Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
To date, quinazolinone derivatives, which have a unique chemical structure and exhibit a wide range of pharmacological activity, are used both as drugs and starting substances in the synthesis of deriva-tives with multitarget activity. Quinazolinones synthesized by the scientists of Volgograd Medical Uni-versity are characterized by the pronounced antimicrobial activity against Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli, Klebsiella. Computer-assisted prediction of the pharma-cological action spectrum by the PASS programme of the studied quinazolinone derivatives shows a high probability of their hypoglycaemic activity. The aim of the study was to establish the relationship between the mechanisms of antimicrobial and hypoglycemic activity and to substantiate the possibility of one type of pharmacological action as a consequence of the other. The application of mathematical modeling methods allowing to estimate the probability of formation of an intermediate complex com-pound between the drug substance and the intended target, as well as its strength, will allow to establish the "structure-activity" relationship and to characterize the possibility of unity of biochem-ical processes underlying the manifested pharmacological effects.
target-oriented derivatives, multi-target drug, quinazolinones, α-glucosidase, multi-targetligand, inter-molecular complex, mathematical modeling
Эпидемиологические проблемы во всем мире, резистентность патогенных микроорганизмов к применяемым противомикробным средствам, увеличение числа хронических заболеваний и коморбидной патологии делает актуальным рассмотрение процесса создания лекарства не только в направлении увеличения его эффективности, безопасности и продолжительности действия, но и для обеспечения многофункциональности в организме. До настоящего времени основным объектом поиска лекарственных веществ были рецептор-специфичные или мишень-ориентированные производные, однако на сегодняшний день повышенный интерес при осуществлении дизайна вызывают мультитаргетные лекарственные средства [1]. Концептуальной основой получения таких производных, сформированной при использовании представлений системной биологии, сетевой фармакологии и полифармакологии, служит рассмотрение заболевания как мультифакторного процесса. Наличие в структуре производного лиганда, способного образовывать химические связи с различными мишенями, обусловливая широкий спектр фармакологических эффектов, является главным признаком полифункционального средства [1].
Часто проявление лекарственным веществом побочного эффекта может быть использовано при разработке новых соединений, способных обнаруживать различные виды активности. Наглядным примером является способность антибиотиков, относящихся к группе фторхинолонов, вызывать гипогликемию, что приходится учитывать при их приеме пациентами, страдающими сахарным диабетом 2 типа [2]. Показано, что блокирование аденозин-5'-трифосфат-чувствительных калиевых каналов в мембранах β-клеток поджелудочной железы, представляющих собой специализированный тип белковых структур, которые обеспечивают диффузию ионов К+ через клетку мембраны, и, как следствие, передачу электрических сигналов в нервной системе и регуляцию секреции инсулина, под воздействием левофлоксацина может способствовать возникновению гипогликемии [2, 3]. Установлено строение КАТФ-каналов, представляющих собой гетерооктамерный комплекс, состоящий из двух различных типов белковых субъединиц: внутренних «выпрямляющих K-каналов» (Kir6.x), собирающихся в виде тетрамера, и формирующих канальную пору, и рецептора сульфонилмочевины (SUR) [4]. Установлено, что селективность и ионная проводимость канала достигается конформационными изменениями белков в них, а взаимодействие с ингибиторами осуществляется посредством поливалентных катионов (Mg2+ и Ca2+). Изучена активация канал Kir фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатом (PIP2) и его блокирование АТФ. Обоснована конкуренция PIP2 и АТФ за сайт связывания Kir. Известно, что при низком уровне глюкозы КАТФ-каналы открыты, и калий выходит через эти каналы, что обусловливает гиперполяризацию мембранного потенциала. Повышение концентрации АТФ по сравнению с АДФ приводит к закрытию, деполяризации оболочки и секреции инсулина [5]. Описана роль генов KCNJ11 и ABCC8, находящихся на хромосоме 11p15.1. Установлено кодирование ими и рецептором сульфонилмочевины 1 (SUR1) КАТФ-канала. Важным компонентом КАТФ-канала является рецептор сульфонилмочевины 1 (SUR1), который не участвует в ионном транспорте, но модулирует субъединицу Kir6.2. Описано наличие у SUR1 сайта связывания с АТФ-нуклеотидсвязующего домена (NBD1) [5]. Известно, что ингибиторы активности КАТФ-каналов делятся на две группы: вещества, взаимодействующие с Kir6.2, и производные, блокирующие SUR [4]. Проявление побочного эффекта фторхинолонами связано с взаимодействием веществ с Kir6.2. Блокирование КАТФ-каналов противомалярийными средствами (хинином, мефлохином) также определяет их способность, как и у фторхинолонов, действовать полифункционально. Механизм прямого гипогликемического действия производных сульфонилмочевины (толбутамида, гликлазида, глимепирида) реализуется за счет связывания высоким сродством к SUR [4].
