14 апреля 2018г.
Основной тенденцией развития современной энзимологии является переход от исследования изолированных ферментов к изучению их надмолекулярной организации и способов функционирования в составе клеток. Это обусловлено рядом экспериментально полученных данных, косвенно свидетельствующих о существовании в клетке метаболических систем как целостных материальных образований – мультиферментных комплексов (МФК) [1,2], которые формируются на ее структурных элементах, в том числе биомембранах, цитоскелете, мышечных филаментах и др. Интеграция указанных элементов в единые метаболические системы (метаболомы) [3,4] обеспечивает согласованную работу всей ферментной системы клетки. Этим же может объясняться и способность к адаптации указанных ферментных систем при поступлении в организм природных многокомпонентных комплексов многофункциональных биологически активных веществ. Наличие необходимых клетке веществ и избирательность к ним биомолекул на основе структурной комплементарности способны обеспечить ремонт поврежденных участков биомолекул, и тем самым устранить рассогласования в функционировании различных ферментов и ферментных систем.
Представления о многообразии как по функциональным группам, так и геометрическим особенностям структуры флавоноидов соответствуют широкому спектру биохимической и фармакологической активности [7,9], включая ингибирование ферментов 4 из 6 классов, взаимодействие с диазепиновыми, эстрагеновыми, адренорецепторами. Физиологические свойства природных комплексов, в т.ч. флавоноидов и др., широкий спектр и избирательность их воздействия на ферментные системы также связаны с множественностью их молекулярных структур, способностью комплементарного встраивания молекулы в поврежденные участки. Комплементарность структуры молекул флавоноидов поврежденным участкам биоструктур обеспечивает избирательность последних к тем молекулам, которые призваны выполнить адаптивную функцию для данного участка биомолекулы. Тем самым из всего множества молекулярных структур, входящих в природные комплексы, обеспечивается отбор тех молекул, которые востребованы в данный момент времени и в данном месте.
Существуют представления [5], согласно которым взаимодействие метаболических систем, биомембран, индивидуальных ферментов друг с другом осуществляются посредством формирования протяженных систем сопряженных ионно-водородных связей (концепция ССИВС), которые служат каналами передачи энергии. В частности, благодаря этому в ферментах происходит подвод избыточной свободной энергии, запасенной при образовании фермент-субстратного комплекса, к активному центру фермента и эффективному использованию ее в каталитическом акте (принцип рекуперации энергии) [5,6].
Согласно представлениям [5, 6], указанные системы ССИВС строятся из пяти наиболее представленных в биомолекулах простых R – Z (C – C, C – N, C – O, C – S, S – S) и 15 резонансных химических групп Q – R = X Û Q = R – X (где Q, R, X = C, O, N, P, S) с двумя s- и одной p-связью. Благодаря наличию в них нескольких неподеленных пар электронов они образуют различные количества протондонорных и протонакцепторных водородных связей с другими группами. Атомы водорода в указанных группах представляют собой входы для заряда, а неподеленные пары электронов у атомов Х - выходы:
вход ® HQi – Ri = Xi : ® выход
При появлении в донорном участке ССИВС обладающего повышенным электрохимическим потенциалом донора D электронов, в роли которого, например, может выступать молекула вещества из окружающей среды, цепь ССИВС замыкается и становится функциональной. Следствием этого является перенос электрона от донора через водородную связь посредством p-сопряжения, перемещение двойной связи в химических группах и, а также встречный кооперативный сдвиг протона H+ [5,6]:
H …Qi = Ri – Xi H … Û …HQi – Ri = Xi …H
Водородные связи в таких системах выполняют роль контактов между биомолекулами. В зависимости от количества образующихся водородных связей, ССИВС могут быть линейными или иметь разветвления, быть одно- двух- и трехмерными. Следует отметить, что подобные системы, состоящие из различных количеств и сочетаний указанных химических групп, образуются между многими биоструктурами и макромолекулами, в частности, белками, ферментами, мембранными фосфолипидами. Это делает такие системы ССИВС универсальными каналами передачи энергии, непрерывность которых обеспечивает согласованное функционирование всех охваченных ими биоструктур. Разные биомолекулы (аминокислоты, азотистые основания, фосфолипиды и т.д.) благодаря наличию различного числа входов и выходов могут играть роль функциональных биомодулей в цепях ССИВС, например, элементов коммутации, задержки, терминации и инверсии сигнала [6].
