БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 4, с. 476 - 484
УДК 544.165+615.22
НОВЫЕ ИНГИБИТОРЫ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ 5-ЛИПОКСИГЕНАЗЫ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ 2-(3-МЕТИЛФЕНИЛ)ПРОПАНОВОЙ КИСЛОТЫ И 4-ЗАМЕЩЕННОГО МОРФОЛИНА
© 2014 В.Р. Хайруллина1*, И.А. Таипов1, А.В. Веселовский2, Д.С. Щербинин2, А.Я. Герчиков1*
1 Башкирский государственный университет, химический факультет, 450076 Уфа, ул. Заки Валиди, 32; факс: +7(347)229-9707, электронная почта: gerchikov@inbox.ru, Veronika1979@yandex.ru
2 НИИ биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича РАМН, 119121 Москва, ул. Погодинская, 10, стр. 8; факс: +7(499)245-0857, электронная почта: veselov@ibmh.msk.su
Поступила в редакцию 16.10.13 После доработки 15.12.13
Методом молекулярного дизайна 2-(3-бензоилфенил)пропановой кислоты (действующее вещество нестероидного противовоспалительного лекарственного средства «Кетопрофен») с использованием программы 8АЯВ-21 сконструированы новые структуры потенциальных ингибиторов 5-липоксигеназы (5-ЛОГ). Эти молекулы были докированы в активный центр 5-ЛОГ. В результате семь соединений показали высокую вероятность связывания с этим ферментом. Два из них могут быть ингибиторами двойного действия, одновременно ингибируя работу 5-ЛОГ и обоих изоформ циклооксигеназы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: молекулярный дизайн, молекулярный докинг, 5-липоксигеназа, изоформы цикло-оксигеназ.
5-Липоксигеназа (5-ЛОГ) — ключевой фермент биосинтеза лейкотриенов, чрезмерная выработка которых провоцирует такие заболевания, как астма, артриты, псориаз и ишемичес-кая болезнь сердца [1—2]. В живых системах ее активации способствует гиперпродукция арахи-доновой и линоленовой кислот на фоне сниженной активности изоформ циклооксигеназ (ЦОГ-1 и ЦОГ-2), при использовании нестероидных противовоспалительных лекарственных препаратов (НПВП) [3—4]. Известно, что лей-котриены, образующиеся с участием липоксиге-назной ферментативной системы, являются одними из наиболее активных бронхоконстрикто-ров в организме животных и человека, по молярной активности они превосходят гистамин более чем в 1000—10 000 раз [5—6]. В этой связи поиск биологически активных соединений, способных блокировать активность как 5-ЛОГ, так и изомерных форм ЦОГ, представляет собой перспективное направление в области фармакологии и биохимии для предотвращения и лечения аллергий и воспалений различной этиологии.
* Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
Целью настоящей работы была структурная модификация 2-(3-бензоилфенил)пропановой кислоты (действующее вещество нестероидного противовоспалительного лекарственного препарата «Кетопрофен») для получения производных, обладающих свойством ингибиторов как 5-ЛОГ, так и изомерных форм ЦОГ. Это соединение представляет собой действующее вещество широко применяемого в клинической практике неселективного НПВП «Кетопрофен» и характеризуется низким уровнем ингибирования 5-ЛОГ [7—8]. Ранее была показана возможность модификаций этого соединения, приводящее к появлению у таких производных способности блокировать работу 5-ЛОГ [9—10].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для поиска ингибиторов двойного действия использовано сочетание теоретических методов исследования, основанных на современных компьютерных технологиях и виртуальном скрининге (методы теории распознавания образов и молекулярный докинг).
Конструирование потенциально активных ингибиторов 5-ЛОГ. Анализ связи «структура — активность» проведен с помощью системы прогноза и дизайна структур с заданными свойствами SARD-21 (Structure Activity Relationship & Design) [11]. На базе основных процедур SARD-21 ранее была проведена оценка влияния структурных признаков азот-, кислород- и серусодержащих биологически активных веществ (БАВ) на инги-бирование ими каталитической активности трех ферментов: 5-ЛОГ и двух изоформ ЦОГ [12—14]. На основе полученной структурной информации были построены две модели прогноза и распознавания соединений с выраженной противовоспалительной активностью с уровнем достоверного прогноза выше 80% по двум методам теории распознавания образов (геометрическому подходу и методу голосования [11]) — М1 и М2 [12—14]. Модель М1 ориентирована на распознавание высоко- и среднеэффективных ингибиторов 5-ЛОГ среди разных классов азот-, кислород- и серусодержащих соединений [12]. Модель М2 позволяет прогнозировать эффективность противовоспалительного действия НПВП в отношении изомерных форм ЦОГ, включая ЦОГ-1 и ЦОГ-2 [13-14].
Закономерности, установленные в строении эффективных ингибиторов 5-ЛОГ, использованы для оценки вкладов структурных фрагментов молекулы 2-(3-бензоилфенил)пропановой кислоты в ее активность в качестве ингибитора 5-ЛОГ, а также определения приоритетных направлений модификации этого соединения (рис. 1). Вклад фрагментарных дескрипторов, входящих в структуру обсуждаемой молекулы, на избирательность ингибирования активности 5-ЛОГ оценивали по коэффициенту информативности r (-1 < r < 1), в соответствии с которым чем выше положительное значение информативности, тем больше вероятность влияния данного признака на проявление целевого свойства (положительного и отрицательного соответственно знаку «+» и «-») [11].