Представляет интерес акарбоза – псевдотетрасахарид бактериального происхождения, способный конкурентно подавлять активность α-глюкозидазы, вследствие чего снижается ферментативное превращение ди-, олиго- и полисахаридов в моносахариды, уменьшается всасывание глюкозы из кишечника и, как следствие, снижается постпрандиальная гипергликемия [6, 7]. Показана способность акарбозы связываться с каталитическим сайтом пептиддеформилазы I типа и ингибировать рост бактерий [8]. Описаны результаты молекулярного докинга воглибозы, также относящейся к классу ингибиторов α–глюкозидаз. Показано, что в стабилизации переходного комплексного состояния играют роль силы ковалентного взаимодействия и Ван-дер-Ваальса. Установлено образование водородных связей с остатками аспарагина и межмолекулярного связывания с триптофаном, изолейцином, тирозином, фенилаланином активного сайта α–глюкозидазы [9].
Анализ литературных данных свидетельствует о работе ученых в направлении поиска веществ, отличающихся способностью оказывать несколько фармакологических эффектов. Одним из перспективных вариантов реализации такой задачи является использование хиназолинона в качестве мультитаргетного лиганда. Известно, что соединения, молекула которых содержит хиназолиноновое ядро, отличающееся уникальной гетероциклической структурой, проявляют широкий спектр фармакологической активности (антимикробной, гипогликемической, противоопухолевой, противовирусной и др.), что дает основание рассматривать данный химический фрагмент в качестве мультитаргетного фармакофора. Показана возможность модификации молекулы глибенкламида введением в нее хиназолинонового кольца, позволившей получить производные – 2-Фенил-3-(п-сульфонил)фенил)-4(3Н)-хиназолинон, 2-Фенил-3-[4-[[(фениламино)карбонил]аминосульфонил]фенилэтил]-4(3H)-хиназолинон), гипогликемическая активность которых превосходит фармакологический эффект производного сульфонилмочевины [10]. Доказана ингибирующая активность C-7 замещенных-2-морфолино-N-(пиридин-2-илметил)хиназолин-4-аминов в отношении α-глюкозидазы [7].
Доказательство антимикробной активности в ходе первичного микробиологического скрининга новыми производными хиназолинона (рис. 1), синтезированными учеными Волгоградского государственного медицинского университета, позволило выделить соединения-лидеры, проявляющие противомикробный эффект в отношении Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli [10].
VMA-13-05 R1 = H, R2 = H
VMA-17-04 R1 = H, R2 = CH3
Рис. 1. Общая формула производных хиназолин-4(3Н)-она
Fig. 1. General formula of quinazoline-4(3H)-one derivatives
Использование программы PASS с целью компьютерного прогнозирования фармакологической активности показало высокую вероятность проявления данными производными гипогликемического эффекта.
Цель: осуществить математическое моделирование взаимодействий установленных соединений-лидеров хиназолинонового ряда с α-глюкозидазой с дальнейшим прогнозированием полифункциональности соединений.
Материалы и методы исследования. Моделирование межмолекулярных комплексов в системе взаимодействия новых производных хиназолин-4(3Н)-она – VMA–17–04 и VMA–13–05 (рис. 1) с α-глюкозидазой проведено с использованием квантово-химического полуэмпирического PM7-метода, реализованного в программе MOPAC 2016 [11]. Дальнейшие расчеты энергетических, структурных и зарядовых параметров были выполнены методом RHF с использованием базисного набора 6-31G(d, p) в программе Gamess («Iowa State University Quantum Chemistry Group», США) [12].