В частности, в структурах фосфолипидов, составляющих основу биомембран, фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина, выделяются активные группы C – N, O – P = O, O – C = O, способные участвовать в образовании зон ССИВС [6], и формировании из них систем коммутации в структурах биомембран. Системы коммутации обеспечивают поочередное включение различных цепей ССИВС, и, таким образом, охваченных ими ферментов и мультиферментных комплексов, адсорбированных на биомембранах. Тем самым, обеспечивается согласованная работа различных ферментов и МФК, адсорбированных на мембранах клетки.
Следует отметить, что число входов и выходов в биомолекулах необязательно является максимальным, что объясняет возможную вариабельность их числа. Так, в результате замещения атомов водорода, например, метилирования участка, связывающего три различные ССИВС, может происходить постепенное отключение одних ССИВС от других, и тем самым - метаболических систем, вплоть до полной их изоляции друг от друга [6].
Таким образом, с увеличением степени метилирования биомолекул, ферментов и МФК, их функциональная активность снижается. Происходящие в клетке процессы ацетилирования и фосфорилирования [6], наоборот, способствуют, в первом случае - переключениям ССИВС с одних на другие, а в другом - взаимосвязи дополнительного числа ССИВС, до этого разобщенных, что обеспечивает интенсификацию функциональной активности. Подобные модификации входов и выходов существенно расширяют диапазон свойств биомолекул. Это позволяет клеткам осуществлять адаптацию биоструктур, включать дополнительно метаболические системы, в соответствии со своим функциональным состоянием, изменяя количество ССИВС, участвующих в переносе энергии. Предполагается [5,6], что в биоструктурах имеется некоторая избыточность ССИВС и возможность их дополнительного появления, в противном случае такие адаптивные перестройки были бы невозможны.
Естественно полагать, что образующиеся вследствие внешних причин разрывы в цепях ССИВС (например, появления патогенного участка из-за радиационного облучения или действия алкилирующего агента) снижают их энергопроводящие характеристики и могут привести к снижению эффективного и согласованного функционирования различных ферментов и систем.
Эффект действия таких важных природных компонентов большинства пищевых и лекарственных
растений как флавоноиды и родственные им катехины, антоцианидины и другие производные бензо-g- пирона [7,9], а также бензо-a-пирона – кумарины и фурокумарины, как раз может проявляться как результат их избирательного встраивания в поврежденные участки ССИВС ферментных систем и образования водородных связей между молекулой и цепью ССИВС.
Особенностью всего широкого класса полифенольных соединений является наличие в молекуле в различных положениях колец A и B одной или нескольких функциональных протондонорных OH-групп, представляющих собой, с точки зрения концепции ССИВС, входы для сигнала (акцепторы электрона). Роль выходов - донорных участков, поставляющих электрон в ССИВС, могут играть атомы кислорода (одновременно являющихся и протонакцепторами) (рис. 1).
На основе проведенных квантовохимических расчетов с учетом всех валентных электронов и использованием полуэмпирической параметризации PM-3, метода МО ЛКАО самосогласованного поля Хартри-Фока (ССП ХФ), было показано планарное строение флавон-3-олов кверцетина, кемпферола, физетина и др., флавонов лютеолина, апигенина, хризина и др., и антоцианидинов цианидина, мальвидина, дельфинидина и др., обладающих сопряженной двойной связью C2 – C3 в кольце C. Получены непланарные структуры для флаванонолов дигидрокверцетина, дигидрокемпферола и др., флаван-3-ола катехина и др. и флаванонов эриодиктиола, нарингенина и др., в кольце C которых отсутствует сопряжение. Отметим, что для флаванонолов – дигидрокверцетина, дигидрокемпферола, дигидрофизетина и т.д., а также флаван-3- олов (катехин), наряду с известными 4 хиральными стереоизомерами [8] (рис. 2), в расчетах были
получены еще 4 возможные конформации, главной особенностью которых является поворот связи C2 – C1’ перпендикулярно к плоскости двух колец A и C (рис. 3). Рентгеноструктурные данные для рассматриваемого класса
соединений достаточно ограничены, однако полученные в расчетах
структуры соответствуют экспериментальным, в частности для планарной структуры кверцетина и не планарной для дигидрокверцетина [8].
