O= =CH3COOH ... HOCH2CH3+H2O ... H2O +3,21

В данном случае происходит взаимодействие карбонильной группы с гидроксильной, если взаимодействие в вакууме, то энергетический эффект составил бы -59,85 кДж/моль, в водной же среде эти группы уже связаны с молекулами воды с энергией -63,26 и -43,27 кДж/моль. В результате энергетический выигрыш имеет величину +3,21 кДж, т.е. с учетом энтропийной составляющей, близок к нулю. Т.е. введение слабых групп в принципе не способно повысить аффинитет ЛВ.

Таблица 2. Энергетические эффекты взаимодействия ме-тильных радикалов между собой и с молекулами воды

Взаимодействие Энергия, кДж/моль

CH4... CH4 м-0,1

H2O ... H2O -43,27

CH4... H2O м-0,1

Второй пример иллюстрирует гидрофобный эффект. В данном случае выигрыш обусловлен высокой энергией взаимодействия молекул между собой, что и делает этот процесс замещения энергетически выгодным. Гидрофобный эффект пропорционален площади гидрофобного сегмента и составляет величину -10 кДж/моль.нм2, для метиль-ной группы около -2 кДж/моль, бензольное кольцо дает эффект -11 кДж/моль. В вакууме такое взаимодействие имело бы энергию порядка -0,1 кДж/моль [4].

Таблица 3. Энергетический эффект взаимодействия карбоксильной группы с карбоксильным ионом с образованием водородной связи в водной среде

Взаимодействие Энергия, кДж/моль

CH3-COOH ... -OOC- CH3 -139,24

H2O ... H2O -43,27

CH3-COOH ... H2O -63,26

CH3-COO-... H2O -84,37

Энергетический эффект замещения воды CH3COOH ... H2O+CH3COO-... H2O= =CH3COOH ... -OOCCH3+H2O ... H2O -34,88

Третий пример иллюстрирует энергетический выигрыш при образовании сильных водородных связей. Хотя эти группы имеют большую энергию взаимодействия с молекулами воды, тем не менее,

энергетический выигрыш процесса замещения составил -34,88 кДж/моль.

Процесс образования прочного комплекса можно рассматривать не только как замещение молекулами ЛВ воды на аминокислотах, но и как замещение аминокислотными остатками воды в комплексе ЛВ-вода. Чтобы активный центр молекулы ЛВ заместил молекулу воды, связанную с молекулой белка, необходимо, чтобы он был способен образовывать более сильную водородную связь, чем молекула воды. И наоборот, чтобы активный центр аминокислотного остатка заместил молекулу воды, связанную с веществом, он должен образовывать более сильную водородную связь. Необходимо, чтобы группы в молекулах лекарственного соединения и аминокислотах были одновременно сильнее воды, тогда такое замещение может усиливать активность препаратов. Однако не во всех системах, соответствующих этому правилу, наблюдается энергетический выигрыш, то есть это необходимое но не обязательное условие. Все остальные активные центры как молекул действующего вещества так и молекул белка, образующие менее сильные водородные связи, в принципе не способны дать энергетического выигрыша при образовании комплекса в водной среде, то есть увеличить его прочность.

Этот факт позволяет исключить множество вариантов взаимодействия, не дающих увеличения прочности комплекса в водной среде. В молекуле ЛВ следует рассматривать только несколько центров, которые дают энергетический выигрыш. Среди 20 аминокислот, встречающихся в организме, способны образовывать более сильные, чем молекулы воды, водородные связи только аргинин (Arg), лизин (Lys), аспарагиновая (Asp) и глутаминовая (Glu) кислоты. При наличии сопряженных и ароматических систем в исследуемых молекулах водородная связь может иметь аномально высокие значения. Среди аминокислот, содержащих сопряженные системы, энергетический выигрыш в водной среде могут иметь тирозин (Tyr), триптофан (Trp) и заряженная форма гистидина (His).

Был произведен квантово-химический расчет модельных систем. В табл. 4 приведены величины изменения внутренней энергии в процессах ком-плексообразования между органическими молекулами в водной среде.

Следует отметить, что энергетический выигрыш наблюдается только при взаимодействии органических анионов с нейтральными молекулами. Особо следует отметить образование прочных водородных связей в ароматических и сопряженных системах. Катионные формы молекул хотя и образуют прочные водородные связи, однако энергетических выигрышей не наблюдается, так как исходное состояние при их взаимодействии с водой велико по энергии. В системах, содержащих только нейтральные молекулы, энергетический выигрыш

незначительный, либо отсутствует вовсе. Все эти факты позволяют говорить о комплиментарности при взаимодействии органических молекул с белком. Только определенные сочетания активных групп органической молекулы при их взаимодействии с активными группами аминокислотных остатков способны обеспечить комплексообразова-ние. Только некоторые группы, входящие в состав молекул действующего вещества, способны повышать энергию процесса комплексообразования, т.е. увеличивать константу прочности.

