ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ПРОЦЕССОВ

Н.Э. Поляков, М.Б. Тарабан, А.И. Круппа, Т.В. Лёшина

Актуальность исследования. Одной из основных характеристик биологически активных веществ является механизм их действия на молекулярном уровне. К настоящему времени для большинства лекарственных препаратов эта проблема не решена. Другая важная для медицинской химии проблема - установление корреляции “структура-свойство” - тоже является приоритетной. В обоих направлениях во всем мире ежегодно выполняются сотни исследований (De Vries, A. and G.M.J. Beijersbergen van Henegouweu (1995) Photodegradation of nifedipine under in vivo-related circumstances. Photochem. Photobiol. 62, 959-963; Schleifer, K.-J. (1999) Stereoselective Characterization of the 1,4-Dihydropyridine Binding Site at L-Type Calcium Channels in the Resting State and the Opened/Inactivated State. J. Med. Chem. 42, 2204-2211). Частная проблема, которой посвящен представленный цикл работ, имеющая отношение к обоим глобальным проблемам - это установление роли элементарного химического процесса – переноса электрона, в механизмах действия ряда лекарственных препаратов, а также каротиноидов, и изучение связи между структурой получившихся активных интермедиатов и действием препарата.

Новизна используемого подхода связана, прежде всего, с использованием современных физических методов (ХПЯ, ЯМР и ЭПР) для исследования биологически важных процессов. Отметим, что используемые в настоящее время биологические и медицинские методы исследования не дают столь подробной информации о механизмах реакции на молекулярном уровне.

Полученные результаты и их значимость. Полученные в представленном цикле результаты можно условно разделить на три блока:

