Ukr.Biochem.J. 2013; Том 85, № 6, листопад-грудень, c. 106-128
doi: http://dx.doi.org/10.15407/ubj85.06.106
Каліксаренметиленбіс-фосфонові кислоти як перспективні ефектори біохімічних процесів
С. В. Комісаренко1, С. О. Костерін1, Е. В. Луговськой1, В. І. Кальченко2
1Інститут біохімії ім. О.В.Палладіна НАН Україны, Київ;
e-mail: kinet@biochem.kiev.ua;
2Інститут органічної хімії НАН України, Київ;
e-mail: vik@ioch.kiev.ua
Ця робота – результат міждисциплінарного дослідження, виконаного спільно співробітниками Інституту біохімії ім. О. В. Палладіна та Інституту органічної хімії НАН України і присвячена аналізу дії деяких каліксаренметиленбісфосфонових кислот (циклічних олігомерів фенолів) на два добре відомих біохімічних процеси: Mg2+-залежний ензиматичний гідроліз АТР (що каталізується субфрагментом 1 міозину міометрія) та на полімерізацию фібрину.
Молекула калікс[4]арену С-97 має макроциклічну структуру, містить внутрішньомолекулярну ліпофільну «чашу», яка сформована з чотирьох ароматичних циклів, один з яких на верхньому вінці містить метиленбісфосфонову групу. Зазначений каліксарен, використаний в концентрації 100 мкМ, ефективно інгібує АТРазну активність субфрагмента-1 міозина міометрія (коефіцієнт інгібування І0,5 = 83 ± 7 мкM). У той же час цей каліксарен спричинює істотне (щодо контрольного значення) збільшення величини гідродинамічного діаметра молекули субфрагмента-1, що опосередковано вказує на утворення міжмолекулярного комплексу між каліксареном та голівкою міозину. Результати комп’ютерного моделювання, які було проведено із використанням технології докінгу та методів молекулярної динаміки, вказують на те, що у стабілізації зазначеного молекулярного комплексу істотне місце належить гідрофобним, електростатичним та π-π-стекінг взаємодіям. Одержані результати, із урахуванням низької токсичності каліксаренів та їхньої здатності проникати в клітини, можуть бути перспективними для подальшої розбудови високоефективних регуляторів (на рівні АТР-залежної взаємодії актину та міозину) скоротливої активності гладеньких м’язів.
Досліджено вплив на полімеризацію фібрину калікс[4]аренів, які містять два або чотири метиленбісфосфонові групи на верхньому вінці макроциклу. Найпотужнішим інгібітором виявився калікс[4]арентетрабіс-метиленбісфосфонова кислота (C-192). Максимальна швидкість полімеризації фібрину в системі фібриноген+тромбін зменшувалась на 50% за концентрації каліксарену 0,52·10-6 М (IC50), при цьому молярне співвідношення каліксарену до фібриногену дорівнює 1,7 : 1. У разі полімеризації фібрину desAB, IC50 становить 1,26·10-6 М, у той же час молярне співвідношення C-192 до мономерного фібрину дорівнює 4 : 1. Дипропоксикалікс[4]-аренбісметиленбісфосфонова кислота (C 98) інгібувала полімеризацію фібрину desAB з IC50 = 1,31·10-4 М. Ми припустили, що С-192 блокує полімеризацію фібрину шляхом зв’язування із сайтом полімеризації «А» (Aa17 19), який ініціює формування протофібрил за рахунок «knob-hole» взаємодій. Це припущення підтверджено за допомогою методу ВЕРХ, який показав утворення комплексу включення за типом «гість-господар» C-192 із синтетичним пептидом Gly-Pro-Arg-Pro, аналогом сайту «A». Подальше підтвердження того, що каліксарен С-192 діє на початкову стадію полімеризації фібрину одержано за допомогою електронного мікроскопа. Встановлено, що в присутності каліксарену в середовищі реакції не формуються навіть протофібрили. Каліксарен С-192 вдвічі збільшував, як протромбіновий час, так і активований частково тромбопластиновий час у нормальній плазмі крові людини за концентрації 7,13·10-5 і 1,10·10-5 M відповідно. Ці експерименти показують, що С-192 є специфічним інгібітором полімеризації фібрину та зсідання крові і може бути використаний для розробки нового класу антитромботичних препаратів.
Ключові слова: інгібування, активність АТРази, докінг, каліксарени, метиленбісфосфонова кислота, полімеризація фібрину, фібрин, фібриноген
Посилання:
- Gutsche CD. Calixarenes: an introduction, monographs in supramolecular chemistry. Royal Society of Chemistry. Cambridge, 2008.
- Calixarenes 2001. Asfari M.-Z., Böhmer V., Harrowfield J., Vicens J. (eds.). Kluwer Academic Publishers. Dordrecht, 2001.
- Calixarenes for Separations. Lumetta G. J., Rogers R. D., Gopalan A.S. (eds). American Chemical Society. Washington, 2000.
- Calixarenes in the Nanoworld. Vicens J., Harrowfield J. (eds). Springer. Dordrecht. The Netherlands, 2007.
