Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Нейрофизиологическая активность и кристаллическое строение веществ

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Нейрофизиологическая активность и кристаллическое строение веществ"

АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ Інститут фізіології їм.0.0.Богомольця

На правах: рукопису

КЕРЦЕР СЕМЕН ЛЕОНІДОВИЧ .

. УДК 612.82:[615.217+541.6]

НЕЙРОФІЗІОЛОГІЧНА АКТИВНІСТЬ ТА КРИСТАЛІЧНА БУДОВА РЕЧОВИН

03.00.02,- біофізика

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеню кандидата біологічних наук

Науковий керівник:

доктор біол. наук, проф. К.В.БА6В

Київ - 1992

Робота виконана у відділі фізіології слинного мозку Інституту фізіології їм.0.0.Богомольця АН України.

Науковий керівник - доктор біологічних, наук,

дроф.Баєв К.В. . •

. Офіційні опоненти - кандидат біологічних наук

Обухов О.Г. ' •

доктор фізико-математичних наук Тесленко В.І. '

Ведуча організація - Київський державшій університет ,

‘ їм.Т.Г.Шевченка 4 ,

Захист відбудеться . .Сії7).1993р. в "/./¡годин на засіданні спеціалізованої ради Д 016.15.01 при Інституті фізіології їм.0.0.Богомольця АН України за адресою:

252601,Київ, вул.Богомольця,4.

З дисертациєю можна ознайомитись у науковій бібліотеці інституту. • ■

Автореферат разіслано ”^ 1992р.

Вчений секретар спеціалізованої ради доктор біологічних наук

3.0.Сорокіна-Маріна

т

ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ■

Актуальність проблеми. Низкомолекулярні амінокислоти такі як гліцин, гамма-аміномасляна юіслота (ГАМК), /¡-аланін, таурин відіграють важливу роль у функціонуванні центральної нервової системи. Як відомо, воші спроможні активувати амінокислотні рецептори, які керують іонши каналами встроенный в клітинні мембрани. Важливим моментом в- цьому процесі е "розпізнавання"

речовини рецептором. В основі "розпізнавання" закладені особливості хімічної будови речовини.

Загальноприйнятою е точка зору. згідно з якою "розпізнавання" речовини залежить від 11 хімічної брови та залежить від разміщення атомів у молекулі. Однак, відомо, що в деяких випадках, речовини близькі за хімічною будовою, спроможні активувати різні рецептори, 1 навпаки ті ж самі рецептори

V

актівуються істотно відмінними за своею хімічною будовою речовинами. До того ж, звертав на себе увагу той факт, що для активації гліцин та ГАМК-рецепторІв необхіднен зв'язок декількох молекул' агоністу (МШгі еї аі., 1979). Очевидно, що

"розпізнавання" речовини у випадку кооперативної дії залежить не тільки від хімічної будови молекули, але 1 від взаємного

разтошувапня декількох.молекул речовини на поверхні, рецептору. Особливості такого разрозтошувашя молекул у наш час невідомі. Однак, можна припустити, що взаємне зближоня молекул агоніста на поверхні пов'язуючого центру рецептора, їх невеликі розміри та полярність приводять до залежністі взаємної орієнтації молекул на

поверхні рецептора від взаємні орієнтації молекул у кристалі агоністу. .

. На основі вищевикладешюго, цікаво було вивчити

особливості та порівняти кристалічні будови деяких агоністів

амінокислотних рецепторів, 1 співставити підсумки цього - /

порівняння з нейрофізіологічною дією цих агоністів. Розрахунки та порівняння кристалічних структур були проведені для гліцину, таурюїу, р-аланіну, ГАМК 1 мусцимолу.

Мета та задачі дослідження.

Мета роботи. Вивчити зв’язок між. будовою кристалічної структури та нейрофізіологічною дією гліцину, таурина, р-аланіну, ГАМК та мусцимолу.

Основні задачі. 1.Розробити методи порівняння кристалічних •будов. .

2.Порівняти між собою кристалічні структури гліцину, таурина, р-аланіну, ГАМК то мусцимолу.

3.Зіставити підсумки порівняння з нейрофізіологічною ДІЄЮ цих речовин. •

Наукова новина.

У роботі вперше показано зв'язок між біологічною дією гліцину, . таурину, р-аланіну, ГАМК, мусцимолу та будовою кристалічної решітки цих речовин.

Висунуто припущення, що під час кооперативної дії агоніста на рецептор, взаємне розташування молекул на поверхні рецептору залежить від їх розташування у кристалі. .

