ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 573.2.22:577.152.1.(133+141).016.4:615.22
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МИШЕНИ ДЛЯ ПОИСКА ВЕЩЕСТВ, ОБЛАДАЮЩИХ ЭНДОТЕЛИОПРОТЕКТОРНЫМИ СВОЙСТВАМИ
© 2014 г. А. А. Глушко#, А. В. Воронков, М. В. Черников
Пятигорский медико-фармацевтический институт — филиал ГБОУВПО ВолгГМУ Минздрава России,
357532, г. Пятигорск, пр. Калинина, 11 Поступила в редакцию 25.09.2013 г. Принята к печати 17.03.2014 г.
Нарушение функции эндотелия лежит в основе развития многих сердечно-сосудистых заболеваний, поэтому он становится самостоятельной мишенью терапевтического воздействия, а поиск новыгх веществ с эндотелиопротекторным действием является одной из перспективных задач фармакотерапии и медицинской химии. Эффективным инструментом для решения данной задачи является применение методов молекулярного моделирования. Применение этих методов возможно только при наличии детальной информации о трехмерном строении и функции молекулярных мишеней: рецепторов и ферментов, отвечающих за передачу сигналов как вне, так и внутри клеток эндотелия. В обзоре собрана информация о структуре и функциях различных макромолекул, вовлеченных в процесс регуляции сосудистого тонуса. Рассмотрена структура эндотелиальной NO-синтазы (КФ 1.14.13.39) (eNOS), ответственной за синтез оксида азота и вовлеченного в процесс регуляции сосудистого тонуса. С точки зрения регуляции активности eNOS подчеркивается важность ее субстрата — Z-аргинина, приводятся сведения о структуре и функциях транспортной системы Х-аргинина. Также рассматриваются различные пути регуляции активности eNOS, среди которых активация и конкурентное ингибирование путем связывания экзогенных веществ с ее активным центром, ингибирование путем связывание кавеолина с ее оксигеназным доменом, а также регуляция путем фосфорилирования отдельных аминокислотных остатков eNOS протеинкина-зами и их дефосфорилирования фосфатазами. Подчеркивается важность мембранных рецепторов эндо-телиоцитов как мишеней для веществ с эндотелиопротекторной активностью. Среди них — рецепторы эндотелина, фактора активации тромбоцитов, простагландинов, брадикинина, гистамина, серотонина, рецепторы, активируемые протеиназами. Подчеркивается важная роль ионных кальциевых и калиевых каналов сосудистых клеток в эндотелиопротекторном действии. Представленные в обзоре макромолекулы, в заключении, рассматриваются в качестве мишеней для поиска эндотелиопротекторных лекарственных препаратов предлагаемыми подходами и методами молекулярного моделирования.
Ключевые слова: эндотелий, фермент, eNOS, рецептор, ионный канал, регуляция. DOI: 10.7868/S0132342314050066
ВВЕДЕНИЕ
Эндотелий, являясь паракринной железой, регулирует целый ряд физиологических процессов, среди которых изменение тонуса мышечного слоя сосудов, процессы свертывания крови, воспаления, пролиферации, обеспечения метаболизма центральной нервной системы, фильтрационной функции почек и т.д. Выделение короткоживущего вещества — оксида азота (N0) — эндотелием оказывает релаксирующее воздействие на миоциты мы-
шечного слоя сосудов. Стоит отметить, что, по современным научным представлениям, нарушение функции эндотелия — эндотелиальная дисфункция лежит в основе развития многих сердечно-сосудистых заболеваний, при которых нарушается регуляция тонуса сосудов [1, 2]. При этом эндотелий и мышечная ткань сосудов становятся самостоятельными мишенями терапевтического воздействия, а поиск новых веществ с эндотелио-протекторным действием является на сегодняш-
Сокращения: eNOS — эндотелиальная NO-синтаза, H4B — тетрагидробиоптерин, CaM — кальмодулин, CAT — система передачи катионных аминокислот (Cationic Amino ас1(! Transporter), mCAT и hCAT — система передачи катионных аминокислот мыши и человека, PKA — протеинкиназа A; PP1 и PP2A — серин/треониновые фосфопротеинфосфатазы; PKB/Akt — протеинкиназа B, PKC — протеинкиназа C, cAMP — циклический аденозинмонофосфат, D/D — домен димеризации/докинга протеинкиназы A, PH — плекстринподобный домен протеинкиназы B, PD-киназа — фосфатидилинозитид-3-киназа, DAG — диацилглицерин, PS — фосфатидилсерин, RACK — рецептор активированной C-киназы, yRACK — псевдо-RACK (участок регуляторного домена PKC, сходный по структуре с RACK), sGC — растворимая гуанилатциклаза; PAF — фактор активации тромбоцитов, PAR — рецепторы активируемые протеиназами, PDGF — тромбоцитарный фактор роста, PDGFR — рецептор тромбоцитарного фактора роста, 5-HT — серотонин (5-гидрокситриптамина), SKCa, IKc и BKCa — малые, средние и большие Ca-зависимые калиевые каналы, QC/MM — гибридный метод молекулярного моделирования, заключающийся в комбинированном использовании методов квантовой химии и молекулярной механики.
# Автор для связи (тел.: +7 (918) 766-51-03; эл. почта: saha-omega@yandex.ru).
NADPH
NADPH + H+
Х-Цитруллин
Х-Цитруллин
Х-Аргинин
NADPH
NADPH + H+
Реакция синтеза NO из Х-аргинина: 2L-аргинин + 3NADPH + 4O2 = 2Х-цитруллин + 2NO + 3NADP + 4H2O Рис. 1. Схема структуры и функционирования димера эндотелиальной NO-синтазы (eNOS) [2—4].
