12 декабря 2012

Реализация биологической активности ХС

Особенно большие трудности в проблеме оценки биологической активности ХС по физико-химическим характеристикам возникают в том случае, когда реализация биологической активности ХС — многоэтапный процесс. В качестве примера, иллюстрирующего трудности интерпретации физико-химических особенностей поведения молекулы для оценки ее активности, рассмотрим результаты изучения взаимодействия противоопухолевого антибиотика оливомицина и ДНК.

Эти результаты были получены путем комплексного применения высокочувствительных, и в то же время сравнительно простых и доступных люминесцентно-адсорбционных методов и кинетических подходов для изучения молекулярного механизма взаимодействия низкомолекулярного лиганда с мишенью. Этот цикл работ был выполнен нами (Г. М. Баренбойм, В. X. Брикенштейн и сотрудники).

Оливомицин — антибиотик группы аурелевой кислоты, формула которого приведена на рисунке ниже.


Структурные формулы  оливомицина в формах А и В

Структурные формулы  оливомицина в формах А и В


Мишенью оливомицина в клетке является ДНК, действие оливомицина приводит к подавлению матричной активности ДНК в процессах ДНК-зависимого синтеза РНК и ДНК-зависимого синтеза ДНК. Оливомицин практически не взаимодействует ни с какими структурами, кроме хроматина, связывание с которым происходит в присутствии ионов магния.

На первом этапе этой работы исследовались спектральные свойства молекулы оливомицина в различных условиях (изменялись полярность растворителя, рН, ионная сила и т. д.).

Постановка подобных экспериментов является обязательным этапом, поскольку эти результаты необходимы для интерпретации спектральных изменений, наблюдаемых при связывании лиганда с биополимером. Было показано, что молекула оливомицина может находиться в двух таутомерных формах, равновесие между которыми смещается в зависимости от условий окружения. Для того чтобы выяснить, какой из этих форм отвечает молекула оливомицина при физиологических значениях рН, сравнивались экспериментально измеренные и расчетные спектры поглощения (смотрите рисунок ниже).


Спектр оптического поглощения оливина

Спектр оптического поглощения оливина

Прямые вертикальные линии — расчетные электронные переходы в оливине (формы А и В) при поглощении света; сплошная кривая — экспериментальный спектр оливина при концентрации 2*10-5моль/л, pH 7,2. λ — длина волны в нм; f — сила осциллятора (для расчетного спектра), D — оптическая плотность.


Расчет был выполнен методом CNDO И. Л. Шамовским. Из рисунка видно, что длинноволновая полоса поглощения есть только у формы А, и таким образом была определена таутомерная форма, в которой молекула оливомицина существует при нейтральных pH.

Следует отметить, что ранее считалось, что в области нейтральных pH оливомицин существует в форме В. Приведенный пример лишний раз иллюстрирует важную роль квантовохимических расчетов и тесную связь различных подходов в исследованиях механизма взаимодействия низкомолекулярных лигандов с биополимерами.

На следующем этапе работы изучался механизм взаимодействия оливомицина с ионами Mg2+, поскольку ранее было показано, что он образует комплекс с этими ионами и эффективность взаимодействия с ДНК намного возрастает в присутствии Mg2+. В этих исследованиях использовались как стационарные измерения, так и изучение кинетики реакции методом «остановленной струи».

Была предложена следующая схема реакции:

[ОЛ] A+Mg2+↔[ОЛ Mg2+] IA [ОЛ Mg2+]IIA.
[ОЛ] B+Mg2+↔[ОЛ Mg2+]IВ [ОЛ Mg2+]IIВ.

Согласно этой схеме ионы магния образуют комплекс с обеими таутомерными формами молекулы оливомицина, причем константа связывания с формой В больше, чем с формой А. На I стадии реакции Mg2+ взаимодействует с хромофором (агликоном) оливомицина.

На II стадии происходит изменение конформации молекулы и ион металла, уже образовавший комплекс с хромофором, образует две дополнительные координационные связи с сахарными остатками.

В результате, как было показано с помощью измерений степени поляризации флуоресценции и характеристических времен ее затухания, эффективный гидродинамический объем молекулы оливомицина уменьшается примерно в 2,5 раза.

Таким образом, при образовании комплекса с ионами магния образуется компактная конфигурация молекулы оливомицина, и, кроме того, в такой конформации все атомы кислорода, кроме кислорода кетогруппы в боковой цепи хромофора, закрыты и экранировка отрицательных зарядов кислорода облегчает встраивание комплекса оливомицина с Mg2+ в малый желоб ДНК.


«Биологически активные вещества»,
Г.М.Баренбойм, А.Г.Маленков



Все тестируемые ХС проходят регистрацию и определение степени новизны, а также прогностическое установление типа потенциальной биологической (фармакологической) активности расчетными методами структурно-информационного анализа. На этом основании для веществ с невысокими значениями Q, L и М определяется та выборка тестов, через которую они должны пройти. В ряде случаев эта выборка определяется по формализованным правилам, в большинстве случаев…

В итоговом документе («Биологический паспорт»), который формируется по итогам классификации данного ХС в автоматизированной системе, излагаются цели испытаний, а также следующие сведения о тестированном ХС: исходная информация о ХС (структурная и брутто-формула, физико-химические характеристики, организация-производитель, исходное назначение); номер регистрации; степень подлинности (соответствие структур, чистота); результаты испытаний с использованием расчетных методов; оценка биологической активности и токсичных…

Можно представить схему, изображенную на рисунке ниже, в более сжатой конспективной форме, развернув все события вдоль оси времени. Смотрите рисунок — Генеральная конфигурация системы классификации ХС Такая линейная развертка событий представлена на рисунке ниже, а комментарий к ней содержится в таблице, которую можно рассматривать как расширенную подпись к этому рисунку. Смотрите рисунок — Последовательность основных…

Вся работа системы проводится в интерактивном режиме: специфика работы с биологическим тест-объектом такова, что весьма высока вероятность его отклонения от стандарта в процессе подготовки эксперимента, резкого изменения его состояния или даже гибели в процессе эксперимента и т. д. Возможны ситуации, когда результаты тестирования ХС по одной методике могут привести к изменению всего порядка последующих испытаний…

Карта информационной биотехнологии и технических средств (часть 6)

Блок 9. классификация ХС по ихспособности сенсибилизировать биологические объекты к действию Функциональное назначение Определить изменение чувствительности биологических объектов при действии на них ХС по отношению к стандартному физическому фактору (нагревание, световое облучение и другие факторы в зависимости от задачи). Знание таких характеристик позволяет: 1) прогнозировать результат комбинированного действия ХС и физфактора; 2) выявить действие ХС,…