Запропоновано способи кількісної оцінім подібності кристалічних

з

структур різних речовин.

Теоретична та практичне значення роботи.

Теоретичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони дозволяють глибше зрозуміти механізми дії різних агоністів ка амінокислотні рецептори. На далі розроблені методики можна використовувати для вивчення механізму дії різних речовин на інші типи рецепторів. Практичне значення роботи у тому, що вона відкриває нові можливості для пошуку досі невідомих агоністів та різних лікарських речовин із наперед заданою фізіологічною дією.

Апробація роботи. Основні положення дисертації докладались на семінарі інституту фізіології їм. 0.0.Богомольця АН України, Київ, 1992р. .

Структура та об'єм дисертації. Дісертація складається з вступу, огляду літератури, опису методів разрахунків, результатів розрахунків, обміркування, висновків та списку процитованої літератури. Робота викладена на 111 сторінках машинописного тексту, Ілюстрована 22 малюнками та 4 таблицями, у роботі процитовано 118 літературних джерел.

МЕТОДИКА.

В основі оцінки подібності кристалічних структур покладено два основних принципа: .

' 1.порівняння просторової структури кристалічних комірок.

2.порівняння лінійних відстаней між окремими атомами

г

кристалічної структури.

Усі розрахунки виконано на персональной Э0М по спеціально складеним наші програмам. Мета розрахунків полягала в отриманні кількісної оцінки подібності кристалічних структур гліцину, таурину, ГАМК, р-аланіну, мусцимолу для подальшого зіставлення ступеню подібності цих кристалічних структур Із даними нейрофізЮлогичної активності перерахованих віще речовин.

1.Порівняння просторової будови кристалічних комірок.

Моделювання кристалічної комірки, зводилося до задания координат вісьмох вершин параллелеиіпеда у трьохмірному просторі. Очевидно, що такі координати являють собою лінійні параметри кристалічної комірки, а кути між осями координат - відповідають 11 кутам. Значення . параметрів комірок гліцину, таурину,

ч р-аланіну, ГАМК, мусцимолу відповідали приведенням у роботах /Jonsson, KvlcK, 1972; Okaya, 1966: Parlmola, Pant, 1962; Tomita et al., 19ТЗ/.

Пошук взаємного разташувашя комірок, при якому сума відстаней між її найближчими вершинами була мінімальною, виконувався моделюванням "руху" однієї кристалічної комірки по відношенню до іншої з використанням обертання та трансляції.

. Очевидно, що чим нижче отримане значення опосеренковаяноі відстані між найближчими вузлами.комірок, тім точніше ці комірки "вписуються" одна в другу. По результатам підрахунку будувалось комп&ютерне зображення розташування однієї комірки відносно іншої, що дає можливість візуального бачення проведенних підрахунків.

2.Порівняння лінійних відстаней між окремими атомами в кристалічних структурах.

Використовувались два вида підрахунку відстаней: перший -підрахунок відстоней між атомами азоту та кисню всередені комірок (внутришньокомірчані відстані), другий - відстаней між атомами сусідніх комірок (міжкомірчані відстані).

Гліцин та ГАМК використовувались як еталони; Відстані між атомами в їхніх кристалічних структурах порівнювались з відстанями між. атомами в кристалічних структурах перечислених вище речовш.

Розрахунок внутришньокомірчаних відстаней між атомами,

Внутришньокомірчані відстані між всіми можливими

комбінаціями атомів азоту та кисню в кристалічній комірці речовин

підраховувались по формулі (І).

Sj_2^a2(xrx2)2 + 4 c?(zrz2^ +

+ аЬ(.х1-х2){у1-у2)созті + ac(z1-z2){x1-x2)cosp +

+ bc{z1-z2)(y1-y2)coa<x де а,Ь,с - параметри кристалічної комірки речовини а,0,7 - кути кристалічної комірки x1,y^,z1 - координати атома 1 x2,y2,z2 - координати атома. 2 Відстані підраховувались між атомами азоту та поскільки на них локалізувалися заряди.

Розрахунок міккомірчаних відстаней '

Міжкомірчані відстані від центральної комірки 1 до

комірки 2 підраховувались по формулі (2):

------------------------------------------------------------1 ,

Uj_2=^ а?12 + Ь^її? + с2п2 + albm cosy і аісп созр + Ьтсп cosa(2)

де 1,ш,п - координати комірки 2 відносно комірки 1 цілі значення, які змінюються в межах від -4 до 4 одиниць.

