Антибактериальная активность и физико-химические свойства бензазолидов сульфокислот

Вестник СамГУ-Естественнонаучная серия. 2006. №7(47).

БИОЛОГИЯ

УДК 579.26+547.541.52.77

АНТИБАКТЕРИАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ И ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕНЗАЗОЛИДОВ СУЛЬФОКИСЛОТ1

© 2006 З.П. Белоусова2, Е.С. Селезнева3

Обнаружили, что спиртовые растворов бензимидазола, N-бензими-дазолида метансульфокислоты, N-бензимидазолида бензолсульфокислоты, N-бензимидазолида толуолсульфокислоты, бензотризола, N-бензотриазолида метансульфокислоты, N-бензотриазолида бензолсульфокислоты, N-бензотри-азолида толуолсульфокислоты в концентрациях 0,001, 0,01, 0,1, 1, 10 мг/мл ингибируют рост колоний Staphylococcus aureus. Установлена высокая нелинейная корреляция между антибактериальной активностью представленных азолидов и липофильностью. Другие физико-химические параметры слабо коррелировали со способностью подавлять рост Staphylococcus aureus. Выявлено усиление антибактериальных свойств бензазолидов при введении в структуру метильной группы.

Введение

В последние годы основные усилия многих исследователей были направлены на поиск связи между физико-химическими свойствами ксенобиотиков и их биологической активностью. В этом плане особый интерес представляют собой ряды гомологов, обладающие определенным типом биологической активности, к таким соединениям относятся различные бензазолиды. Их высокая биологическая активность связана с тем, что они являются структурными аналогами природных биологически активных соединений: пуринов, цитокининов, фитогормонов [1]. Многие бензазолиды широко используются фармакологии [2, 3].

Поэтому синтез веществ с теоретически прогнозируемым биологическим ответом является, безусловно, актуальной задачей современной химии и биологии. Выявление корреляции между физико-химическими параметрами и биологической активностью соединений позволит разработать эффективно работающие теоретические модели и уменьшить число экспериментальных животных.

1 Представлена доктором биологических наук профессором В.Г. Подковкиным.

2 Белоусова Зоя Петровна (zbelousova@mail.ru), кафедра органической химии, Самарского государственного университета, 443011, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.

3 Селезнева Екатерина Сергеевна, кафедра зоологии, генетики и общей экологии Самарского государственного университета, 443011, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.

Полученные сведения помогут предположить механизм действия данных соединений на прокариот и эукариот.

Материалы и методы

Задачей данного исследования является анализ связи между антибактериальной активностью спиртовых растворов бензимидазола (I), К-бензими-дазолида метансульфокислоты (II), К-бензимидазолида бензолсульфокисло-ты (III), К-бензимидазолида толуолсульфокислоты (IV) бензотризола (V), N бензотриазолида метансульфокислоты (VII), К-бензотриазолида бензолсульфо-кислоты (VII), К-бензотриазолида толуолсульфокислоты (VIII) и их физикохимическими свойствами. Ниже представлено схематическое строение исследуемых соединений.

К— 3°2— «2

11-1V , VI-VIII

Экспериментальная химическая часть

Для проведения эксперимента были синтезированы бензазольные производные ароматических сульфокислот с различным числом атомов в гетероцикле. Синтез II-IV и VI-VIII производили методом, описанным в [4].

Физико-химические свойства синтезированных соединений рассчитаны с помощью программы «Hyper Chem», результаты представлены в табл.

Экспериментальная биологическая часть

Анализировали способность спиртовых растворов бензазолидов I-VIII в концентрациях 0,001, 0,01, 0,1, 1, 10 мг/мл ингибировать рост Staphylococcus aureus, штамм АТСС № 6578р. Растворителем служил 5% изопропиловый спирт.

Токсичность бензазолидов оценивали в соответствии с методическими указаниями по определению чувствительности микроорганизмов к антибиотикам по размеру зоны ингибирования роста Staphylococcus aureus [6]. Тест-диски диаметром 6 мм, пропитанные спиртовыми растворами исследуемых соединений, раскладывали на поверхности агар-агара, засеянного суспензией Staphylococcus aureus, содержащей 5-109 клеток в 1мл.