  1. Изучение механизма антиоксидантной активности каротиноидов. Разработана методика измерения констант скоростей реакции каротиноидов со свободными радикалами с использованием метода ЭПР со спиновыми ловушками. Установлена корреляция скорости захвата перекисных радикалов каротиноидами с их окислительными потенциалами, на основании чего сделан вывод о переносе электрона как ключевой стадии процесса. Показано, что образование комплексов включения типа “гость-хозяин” существенно влияет на реакционную способность каротиноидов.
  2. Изучение механизма цис-транс изомеризации каротиноидов. Методами ХПЯ и ЯМР показано, что перенос электрона с каротиноида в реакции с акцепторами электрона ведет к образованию набора цис-изомеров. В дополнение к известному ранее механизму изомеризации, протекающему через триплетное возбужденное состояние, предложен новый механизм, включающий образование ион-радикальных пар.
  3. Моделирование механизма лиганд-рецепторного взаимодействия на примере блокаторов кальциевых и натриевых каналов. На основании данных физико-химических исследований и квантово-химических расчетов предложен механизм взаимодействия лекарств с рецепторами в т.н. лиганд-рецепторных комплексах, включающий стадию переноса электрона между лекарственным препаратом и аминокислотными остатками, расположенными в активных центрах рецепторов. Методом ХПЯ показано, что образующиеся при этом парамагнитные интермедиаты биологически активного соединения нестабильны. Они превращаются в продукты, не связывающиеся с рецептором, что приводит к диссоциации комплекса. Возникновение комплекса за счет донорно-акцепторного взаимодействия молекулы лекарства с аминокислотными остатками, например, кальциевого рецептора, затем перенос электрона и последующая диссоциация комплекса в результате химической реакции позволяет полностью описать лиганд-рецепторное взаимодействие.
Уровень полученных результатов в сравнении с мировым. Представленные работы были поддержаны грантами РФФИ, CRDF и NATO, а также грантом Сибирского отделения РАН. Полученные результаты доложены на следующих международных конференциях:
  1. Т.В. Лешина, Н.Э. Поляков, М.Б. Тарабан, Л.Д. Кисперт, Ч. Гриссом, Использование спин-селективных реакций при изучении парамагнитных интермедиатов в процессах фото- и ферментативного окисления некоторых биологически важных молекул. XI Международная конференция “Магнитный резонанс в химии и биологии”, Москва, Россия, 2001, стр. 34.
  2. Н.Э. Поляков, А.И. Круппа, Т.В. Лешина, Т.А. Коновалова, Л.Д. Кисперт, Взаимосвязь антиоксидантных и окислительно-восстановительных свойств каротиноидов. XI Международная конференция “Магнитный резонанс в химии и биологии”, Москва, Россия, 2001, стр. 136.
  3. Н.Э. Поляков, Т.В. Лешина, Т.А. Коновалова, Л.Д. Кисперт, Каротиноиды как антиоксиданты и про-оксиданты. Изучение методом спиновых ловушек. XI Международная конференция “Магнитный резонанс в химии и биологии”, Москва, Россия, 2001, стр. 178.
  4. N.E. Polyakov, T.V. Leshina, L.D. Kispert,, CIDNP Study of Photoelectron Transfer Mechanism of Isomerization of Carotenoids. VII Int. Symposium on “Magnetic Field and Spin Effects in Chemistry and Related Phenomena”, Tokyo, Japan, 2001.
  5. N.E. Polyakov, T.V. Leshina, M.B. Taraban, Insight into the Structure of Binding Site of Calcium Receptors by Photo-CIDNP Spectroscopy. Nifedipine – Receptor Interaction. VI Voevodsky Conference “Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes, Novosibirsk, 2002, p. 90.
  6. N.E. Polyakov, T.V. Leshina, T.A. Konovalova, E. Hand, L.D. Kispert, Supramolecular Complexes of Carotenoids with Cyclodextrins. 1H NMR, ESR and Optical Studies. X APAM topical seminar and Conference “Nanoscience and Technology”, Novosibirsk, 2003, p. 425-426.
  7. N.E. Polyakov, T.V. Leshina, T.A. Konovalova, E. Hand, L.D. Kispert, Inclusion Complexes of Carotenoids with Cyclodextrins. Structure and reactivity. IX International Seminar on Inclusion Compounds, Novosibirsk, 2003, p. 110.
  8. N. E. Polyakov T. V. Leshina, T.A. Konovalova, E. O. Hand, L. D. Kispert Supramolecular Complexes of Carotenoids with Cyclodextrins. 1H NMR, ESR and Optical Studies. X APAM topical seminar and Conference "Nanoscience and Technology", Novosibirsk, 2003, p. 425-426.
  9. N. E. Polyakov, T. V. Leshina, N. F. Salakhutdinov, T.A. Konovalova, L.D. Kispert, Inclusion Complexes of Carotenoids with Glycyrrhizic Acid. A new approach to drug design. International Symposium “Advances in Science for Drug Discovery”, Moscow, 2005.
  10. Nikolay Polyakov, Lowell Kispert, Tatyana Konovalova, Tatyana V Leshina, Nariman Salakhutdinov, Inclusion Complexes of Carotenoids with Glycyrrhizic Acid. Stability of Complexes and Radical scavenging Characteristics. 14-th Int. Symposium on Carotenoids. Edinburgh, UK, 2005, p. 70.
  11. Nikolay E Polyakov, Tatyana V Leshina, Tatyana A Konovalova and Lowell D Kispert, The Scavenging Abilitity of Natural Antioxidants Examined by EPR Spin Trapping Technique. 4-th International Conference on Nitroxide Radicals: Synthesis, Properties and Implications of Nitroxides. (SPIN-2005), Novosibirsk, Russia, September 20-24, 2005.
На конкурс представлены следующие работы:
  1. N.E. Polyakov, V.V. Konovalov, T.V. Leshina, O.A. Luzina, N.F. Salakhutdinov, T.A. Konovalova, L.D. Kispert, One-electron Transfer Product of Quinone addition to Carotenoids. EPR and Optical Absorption Studies. J. Photochem. Photobiol A: Chem., 141(2001)117-126.
  2. N.E. Polyakov, A. I. Kruppa, T.V. Leshina, T.A. Konovalova, L.D. Kispert, The Carotenoids as an Antioxidants. Spin-Trapping ESR and Optical Study. Free Radical Biology & Medicine, 31, 1(2001)43-52.
  3. N.E. Polyakov, T.V. Leshina, T.A. Konovalova, L.D. Kispert, Carotenoids as scavengers of free radicals in a Fenton reaction: antioxidants or pro-oxidants? Free Radical Biology & Medicine, 31, 3(2001)398-404.
  4. N.E. Polyakov, T.V. Leshina, L.D. Kispert, Electron transfer mediated geometrical cis-trans isomerization of polyenes. RIKEN Review (Japan), 44(2002)140-143.
  5. Polyakov, N.E., Leshina, T.V., The influence of electron donors and acceptors on isomers distribution under the photolysis of b-ionone. Mol. Phys., 100, 9(2002)1297-1302.
  6. 6. Polyakov N. E, Leshina T. V, Hand E. O, Petrenko A, Kispert L. D., b-Ionone Cyclodextrins Inclusion Complexes. NMR Study and Photolysis. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 161/2-3 261-267, 2004.
  7. Polyakov N. E, Leshina T. V, Konovalova T.A, Hand E. O, Kispert L. D, Inclusion Complexes of Carotenoids with Cyclodextrins. 1H NMR, EPR and Optical Studies. Free Radical Biology & Medicine, 36, 872-880, 2004.
  8. Polyakov N. E., Taraban M. B., Leshina T. V., Photo-CIDNP Study of the Interaction of Tyrosine with Nifedipine. An Attempt to Model the Binding between Calcium Receptor and Calcium Antagonist Nifedipine. Photochem. Photobiol. 80 (4), 21-27, 2004.
  9. Nikolai E. Polyakov, Vladimir K. Khan, Marc B. Taraban, Tatyana V. Leshina, Olga A. Luzina, Nariman F. Salakhutdinov and Genrikh A. Tolstikov. Mechanisms of photoinduced electron transfer reactions of lappaconitine with aromatic amino acids. Time-resolved CIDNP study. Org. Biomol. Chem. 3: 881–885, 2005.