нии день одной из перспективных задач не только фармакотерапии, но и медицинской химии. Обзорная статья посвящена анализу информации о структуре и функциях молекулярных мишеней для поиска новых лекарственных препаратов, обладающих эндотелиопротекторной активностью.
СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭНДОТЕЛИАЛЬНОЙ МО-СИНТАЗЫ
Существует множество направлений эндоте-лиопротекторной фармакотерапии, большинство из которых состоит в стимулировании продукции оксида азота (N0) за счет регуляции активности вырабатывающей его эндотелиальной МО-синта-зы (КФ 1.14.13.39) [2-4].
Эндотелиальная МО-синтаза (еМ08) — Ь-ар-гинин, МАЭРИ: кислородоксидоредуктаза — это фермент, расположенный в цитозоле васкуляр-ных эндотелиоцитов. Исходя из того, что влиять на активность еМ08, получая необходимый фармакологический эффект, можно за счет прямого или опосредованного воздействия на фермент, представляется целесообразным рассмотреть его структурно-функциональные особенности. Субстратом для МО-синтазы является аминокислота
Х-аргинин, а кофакторами — гем B, тетрагидро-биоптерин (H4B), флавинмононуклеотид (FMN), флавинадениндинуклеотид (FAD), восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADPH) и ион Zn2+. Фермент состоит из двух одинаковых симметрично расположенных субъединиц, в каждой из которых можно выделить ок-сигеназный и редуктазный домены. Объединение двух одинаковых субъединиц осуществляется ионом цинка (Zn2+) через атомы серы боковых цепей остатков цистеина Cys-94 и Cys-99, образующих тетракоординированный кластер (ZnS4) [2—4] (рис. 1). Данный кластер находится на расстоянии около 2 нм от каталитического центра и связан с оксигеназным доменом гибкой цепью, в которую входят остатки аминокислот 105—125 [5, 6] (рис. 2). При этом оксигеназный домен содержит сайты связывания для Х-аргинина, гема и тетрагидробиоптерина, а в редуктазном домене расположены сайты связывания FMN, FAD, NADPH и кальмодулина (CaM) [7].
Процесс активации eNOS можно представить следующим образом. В комплексе с ионами кальция (Ca2+) кальмодулин переходит в свою активную конформацию и может связывать между собой оксигеназный и редуктазный домены NO-синтазы,
Рис. 2. Пространственная структура фермента эндотелиальной МО-синтазы человека по данным рентгеноструктурно-го анализа (стрелками показано направление перемещения гибкой цепи при отсутствии связывания между субъединицами) (РББ ГО: 3МО8) [5, 6]).
активируя таким образом еМО8. При этом кальмо-дулин связывается с остатками 494—512 на границе между оксигеназным и резуктазным доменами МО-синтазы [8]. Кроме этого, необходимым условием активации МО-синтазы является симметричное объединение двух одинаковых субъединиц [3—5] (рис. 2). Исследования, проведенные методом молекулярной динамики, свидетельствуют о том, что в субъединице еМО8, находящейся в свободном состоянии, гибкая часть, связывающая тетракоорди-нированный комплекс с оксигеназным доменом, способна перемещаться в направлении активного центра и блокировать активный центр фермента (рис. 2) [5].
После активации еМО8 электроны передаются от МАЭРИ к флавинам в редуктазном домене. Дальнейшая передача электронов в оксигеназ-ный домен активируется присоединением каль-модулина к каждой субъединице еМО8. Далее электроны передаются на ион железа(Ш) гема в активном центре с восстановлением до иона же-леза(11). В результате гем может связывать кислород О2 и участвовать в катализе реакции синтеза МО из Ь-аргинина (рис. 1) [2].
Стоит отметить, что активный центр еМО8 довольно объемный и представлен четырьмя полостями. В каталитическом центре (8) располагается гем
и происходит связывание субстрата — Ь-аргинина. Полость М расположена между полостью 8 и каналом доступа субстрата. Полости С1 и С2 расположены в нескольких ангстремах от каталитического центра [6, 9, 10] (рис. 3). Установлено, что связывание тритерпеновых кислот с центрами С1 и С2 может приводить к активации еМО8 и повышению высвобождения МО в эндотелиоцитах [10]. Известны также производные хиназолина и аминопи-ридина, способные ингибировать еМО8, связываясь с каталитическим центром (8) фермента [11], что является нежелательным свойством для веществ с эндотелиопротекторной активностью. Мы считаем, что приведенные сведения позволяют сделать по результатам молекулярного докинга вывод о способности исследуемых веществ ингибиро-вать или активировать еМО8.
Данные о структуре и функциях еМО8 свидетельствуют о многообразии возможностей воздействия на состояние эндотелия посредством изменения активности данного фермента: активация и конкурентное ингибирование путем связывания экзогенных веществ с активным центром, ингибирование путем связывания кавеоли-на с оксигеназным доменом, а также регуляция путем фосфорилирования и дефосфорилирова-ния отдельных аминокислотных остатков еМО8
Ж ^г-г / и* V Ш ) ¥
Рис. 3. Пространственное строение каталитического центра эндотелиальной N0-синтазы человека по данным рент-геноструктурного анализа (РОБ ГО: 3N0S) [6, 9, 10] (буквами 8, М, С1 и С2 обозначены соответствующие полости активного цент
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.