Изучение энергетики и механизма процесса взаимодействия новых синтезированных производных 4(3H)-хиназолина с аминокислотными центрами ферментной системы было проведено с использованием модели белковой системы α–глюкозидазы из базы данных RCSB PDB [13], содержащей в составе активного центра цистеин и серин. Модель активного центра, которую использовали в моделировании межмолекулярных взаимодействий на уровне квантово-механических расчетов, представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Модель активного центра системы 1k4h
Fig. 2. Active centre model of the 1k4h system
Результаты исследования и их обсуждение. Проведенные исследования позволили установить существование молекулы 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолина (VMA 13–05) в двух пространственных конформациях, которые активно могут быть включены в процесс взаимодействия c ферментными системами [14]. Изучено взаимодействие наиболее стабильной формы (конформация I: угол поворота 80° по связи N1С2С3С4), соответствующей минимуму на поверхности потенциальной энергии (рис. 3) и молекулы 3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он (VMA 17–04) (рис. 4).
Рис. 3. 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин
Fig. 3. 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин
Рис. 4. 3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он
Fig. 4. 3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он
Анализ электронной заселенности молекулярных орбиталей, граничных орбиталей позволил установить активные центры в исходных молекулах и образующихся межмолекулярных комплексах. В таблице 1 приведены результаты энергии граничных орбиталей (EВЗМО/EНСМО, эВ), где ВЗМО – соответствует высшей занятой молекулярной орбитали, НСМО – низшей свободной молекулярной орбитали, величины энергетической щели (Eg, эВ) и объем доступной контактной поверхности (VCOSMO, Å3).
Таблица 1. Энергетические и структурные характеристики исходных соединений
Table 1. Energy and structural characteristics of the starting compounds
|
Соединение |
EВЗМО, эВ |
EНСМО, эВ |
ΔE, эВ |
VCOSMO, Å3 |
|
Модель активного центра |
-8,397 |
3,943 |
12,340 |
670,73 |
|
3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин |
-8,490 |
1,516 |
10,006 |
364,27 |
|
3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он |
-8,631 |
2,335 |
10,966 |
342,30 |
Визуализация граничных молекулярных орбиталей исследуемых объектов представлена на рис. 5. Для модели активного центра в дополнение к граничным орбиталям приведены следующие две занятые молекулярные орбитали и две свободные молекулярные орбитали.
77ВЗМО 78НСМО
Рис. 5. Визуализация граничных молекулярных орбиталей
Fig. 5. Visualisation of boundary molecular orbitals
Анализ результатов исследования показывает, что в модели активного центра вклады в формирование молекулярных орбиталей у аминокислот различны. Донором электронной плотности является 148ВЗМО1 в молекуле тирозина, что соответствует вкладу ароматического кольца и неподеленной электронной пары кислорода. В таком случае стабилизация хиназолинов напротив тирозина будет осуществляться преимущественно за счет стэкинг-взаимодействия. Молекулярная орбиталь 147ВЗМО3 метионина и следующая 145ВЗМО5-орбиталь цистеина также оказываются активными за счет участия неподеленной пары электронов серы. Неподеленные электронные пары атома серы участвуют во взаимодействии с функциональными группами хиназолинонов, что подтверждается распределением частичных зарядов на этих атомах, а также наличием минимального расстояния между взаимодействующими атомами (1,9…2,3 Å).
В формировании молекулярных орбиталей 149НСМО2, 150НСМО4 и 151НСМО6 принимают участие -CH группы цистеина, тирозина и серина. Напрямую взаимодействия с хиназолинами, через данные функциональные группы, оказываются энергетически затратными (более 12,8 эВ) и стерически маловероятными.
Таким образом, из представленных производных хиназолинона энергетически наиболее выгодные межмолекулярные комплексы образуются с молекулой 3-[2-(2-нафтил)-2-оксоэтил]-4(3H)-хиназолин. Акцептором электронной плотности является 83НСМО, что способствует увеличению положительного заряда на атомах углерода в орто- и параположениях нафтил-радикала. В молекуле
3-(1-фениламино-1-оксо-2-пропил)-хиназолин-4(3H)-он именно 78НСМО является акцептором электронной плотности, что преимущественно определено вкладом хиназолин-радикала. Вероятно, VMA–13–05 может быть рассмотрено в качестве соединения, способного оказывать мультитаргетный эффект.