Піскільки комірка являє собою повторюючийся елемент кристалічної структури, то відстані між любою парою аналогічно розташованих атомів в окремих комірках однакові, та як слідує з формули (2), не залежать від координат конкретних атомів, а дорівнюють відстаням між комірками, які в свою чергу, залежать

<1.)

кисню,

від параметрів комірок та їх взаємного розташування.

Наступні підрахунки при порівнянні. внутрішньокомірчаних та міжкомірчаних відстаней виконувались однаково. Проводилось порівнення кожної відстоні, яка мала не більше 3 нм., між атомами та комірками розглядуемих речовин з кожною відстаней розрахованою між аналогічними атомами чи комірками еталонів. Відстані вважались співпавшими, якщо модуль різниці між ними не перевищував точності порівняння, яка рівнялась 0.02 нм.

Результати розрахунків

1 Результати порівняння відстаней між атомами у кристалічних структурах гліцину, таурину, ГАМК, р-аланіну та мусцимолу.

Результати порівняння були представлені у вигляді трьохмірних гістограм. Кожна трійка чисел (х.у.г) відкладена по відповідним осям характеризує результат порівняння пари відстаней. По осі х відкладалась середня величина порівнюваних відстаней. По осі у - модуль їх різниці, характеризуючий точність порівняння, (не більше 0.02 нм), ПО ОСІ 2 - кількість таких порівнянь.

При модулі різниці больше ніж 0.02 нм відстані вважались не збіжними між собою та результат їх порівнення не відображався на гістограмі. ’

На малюнку 1а приведено гістограму відображаючу розподілення збігу внутрішньокомірчаних відстаней у кристалічній структурі

таурину та гліцину між атомами азоту 1 кисню. Аналогічну гістограму для таурину та ГЛМК приведено на малюнку 16. Для зручності співставлений цих гістограм їх відповідні осі виконувались у однаковому масштабі.

При порівнянні цих гістограм звертає на себе увагу, те що висота та кількість стовбчиків на гістограмі 1а значно більша ніж на гістограмі 16. В області 0.4 нм по осі X на гістограмі 1а стовбчики мають особливо велику висоту, в той час як на гістограмі 16 вони повністью відсутні. Це можна трактувати як відсутність збігів відстаней порядку 0.4 нм. між атомами азоту та кисню в кристалічних структурах таурину та ГАМК, в той же час спостерігається значна їх кількість при порівнянні в кристалічних структурах таурину та гліцину.

Далі, порівнюючи гістограми 1а 1 16 слід відмітити, що в області 0.7 нм по осі X стовбчики розташовані ближче до цієї осі на гістограмі 1а, ніж на гістограмі 16, що можна трактувати як більш точніше збігання відстаней при порівнянні їх у структурах таурину та гліцину, ніж при аналогічному порівненні в структурах таурину та ГАМК.

Все це співвідноситься із відомими фактами дії таурину на гліцинові, але не на ГАМК-рецептори.

На малюнку 2а приведено гістограму відображаючу розподілення збігів міжкомірчаних відстаней у кристалічній структурі таурину

-внутрикомірчзних відстаней у кристалічних структурах таурину та

глицину між атомами азоту 1 кисню.

Мал.Ю. Трьохмірна гістограма, яка відображає розподілення збігів внутрикомірчаних відстоней у кристалічних структурах таурину та

ГАМК між атомами азоту 1 кисню. ■

Мал.2а. Трьохмірна гістограма, яка відображає розподілення збігів міжкомірчаних відстоней у кристалічних структурах таурину та

глицину.

Мал.26. Трьохмірна гістограма, яка відображає розподілення збігів міжкомірчаних відстоней у кристалічних структурах таурину та

ГАМК. - '

та гліцину. Аналогічну гістограму для таурину та ГАМК приведено

на малюнку 26. У данному випадку звертае на себе увагу наявність

значної кількості збігів відстаней в області 1.6-1.7 нм на

гістограмі 2а та меньша кількість таких збігів на гістограмі 26.

До того ж. на гістограмі 2а більшість стовбчиків наближується до

осі X, особливо це помітно в області відстані 1.6 нм, що свідчить

про більшу точність та кількість збігів міккомірчаних відстаней І ‘

при порівнянні кристалічних структур таурину з гліцином, ніж таурину з ГАМК.

Це, як і у випадку порівняння внутрішньокомірчаних відстаней, підтвержуе точку зору, що таурин діє на гліцинові, а не на ГАМК-рецептори.