Таблица

Физико-химические свойства бензазолов их производных

I II III IV V VI VII VIII

Молекулярная масса, г/моль 118,13 196,23 258,30 272,33 119,13 197,22 259,29 273,29

Молекулярный объем, А° 406,03 543,07 694,59 695,72 390,22 531,92 687,53 740,05

ЬояР 0,92 4,23 5,91 5,91 1,09 4,40 6,08 4,61

Дипольный момент (Дебай) 3,14 3,34 6,12 3,98 3,65 3,43 1,49 5,398

Энергия гидрат-ции, ккал/моль -7,07 -5,86 -7,15 -6,87 -10,13 -7,47 -7,89 -6,79

Всего было проведено 7 повторов. Достоверность различий между опытом и контролем и токсичностью действующих соединений оценивали с помощью полного двухфакторного дисперсионного анализа, связь между антибактериальной активностью и физико-химическими свойствами исследованных соединений оценивали с помощью корреляционного анализа [6].

Результаты и обсуждение

Результаты анализа зависимости токсичности от концентрации бензимида-золидов представлены на рис 1.

Из представленных результатов видно, что с ростом концентрации I-IV увеличивается их способность ингибировать рост Staphylococcus aureus. Проведенный двухфакторный дисперсионный анализ показал достоверное влияние на способность ингибировать рост Staphylococcus aureus не только концентрации соединений, но и их структуры (p<0,01). Почти во всех исследованных концентрациях наиболее сильно выраженными антибактериальными свойствами обладало соединение II. Токсичность исследованных соединений, в состав которых входила метильная группа (II, IV), достоверно (р<0,01) выше их аналогов без нее (I, III).

Результаты исследований антибактериальной активности бензотриазолидов представлены на рис.2.

С увеличением концентрации V-VIII возрастала их токсичность для Staphylococcus aureus. Проведенный полный двухфакторный дисперсионный анализ выявил достоверное влияние на ингибирование роста Staphylococcus aureus (р<0,01) как концентрации соединения, так и его строения. Для VI-VII также подтверждено наличие связи между увеличением токсичности для Staphylococcus aureus и введением метильной группы в структуру бензотриазо-лида.

СЗ

Н

О

о

л

к

сЗ

И

О

&

ю

15

к

я

3

к

о

СО

&

(U

5!

сЗ

Я

13

12

11

10

9

8

7

6

I

ШII

III IV

0 0,001 0,01 0,1 1 Концентрация, мг/мл

Рис. 1. Анализ способности I-IV ингибировать рост Staphylococcus aureus

10

а

н

о

о

а

к

а

«

о

ю

S

и

И

5

3

и

8

6

(D

Концентрация, мг/мл Рис. 2. Анализ способности V-VIII подавлять рост Staphylococcus aureus

Поиск корреляции между антибактериальной активностью исследованных соединений и их физико-химическими свойствами привел к следующим выводам: была выявлена высокая нелинейная корреляция между величиной Log P (липофильность) и способностью соединений подавлять рост колоний Staphylococcus aureus (rk =0,9±0,01 для p<0,5). Была установлена слабая нелинейная связь между величиной энергии гидратации, объемом молекулы, молекулярной массой и антибактериальными свойствами. Величина дипольного момента не коррелировала с исследованной биологической акьтивностью ни линейно, ни криволинейно. Кроме того, мы обнаружили интересный факт: при

увеличении концентрации исследованных соединений уменьшается зависимость токсичности от избранных физико-химических параметров. Необходимо отметить, что коэффициент нелинейной корреляции между энергией гидратации и антибактериальными свойствами бензазолидов равен 0,5, что говорит, по нашему мнению, о сильном влиянии на токсичность бензазолида введение метильной группы, которая изменяла способность соединения растворяться в воде (см. таблицу и рис.1, 2).

Известно, что биологическая активность зависит от вида транспорта соединения к месту назначения и от способности связываться с мишенями. По-видимому, решающую роль в этих процессах играет рассчитанная нами липо-фильность, что согласуется с данными, полученными другими исследователями [7].