Для модели М1, чем более положительное значение коэффициента r для структурного фрагмента, тем больше эффективность ингиби-рования 5-ЛОГ, и соответственно, выше уровень проявляемой противоаллергической активности. Результаты анализа влияния присутствующих в молекуле 2-(3-бензоилфенил)пропановой кислоты фрагментарных дескрипторов на ее активность в качестве ингибитора 5-ЛОГ представлены на рис. 1, где квадратами обозначены структурные фрагменты, снижающие ингиби-рующую активность данной молекулы в отношении 5-ЛОГ. Выбор направлений молекулярного дизайна 2-(3-бензоилфенил)пропановой
кислоты проводили на основе минимаксного критерия теории игр, в соответствии с которым, для усиления ингибирования активности 5-ЛОГ в молекуле 2-(3-бензоилфенил)пропановой кислоты, в первую очередь, необходимо произвести замену низкоинформативных структурных признаков: моно- и 1,3-дизамещенный фенильные фрагменты — на более высокоинформативные. Конструирование гипотетически активных структур осуществляли заменой отдельных элементов базовых структур признаками, типичными для эффективных ингибиторов 5-ЛОГ (рис. 2). Оценку сгенерированных структур производили аналогично классификации структур обучения по сформированному для них решающему набору признаков модели М1.
Дополнительно с использованием решающего набора признаков модели М2 был выполнен прогноз противовоспалительной активности в отношении изомерных форм ЦОГ для всех сконструированных соединений. В дальнейшем предложенные вещества были позиционированы в активный центр 5-ЛОГ с помощью метода молекулярного докинга. В качестве мишени для докинга была выбрана структура 5-ЛОГ человека из PDB (http://www.rcsb.org) с кодом 3о8у. Структуры всех лигандов были построены в программе MarvinSketch версии 5.3.6 [15] и оптимизированы методом молекулярной механики при наложении силового поля AMBER-99SB в программе UCSF Chimera [16]. Подготовку структур лигандов и макромолекулы проводили в программе AutoDockTools [17]. Первоначально все молекулы воды были удалены из структуры белка. Файлы рецептора и лигандов были конвертированы в формат PDBQT-файла с добав-
Рис. 1. Структурные фрагменты действующего начала НПВЛС «Кетопрофен», оцененные по ингибирующей активности. Квадратами отмечены фрагменты, вносящие отрицательный вклад на избирательность ингибирования. Цифрами обозначены приоритеты замены фрагментов в соответствии с минимаксным критерием теории игр
лением недостающих атомов водорода и парциальных атомных зарядов, рассчитанных по методу Гастайгера [18].
Моделирование активного центра 5-ЛОГ. Активный центр 5-ЛОГ содержит негемовый ион Fe с условным зарядом 2+, координационно-связанный с тремя полярными гистидиновыми фрагментами Н372, Н550, Н367, карбонильной группой аспарагина N554, карбоксильной группой С-терминального изолейцина 1673 и молекулой воды Н20 (рис. 3, см. цветную вклейку) [19]. Лиганды при их взаимодействии с активным центром должны замещать молекулу воды Н2О.
В активированном состоянии условный заряд на ионе железа, в соответствии с данными авторов [20—22] равен 3+. Однако заряд иона железа с координационным числом 6 в программе АиШВоск не параметризован. В связи с этим для корректировки PDBQT-файла биомолекулы 5-ЛОГ предварительно нами был смоделирован ее активный центр и проведен расчет парциальных атомных зарядов полуэмпирическим методом квантовой химии РМ6 в программе МОРАС 2012 [23]. Для этого атом железа с координирующими его аминокислотными остатками был экстрагирован из структуры белка 5-ЛОГ. Строение моделируемого сайта приведено на рис. 4. Полагали, что общий заряд моделируемой системы при расчетах равен +1.
Активный центр макромолекулы 5-ЛОГ после корректировки парциальных атомных зарядов в ближайшем окружении иона железа помещали в трехмерный бокс размером 50 х 50 х 50 шагов с разметкой решетки 0,375 А, рассчитанный в программе AutoDockTools. За центр бокса принимали положение известного лиганда — арахи-доновой кислоты. С целью проверки найденного нами решения, после корректировки парциальных атомных зарядов, в дальнейшем проводили молекулярный докинг молекулы арахидо-новой кислоты в активный центр цепи А макромолекулы 3о8у. Результаты позиционирования арахидоновой кислоты в активном центре представлены на рис. 3.
Молекулярный докинг потенциально эффективных ингибиторов в активный центр 5-ЛОГ. Молекулярный докинг структур потенциально эффективных ингибиторов 5-ЛОГ, полученных при модификации 2-(3-бензоилфенил)пропа-новой кислоты, проводили с помощью программы Auto-dock 4.2 в цепь А молекулы 3о8у. В тот же активный центр для сравнения позиционировали структуру 2-(3-бензоилфенил)пропано-вой кислоты. Докинг в программе Autodock 4.2 проводили с использованием Ламарковского генетического алгоритма с параметрами по умолчанию, за исключением угла вращения вокруг ординарных связей и вращательного движения молекул, которые были равны 30°. Оценку каче-
Рис. 2. Структурная
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.