Для кількісної оцінки гістограм використовувався приведений коефіцієнт збігів (КЗ). Введення цього коефіцієнту зв'язано з необхідністю подачі результатів підрахунку у вигляді числа, величину якого можна зіставляти із величиною аналогічно отриманого числового значення, для різних речовин. Розраховувався приведений коефіциент збігів по формулі:

“їв «“

""Р' К„ К

8Э ‘Ч1 К0б

(3)

. де К)а - кількість збігів отримшіне при порівнянні кристалічних структур розглядусмої речовини та еталону.

К89 та - кількість збігів отримана при порівнянні кристалічних структур по відношенню до себе, відповідно еталону

та розглядусмої речовини .

. Ко0 поправочний коефіцієнт, з допомогою якого враховувалися відмінності об'ємів з яких вибирались порівнювані відстані, дорівнював відношенню цих об'ємів один до одного. Для комірок рівного об'єму Коб дорівнює одиниці, в Інших випадках Коб меньше одиниці.

Значенню КЗ рівному 100? відповідає результат порівняння однакових кристалічних структур.

Значення КЗ пар речовин та іх нейрофізіологічну активність показано в таблиці 1.

Найменування зрівнювавмих речовин ' ПриведенниИ коефіцієнт збігів внутріш-ньокомірчаяих відстаней % Приведенний коефіцієнт збігів МІККйМІр-чани* відстаней % Агоністічна дія пар речовин на типи ■ рецепторів

гліцин -таурин ГАМК * таурин 81.4 ■ 16.7 54.9 43.4 глішшові рецептор слабо діферен- ційовані рецептори

гліцин ГАМК 13.3 72.7 слабо діферен- ційовані рецептор

р-аланін таурин 88.1 41.3 гліцинові рецептор

гліцин р-аланін 66.0 30.9 гліцинові рецептор

ГАМК р-аланін . 57.5 18.8 слабо діферен- ційовані рецептор

гліцин мусцимол - 46.0 слабо діферен- ційовані рецептор

ГАМК мусцимол - 64.7 ГАМК-рецептори

Таблица 1. Значення КЗ пар речовин та її нейрофізіологічну активність.

ІЗ

2. Результати порівняння-просторової будови кристалічних комірок гліцину, таурину, ГАМК, мусцимолу. '

Результати для усіх варіантів попарного порівняння просторової будови кристалічних комірок гліцину, таурину, ГАМК,мусцимолу зведено в таблицю 2.

Порівнювані речовини Мінімальна опосередкована відстань між найближчими вершинами комірок, нм.

Гліцин Таурин 0.126

ГАМК Мусцимол 0.113 .

Гліцин Мусцимол 0.142

ГАМК Таурин 0.148 .

Гліцин ГАМК ■ . 0.205

Таурин Мусцимол 0.103

Таблиця 2 Результати порівняння просторової будови

кристалічних комірок гліцину, таурину, ГАМ, '

мусцимолу. " .

Звертзе на себе увагу те, що пари речовин гліцин - таурин,

ГАМК - мусцимол та таурин - мусцимол мають найнизкчі значення

мінімальної опосередкованої відстані, в той час як це значення

для пар речовин гліцин - мусцимол, ГАМК - таурин та гліцин - ГАМК воно значно вище.

ОБМІРКУВАННЯ

Б цій роботі отримано ряд фактів, які дозволяють обміркувати зв'язок між кристалічною структурою та нейрофізіологічною активність» деяких агоністів амінокислотній рецепторів.

Найвищий приведений коефіцієнт збігів мішсомірчшшх відстаней (МКЗ) було отримано при порівнянні кристалічних структур двох найбільш сповсюджвншіх у природі гальмівних, медіаторів - гліцину та ГАМК, дорівнює 72.7%. При цьому відомо, що гліцин та ГАМК активують одні й ті ж рецепторно - канальні комплекси в нейронах ■ спинного мозку міноги, при ще не сформировать незалежних рецепторах для ціх медіаторів.

У вищих тварин мають місце незалежні рецептори, які активуються чі гліцином чл ГАМК. Дійсно, приведений коефіцієнт, збігів ьнутрішньокомірчаних відстаней (ВКЗ) для гліцину та ГАМК виявився найнижчим - 13.3%. Подібна закономірність властива для ГАМК 1 таурину, МКЗ для цих речовин досить великий - 43.4%, в той час як ВКЗ мас низьке значення - 16.7%.

Для ГАМК 1 0-аланіну, теж активуючих слабо диференційовані рецептори, навпаки, МКЗ низький - 18.8%, а ВКС значно вищий -57.5%.