Таблица 4. Энергетические эффекты замещения в водной среде

Система AEt, кДж/моль Система AEt, кДж/моль

HCOOH+HCOO- -31,19 Фенол + HCOO- -48,72

CH3COOH+CH3COO- -34,88 Фенол + CH3COO- -47,83

CH3COOH+CH3COOH 34,87 Фенол + Фуран 12,61

C2H5OH+CH3COOH 3,21 Фенол + C2H5NH3+ 33,03

C2H5OH+CH3COO- -0,20 Пиррол + CH3COO- -37,76

CH3OCH3+CH3COOH -0,82 C6H5COOH + CH3COO- -40,11

C2H5NH2+CH3COO- 28,01 Фуран + HCOOH 19,05

C2H5NH2+CH3COOH 13,92 Пиррол + HCOO- -37,12

Пиридин+C^COOH -8,32 Пиррол + Фуран 8,52

Анилин+C^COO- -31,24 Фуран + C2H5NH3+ 22,31

Анилин+C^COOH 15,82 Индол + CH3COO- -53,45

Вторым эффективным способом увеличения прочности комплекса является наращивание гидрофобных участков молекул лекарственных веществ в соответствии с гидрофобными участками молекул белка.

Эти примеры показывают, что энергетические эффекты процесса образования комплекса в корне изменяются при учете того, что взаимодействие происходит в водной среде.

Этот факт позволяет более рационально подходить к проектированию лекарственных веществ, в значительной мере сокращая затраты времени и средств для предсказания активности. Вычисляя энергии гидрофобного взаимодействия и рассчитывая энергетические эффекты замещения молекул воды с образованием сильных водородных связей, мы способны рассчитать максимально возможный аффинитет данного лекарственного вещества к идеально подходящему белку, что в свою очередь позволяет определить максимально возможную константу прочности комплекса лекарственного вещества с белком. Величина максимального аффинитета ЛВ к белковому субстрату служит количественной характеристикой, связанной с его фармакологической активностью, она позволяет оценить необходимые количества веществ, чтобы наблюдать фармакологический эффект, а также токсические дозы.

Например, произведем оценку максимально возможного аффинитета для молекулы фуросеми-да, рисунок.

ОН

Рисунок. Молекула фуросемида

В этой молекуле имеется несколько групп, способных образовать сильные водородные связи с белковыми мишенями: сульфаниламидная, карбоксильная и аминогруппа. Однако, необходимо учесть, что аминогруппа образует внутримолеку-

лярную водородную связь и, вероятно, не может участвовать в образовании комплекса.

Из двух оставшихся групп - сульфаниламидной и карбоксильной, только вторая способна дать энергетический выигрыш и увеличить прочность комплекса на 35 кДж/моль. Сульфаниламидная группа при замещении молекулы воды на белке не увеличивает прочность комплекса. Гидрофобный эффект способен повысить прочность комплекса еще примерно на 22 кДж/моль. Это позволяет оценить прочность комплекса фуросемида с идеально подходящим белком, она составляет -57 кДж/моль. Это есть величина максимально возможного аффинитета.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Грановский А.А. Молекулярное моделирование с программой PS GSMESS: от двухатомных молекул до ферментов // Вестник Московского университета. - 2004. - № 2. - C. 75-102.

2. Финкельштейн А.В. Физика белка. - М.: Книжный Дом Университет, 2002. - 376 с.

3. Каплан И.Г Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. - М.: Наука, 1986. - 256 с.

4. Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организации белков. - М.: Мир, 1982. - 354 с.

УДК 665.61.033.28

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРНО-РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ

Ю.В. Лоскутова, Н.В. Юдина

Институт химии нефти СО РАН, г. Томск E-mail: reoloil@ipc.tsc.ru

Исследовано влияние знакопеременного магнитного поля на структурно-реологические свойства нефтей с различным содержанием смол. Получены спектры оптического поглощения нефтей и фракций асфальтенов до и после магнитной обработки. С помощью метода лазерной фотокорреляционной спектроскопии показано, что магнитная обработка существенно влияет на размеры ассоциатов дисперсной фазы нефтяных систем.

Согласно современным представлениям нефть и нефтяные остатки состоят из низко- и высокомолекулярных углеводородных и неуглеводородных компонентов. По коллоидно-химическим свойствам они являются нефтяными дисперсными системами (НДС) со сложной внутренней организацией, способной изменяться под воздействием внешних факторов [1, 2]. Физико-химические и структурно-реологические свойства НДС определяются структурой, размерами и составом сложных структурных единиц, образующихся в результате ассоциации асфальтено-смолистых компонентов (АСК). Несмотря на многообразие взглядов на природу АСК, можно констатировать, что существует непосредственная связь между условиями формирования и разрушения надмолекулярных структур (ассоциатов) в НДС и поведением АСК в различных технологических процессах. Комплексные исследования поведения нефтяных систем, проводимые при различных внешних воздействиях, показали, что существование сорбционно-

сольватного слоя асфальтеносодержащих компонентов в значительной мере определяется характером воздействий на нефтяные системы.

К настоящему времени природа процессов структурообразования и их связь с реологическими свойствами НДС еще полностью не выяснены, и этим объясняется отсутствие достаточной четкости в вопросах регулирования реологических свойств высоковязких и высокозастывающих нефтей в условиях добычи, транспорта и хранения [3].

Малоэнергетические технологии (акустические, вибрационные, магнитные и др.), с помощью которых можно без заметных внешних энергетических затрат или с использованием внутренних резервов вещества перестраивать его структуру, являются наиболее перспективными в виду их экономичности, эффективности и доступности. Эти методы находят все более широкое применение в нефтяной промышленности при добыче, транспорте и хранении высоковязких и высокозасты-