1. Vasil'ev P. M., Kosolapov V. A., Spasov A. A., Yanalieva L. R. Multifunctional multitarget drugs as the basis for 21st century pharmacology. Vestnik VolGU. Seriya 11, Estestvennye nauki = Vestnik VolGU. Series 11, Natural Sciences. 2018; 8 (1): 36-39. doi:https://doi.org/10.15688/jvolsu11.2018.1.6. (In Russ.).
2. Aspinall S. L., Good C. B., Jiang R., McCarren M., Dong D., Cunningham F. E. Severe Dysglycemia with the Fluoroquinolones: A Class Effect? Clinical Infectious Diseases. 2009; 49: 402-408. doi:https://doi.org/10.1086/600294.
3. Owens Jr. R. C., Ambrose P. G. Antimicrobial Safety: Focus on Fluoroquinolones. Clinical Infectious Diseas-es. 2005; 41: 144-157.
4. Proks P., Reimann F., Green N., Gribble F., Ashcroft F. Sulfonylurea Stimulation of Insulin Secretion. Diabe-tes. 2002; 51 (3): S368-S376. doi:https://doi.org/10.2337/diabetes.51.2007.S368.
5. Bennett K., James C., Hussain K. Pancreatic β-cell KATP channels: Hypoglycaemia and hyperglycaemia. Rev. Endocr. Metab. Disord. 2010; (11): 157-163. doi:https://doi.org/10.1007/s11154-010-9144-2.
6. Sokolova L. K. Alpha-glucosidase inhibitors in clinical practice. Questions and answers. Mìžnarodnij en-dokrinologìčnij žurnal. 2018; 14 (1): 71-75. doi:https://doi.org/10.22141/2224-0721.14.1.2018.127096. (In Russ.).
7. Ankireddy A. R., Gundla R., Balaraju T., Banothu V., Gundla K. P., Addepally U., Chimakurthy J. Quinazolin derivatives as emerging alpha-glucosidase inhibitors. Eur. J. Chem. 2018; 9 (4): 322-330. doi:https://doi.org/10.5155/eurjchem.9.4.322-330.1748.
8. Moorthy N. S. H. N., Ramos M. J., Fernandes P. A. Studies on α-Glucosidase Inhibitors Development: Magic Molecules for the Treatment of Carbohydrate Mediated Diseases. Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. 2012; 12 (8): 713-720. doi:https://doi.org/10.2174/138955712801264837.
9. Kulkarni S., Gupta P. P., Pallavi A. Investigation of Enzymes Binding to «Voglibose - an Antidiabetic Drug» and the Choice of Enzyme to be Used for Biosensing. British Journal of Pharmaceutical Research. 2016; 14 (3): 1-10. doi:https://doi.org/10.9734/BJPR/2016/30369.
10. El-Zahabi M. A., Bamanie F. H., Ghareeb S., Alshaeri H. K., Alasmari M. M., Moustafa M., Al-Marzooki Z., Zayed M. F. Design, Synthesis, Molecular Modeling and Anti-Hyperglycemic Evaluation of Quinazo-line-Sulfonylurea Hybrids as Peroxisome Proliferator-Activated Receptor Gamma (PPAR) and Sulfonylurea Receptor (SUR) Agonists. Int. J. Mol. Sci. 2022; 23: 9605. doi.https://doi.org/10.3390/ijms23179605.
11. Stewart J. J. P. Stewart Computational Chemistry, Colorado Springs, CO: USA, 1993. URL:http://OpenMOPAC.net (2016).
12. Gordon M. S., Schmidt M. W. Advances in Electronic Structure Theory: gamess a Decade Later. Theory and Applications of Computational Chemistry. 2005; 1167-1189. doi:https://doi.org/10.1016/B978-044451719-7/50084-6.
13. Berkel W. J. V., Eppink M. H., Schreuder H. A. Crystal structure of p-hydroxybenzoate hydroxylase recon-stituted with the modified fad present in alcohol oxidase from methylotrophic yeasts: evidence for an arabinoflavin. Protein Sci. 1994; 3 (12): 2245-2253. doi:https://doi.org/10.1002/pro.5560031210.
14. Starikova A. A., Samotrueva M. A., Ozerov A. A., Zolotareva N. V., Merezhkina D. V. Study of spatial struc-ture of a new quinazolinone derivative for prediction of its effect on mycolic acids of M. Tuberculosis. Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference with international participation «Kromerov readings». 21 April 2022. Perm : PGFA; 2022: 166-168. (In Russ.).