Що стосується речовин, які одночасно діють на диференційовані рецептори, то їхні як ВКС так 1 МКС мають великі

значення. При порівнянні гліцша Із тауріном - 81.4% 1 54.9%

відповідно. '

Припускається, що одним Із критеріїв "розпізнавання" у цьому випадку с одночасно як внутрішньоксмірчані, так 1 міжкомірчані відстані в структурах речовин. З цієї точки зору МКС для пар

гл1цин-/?-аланін (30.9%) та таурин-р-аланін (41.3Ж) еіппий, ніж ГАМК-р-алан1н (18.8%) (таблица 1) добре відповідяють звісному факту дії д-алзніну, глішшу та таурину на одні й тіж гліцинові рецептори. Крім того, БКС у гліцину-р-аланіну (66.05) теж вищий, ніж у ГАМК - ß-аланіну (57.5%).

До того ж, незважаючи на те, що гліцин та (i-аланін належать до різних структурних класів речовин, взаємне розташування

молекул в окремих фрагментах їх структур дуже подібне. Це

відповідає дії р-алпніну на рецептори, чутливі до гліцину. .

Отримані в наших розрахунках дані по порівнянню просторової будови комірок гліцину, таурину, ГАМК, мусцимолу, шляхом "вписування" їх комірок одна в одну, цікаво співставити з нейрлфіпіслогичною активністю цих речовин.

Виявилося, що речові™, діючі на одні й тіж амінокислотні рецептори, зокрема ГАМК мусцимол - на ГАМК-рецептори, гліцин та таурин - на гліцинергічні, мають добре "вписувані" одна в одну кристалічні комірки. В той же час, дві амінокислоти - гліцин та ГАМК, діючи на незалежні рецептори, мають суттєво відмінні одна від одної кристалічні комірки. -

З підрахунків також слідує, що комірки таурину та мусцимолу просторово дуже близькі одна до одної, що не виключає можливості

Існування спільних, 'рецепторів по відношенню до яких, обидві речовини можуть проявляти активність. З цієї точки зору цікавиш с дані про те, що речовина Із властивостями селективного антагоністу таурину - 6-б-амінометил-4Н- 1,2,4-бвнзотиазин -1,1-діоксид аменьшуе деполяризуючу дію як таурину, так 1 мусцимолу на зацні корінні спинного мозку, і при цьому не впливає на дію ГАМК /Гуревич B.C., 1986/.

Можливо, що однією з усмов "розпізнавання" речовини рецептором, поряд з наявністю у молекулі речовини активних фрагментів, в залежна від просторової будови комірок періодичність кристалічної решітки цієї речовини.

ВИСНОВКИ.

1. При порівнянні кристалічних комірок гліцину та таурину -діючих на діференційований гліцшювий рецептор отримано велику кількість збігів внутрішньокомірчаних та міккомірчаних відстаней між атомами азоту та кисню.

2. Показано, що лінійні параметри кристалічних комірок гліцину та таурину, діючих на гліщшові рецептори, а також ГАМК та мусцимолу, діючих на ГАМК-рецегітори, більш близькі між собою, ніж у гліцину та ГАМК, діючих на різні типи рецепторів.

3. Відмічено, що для гліцину та ГАМК, таурину та ГАМК, р-аланіну та ГАМК - пар речовин спільно діючих на слабо диференційовані

рецептори, міжкомірчані, або внутрішньокомірчані відстані збігаються рідше, ніж у речовин, діючих на диференційовані рецептори - гліцину та таурину, гліцина та р-аланіну.

4. Співставленням кристалічної структури двох відомих агоністів гліцинових рецепторів - гліцину та р-аланіну 'показано, шо незважаючи на належність цих речовин до різішх структурних класів виявляється значна подібність взаємного разташування іх молекул в кристалічних фрагментах.

Список основних робот по темі дисертації.

1.,Керцер С.Л., Баев К.В. Зв'язок між будовою кристалічної решітки та біологічною дісю деяких агоністів амінокислотних рецепторів // Нейрофізіологія.- 1992.- 24, N1.-С.51-57. ' '

2. Керцер С.Л. Просторова подібність кристалічних комірок деяких агоністів амінокислотних рецепторів та біологічна дія цих речовин // Нейрофізіологія.

-1992.- 24, N4 , сЦП-мо ■

Поди, к по. S. /А ■ SA. ФорматБумага/««^

Печ. офс. Уел. печ, л. 0,93 Уч.-изд. л. А 66 Тираж tco.

3ак.и-З?'# . :

Кмсрскоя книжная типография научной книги. Киев, Репина, 4.