Эффекты связывания лекарственных лигандов с аминокислотами и пептидами при изменении их структуры и кислотности среды как основа для разработки регуляторов транспортной функции белков

Важным этапом при разработке регуляторов переноса лекарственных форм типа «белковый вектор – химиопрепарат» является выявление эффективности связывания модельных соединений белков (аминокислот и пептидов) с фармакологически активными соединениями на основе определения термодинамических параметров их взаимодействия в условиях изменения кислотности и ионной силы среды. В ходе реализации Проекта выполнен большой объем экспериментальных и теоретических исследований аминокислот (Met, Asn, Lys, Asp) и пептидов (Car, GSH), имеющих различные функциональные группы в боковой цепи молекул, и получены новые данные, позволяющие уточнить молекулярные аспекты их взаимодействий с лигандами: тремя изомерами пиридинкарбоновой кислоты (NA, INA, PA), пиридоксином (PN) и пиридоксаль-5`-фосфатом (PLP), в условиях изменения кислотности среды от рН 5.6 (вода) до 7.4 (буферный раствор). Определены термодинамические характеристики их взаимодействий и стехиометрия образуемых комплексов методами калориметрии растворения, денсиметрии, УФ- спектроскопии и квантово-химического моделирования. Установлено образование комплексов средней силы: а) для Lys и Car, молекулы которых обладают выраженными основными свойствами, с лигандами (NA, INA, PA) в воде и буфере; б) для аспарагиновой кислоты (Asp) и ее амида (Asn) с изомерами (NA, INA, PA) в воде; в) для Asn с PN и PLP в водных растворах; г) для Car с PN в водных растворах. Обнаружено наличие слабых комплексов, образуемых метионином (Met) и Asn с лигандами (NA, INA, PA) в буферных растворах. Выявлено влияние положения карбоксильной группы в изомерах пиридинкарбоновой кислоты на их способность к образованию комплексов с аминокислотами. Показано, что афинность к взаимодействию реагентов уменьшается в следующих рядах: NA>INA>PA для Asn; PA>INA>NA для Asp; INA>NA>PA для Lys и Met. Изучено влияние ионной силы (I) среды на тепловые эффекты и константы ступенчатой диссоциации карнозина (Car), аспарагина (Asn), изоникотиновой (INA) и пиколиновой (PA) кислот, пиридоксина (PN), пиридоксаль-5`-фосфата (PLP) и глутатиона (GSH) в водных растворах при 298.15К. Определены стандартные термодинамические характеристики процессов диссоциации исследуемых веществ при нулевой ионной силе. Полученные новые данные показывают, что теплоты диссоциации исследуемых веществ (Car, Asn, INA, PA) существенно зависят от концентрации и природы фонового электролита (NaCl, NaNO3, NaClO4, LiNO3, KNO3). Тепловой эффект диссоциации соединений Car, Asn, INA и PA менее экзотермичен в растворах солей лития и более экзотермичен на фоне NаСlО4 при увеличении концентрации электролита в растворе. Показано, что с увеличением ионной силы экзотермичность процессов ступенчатой ионизации PN растет. Для PLP выявлено, что изменения энтальпий ионизации пиридинового азота и фенольной группы являются эндотермическими при всех значениях ионной силы раствора, однако изменение энтальпии для второй ступени ионизации (фосфатной группы) является более экзотермическим. Показано, что при переходе от аминокислоты к трипептиду глутатиону (GSH)) действие индукционного эффекта ослабевает, и, как следствие, заряженные амино- группы молекул связывают больше воды в случае пептида, чем аминокислоты. Это проявляется, в частности в том, что изменение энтропии по абсолютной величине больше при диссоциации пептида, чем аминокислот. Методом DFT/B3LYP с корреляционно-согласованным базисом cc-pVTZ впервые выполнено квантово-химическое исследование дипептида (Car), аминокислот (Met, Asp) и их комплексов, образуемых с тремя пиридинкарбоновыми кислотами (NA, INA, PA), а также аминокислот (Lys, Met, Asn) с пиридоксином (PN). Показано, что наиболее стабильные комплексы присутствуют в жидкой фазе вследствие наличия большего числа водородных связей между молекулами реагентов в отличие от Н-связи в случае газообразного состояния комплекса. Полученные геометрические и энергетические параметры Н-связей подтверждают наличие достаточно сильных межмолекулярных водородных связей, которые вносят существенный вклад в стабилизацию структур исследованных 12 комплексов, образуемых между аминокислотами/пептидом и гетероциклическими лигандами. Теоретические данные согласуются с результатами, полученными экспериментальными методами (калориметрии, Уф-спектроскопии, денсиметрии).