Все восемь конформаций каждой молекулы обладают примерно одинаковой энергией образования, составляющей, например, для дигидрокверцетина, величину – 233-239 ккал/моль, что, вероятно, обеспечивает возможность многоцентровых взаимодействий их с биомолекулами и участие в системах ССИВС. Таким образом, при соблюдении условия комплементарности, встраивание молекулы флавоноида, например, в ССИВС биомембраны, может происходить следующим образом. На рис. 4 показано возможное замыкание с помощью молекулы флавоноида разомкнутой цепи ССИВС, обеспечивающей контакт между несколькими пептидными цепями, например, белков или ферментов метаболома. Между сильно электроотрицательными атомами кислорода O или азота N (или фосфора P – для фосфолипидов) цепи ССИВС и атомами водорода функциональных групп OH молекулы флавоноида, а также между атомами водорода ССИВС и атомом кислорода молекулы образуются водородные связи. При этом наличие в g- пироновом и фенильных кольцах p-сопряженных связей способствует смещению электронной плотности в молекуле от одних контактных с ССИВС участков (при водородной связи) к другим, и тем самым - переносу заряда во всей цепи ССИВС (рис. 5).
Аналогично может быть ликвидирован разрыв ССИВС, связывающей друг с другом фосфолипиды биомембран (рис. 6) и пептидные цепи ферментов.
Наличие нескольких OH-групп позволяет коммутировать друг с другом параллельно несколько цепей ССИВС, часть из которых до этого были разобщены. Тем самым, благодаря своей специфической структуре молекула флавоноида, наряду с аминокислотами и азотистыми основаниями [6], может рассматриваться как эффективный элемент коммутации цепей ССИВС (рис. 7).
В частности, может быть достигнут адаптивный эффект для участков биомолекул, подвергшихся упомянутому выше действию внешнего алкилирующего агента.
Так, три разорванные в результате метилирования цепи ССИВС (рис. 8а и 8б) могут быть вновь объединены в единую энергопроводящую систему, а патогенный участок (разрывы ССИВС – рис. 8б) ликвидирован (рис. 9). Тем самым, минимизировано и соответствующее снижение функциональной активности объединенных ССИВС ферментов и ферментных систем.
Таким образом, благодаря предложенному механизму замыкания разорванных ССИВС и включения дополнительных цепей молекулой флавоноида или указанных выше родственных соединений на биомембране может происходить коммутация дополнительного числа метаболомов, и, как следствие, повышение эффективности функционирования и слаженности работы взаимодействующих ферментных систем.
Список литературы
1.
Курганов Б.И. Роль мультиферментных комплексов в интеграции клеточного метаболизма.
– Молекулярная биология. - Т. 20, вып. 6. – 1986. – с. 1530–1538.
2.
Курганов Б.И. Принципы интеграции клеточного метаболизма. – Молекулярная биология. - Т. 20, вып. 2.
– 1986. – с. 369 – 377.
3.
Курганов Б.И. Общие принципы контроля функционирования ферментов и мультиферментных комплексов. – Вестник АМН СССР. - № 8. – 1986. – с. 3–8.
4.
Курганов Б.И.,
Любарев А.Е. Принципы организации и функционирования микрокомпартмента метаболона. – Биохимия. – Т. 54, вып. 5. – 1989. – с. 716–718.
5.
Карасев В.А., Стефанов В.Е. Эволюционный структурно-функциональный подход к надмолекулярным биоструктурам. – Успехи биологической химии. – Т. 32. – 1991. – с. 114 –145.
6.
Карасев В.А., Стефанов В.Е., Курганов Б.И. Надмолекулярные биоструктуры: организация, функционирование, происхождение. – Итоги науки и техники, серия Биологическая химия. – М.: ВИНИТИ. – 1989. – 180 с.
7.
Макарова М.Н., Макаров В.Г. Молекулярная биология флавоноидов (химия, биохимия, фармакология): Руководство для врачей. – СПб, 2010. – 428 с.
8.
Селиванова И.А. Физико-химические основы создания лекарственных средств и пищевых добавок на базе биологически активных веществ древесины
Larix gmelinii rupr. (rupr.) и Larix sibirica ledeb. – Автореферат на соиск. уч. ст. д. фарм. н.
– М.: Моск. Мед. Акад. им. И.М.Сеченова. – 1998. – 39 с.
9.
Тараховский Ю. С., Ким Ю. А., Абдрасилов Б. С. и др. Флавоноиды: биохимия, биофизика, медицина. – Пущино: Sуnchrobook, 2013. – 310 c.