Для Staphylococcus aureus характерна высокая резистентность к различным веществам, что связано с его повсеместным распространением. По-видимому, низкие концентрации соединения позволяют эффективно «сработать» механизмам резистентности на уровне оболочки бактериальной клетки [8]. При действии высоких концентраций эти механизмы оказываются неэффективными, и рост клеток ингибируется. В этом случае сказывается способность соединений проникать через клеточную мембрану и вмешиваться в метаболизм. Возможно, что все исследованные соединения «способны использовать» имидазолин-гуанидиновые рецепторы [9], кроме того, их высокая липофильность позволяет предположить способность соединений растворяться в клеточной оболочке Staphylococcus aureus.

Ранее было показано, что бензимидазол и его производные способны вмешиваться в метаболизм пуринов, что приводит к торможению синтеза нуклеиновых кислот [3]. Бензотриазол, имеющий аналогичное строение, более токсичен, так как его молекулы более полярны и, следовательно, химически более активны, возможно, и бензотриазол и его производные так же способны вмешиваться в метаболизм нуклеиновых кислот.

Полученные нами результаты хорошо коррелируют с результатами других авторов, анализирующих связь между строением соединений и их биологической активностью [7].

Литература

[1] Овчинников, Ю.А. Биоорганическая химия / Ю.А. Овчинников. - М.: Просвещение, 1987. - 815 с.

[2] Машковский, М. Д. Лекарственные средства / М. Д. Машковский. - Вильнюс: ЗАО «Гамта», 1994. - Т. 2. - 527 с.

[3] Розин, М.А. Производные бензимидазола и неспецифическая сопротивляемость / М.А. Розин // Производные бензимидазола и клеточная резистентность - Л.: Наука, 1972. - C.5-32.

[4] Синтез и биологическая активность азолидов алифатических и ароматических сульфокдалот / И. А. Потапова [и др.] // Хим.-фарм. журнал. - 2001. Т. 35. - №11. - С. 5-7.

[5] Методические указания по определению чувствительности микроорганизмов к антибиотикам методом диффузии в агар с использованием дисков -.М: Мин. здрав. СССР, 1962. - 16 с.

[6] Лакин, Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин. - М.: Высшая школа, 1990. - 352 с.

[7] Barratt, M.D. Prediction of toxicity from chemical structure / M.D. Barratt // Cell Biology and Toxicology. - 2000. - V. 16. - P. 1-13.

[8] Effects of NalA inhibitors on in vitro antibacterial activities and postantibiotic effects to levofloxacin, ciprofloxacin and norfloxacin in genetically related strains of Staphylococcus aureus / J.R. Aeschlimann [et al.] // Antimicrob Agents Chemother. - 1999. - V. 42. - P. 335-340.

[9] Visualization of multiple imidazoline/guanidinium-receptiven sites / S.M. Lanier, [et.al.] // J.Biol.Chem. - 1993. - V. 268 (210). - P. 16047-16051.

Поступила в редакцию 25/IX/2006;

в окончательном варианте - 4/X/2006.

ANTIBACTERIAL ACTIVITY AND PHISICO-CHEMICAL PROPERTIES OF SULFOACID BENZOAZOLIDES4

© 2006 Z.P. Belousova5, E.S. Selezneva6

It is found that alcohol solutions of benzimidazole, N-benzimidazolide methansulfoacid, N-benzimidazolide benzolsulfoacid, N-benzimidazolide toluol-sulfoacid, benzotriazole, N-benzotriazolide methansulfoacid, N- benzotriazolide benzolsulfoacid, N- benzotriazolide toluolsulfoacid in concentrations 0,001, 0,01,

0,1, 1, 10 mg/ml inhibit the growth of Staphylococcus aureus colonies. The antibacterial activity of the named substances demonstrates the high non-linear correlation with their lipophylity. The other physical and chemical parameters very weak correlate with the ability to depress the Staphylococcus aureus colonies growth.

The strengthening benzazolides antibacterial activity is shown be a result of methyl radical complementing to molecule structure.

Paper received 25/IX/2006.

Paper accepted 4/X/2006.

4 Communicated by Dr. Sci. (Biology) Prof. V.G. Podkovkin.

5 Belousova Zoya Petrovna (zbelousova@mail.ru), Dept. of Organic Chemistry, Samara State University, Samara, 443011, Russia.

6 Selezneva Ekaterina Sergeevna, Dept. of Zoology, Genetics and General Ecology, Samara State University, Samara, 443011, Russia.