- Da Silva E, Lazar AN, Coleman AW. Biopharmaceutical applications of calixarenes. J Drug Sci Tech. 2004;14(1):3-20. CrossRef
- Rodik RV, Boyko VI, Kalchenko VI. Calixarenes in bio-medical researches. Curr Med Chem. 2009;16(13):1630-55. Review. PubMed
- Weinstein RS, Roberson PK, Manolagas SC. Giant osteoclast formation and long-term oral bisphosphonate therapy. N Engl J Med. 2009 Jan 1;360(1):53-62. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
- Gnant M, Mlineritsch B, Schippinger W, Luschin-Ebengreuth G, Pöstlberger S, Menzel C, Jakesz R, Seifert M, Hubalek M, Bjelic-Radisic V, Samonigg H, Tausch C, Eidtmann H, Steger G, Kwasny W, Dubsky P, Fridrik M, Fitzal F, Stierer M, Rücklinger E, Greil R; ABCSG-12 Trial Investigators, Marth C. Endocrine therapy plus zoledronic acid in premenopausal breast cancer. N Engl J Med. 2009 Feb 12;360(7):679-91. PubMed, CrossRef
- Gulaya NM, Komisarenko SV. Inorganic pyrophosphate, its structural analogues and inorganic pyrophosphatase. Uspekhi Biol. Khimii. 1982;22:195-213.
- Komisarenko SV, Karlova NP, Kolesnikova IN. et al. Chemistry and biology of immunoregulators: [Collected papers] / Acad. Sci. Latv. SSR, Inst. org. Synthesis; [Editorial board: G. I. Chipens (editor-in-chief) et al.]. Riga: Zinante, 1985. P. 237-252.
- Komisarenko SV, Gulaya NM, Borisenro АМ, Veller ОS. Diphosphonate analogues of pyrophosphate and inorganic pyrophosphatase in mice. Dopov Akad Nauk Ukr SSR. 1979; (7):563-566.
- Komissarenko SV, Kolesnikova IN, Fomovskaia GN. The influence of diphosphonic analogues of inorganic pyrophosphate on reactions catalyzed by DNA-dependent RNA-polymerase II. Ukr Biokhim Zhurn. 1985 Mar-Apr;57(2):62-6. Russian. PubMed
- Komissarenko SV, Fomovskaia GN, Kolesnikova IN, Tarusova NB, Borisevich AN. The influence of diphosphonic analogues of inorganic pyrophosphate on activity of RNA-polymerases from the calf thymus. Ukr Biokhim Zhurn. 1985 Mar-Apr;57(2):56-62. Russian. PubMed
- Fomovskaya GN, Komissarenko SV. Kinetics of the interaction of methylene diphosphonic acid and inorganic pyrophosphate with DNA-dependent RNA-polymerase from calf thymus. Biokhimiia. 1985 May;50(5):839-43. Russian. PubMed
- Gaivoronskaya GG, Komissarenko SV. Effect of diphosphonic acids on alkaline phosphatase activity. Ukr Biokhim Zhurn. 1983 Jul-Aug;55(4):403-7. Russian. PubMed
- Smirnova IN, Kudryavtseva NA, Komissarenko SV, Tarusova NB, Baykov AA. Diphosphonates are potent inhibitors of mammalian inorganic pyrophosphatase. Arch Biochem Biophys. 1988 Nov 15;267(1):280-4. PubMed, CrossRef
- Karlova NP, Komissarenko SV. Вплив метилендифосфонової кислоти на морфологію лімфоїдних органів. Dopov Akad Nauk Ukr SSR. 1981;(5):68-70.
- Gulaia NM, Bogomolets EO, Karlova NP, Komissarenko SV. Effect of methylene diphosphonic acid on certain processes in animal tissues. Farmakol Toksikol. 1980 Mar-Apr;43(2):192-5. Russian. PubMed
- Gaivoronskaya GG, Strelchuk SI, Komissarenko SV. Mutagenic and antimutagenic effects of diphosphonic acids. Tsitol Genet. 1981;15(5):41-45.
- Fomovskaya GN, Komissarenko SV. Chemistry of tumors in USSR. Materials of ІІІ All-Union meeting «Actual problems of experimental chemotherapy of tumors», Chernogolovka, November, 1987; Issue 48: 14-16.
- Sharykina NI, Kudriavtseva IG, Komissarenko SV, Karlova NP. Chemistry of tumors in USSR. Materials of ІІІ All-Union meeting «Actual problems of experimental chemotherapy of tumors», Chernogolovka, November, 1987; Issue 48: 12-13.
- Curry JD, Nicholson DA, Quimby OT. Top Phosphorus Chem. 1972;7:37-102.
- Vovk AI, Kalchenko VI, Cherenok SA, Kukhar VP, Muzychka OV, Lozynsky MO. Calix[4]arene methylenebisphosphonic acids as calf intestine alkaline phosphatase inhibitors. Org Biomol Chem. 2004 Nov 7;2(21):3162-6. PubMed, CrossRef
- Lugovskoy EV, Gritsenko PG, Koshel TA, Koliesnik IO, Cherenok SO, Kalchenko OI, Kalchenko VI, Komisarenko SV. Calix[4]arene methylenebisphosphonic acids as inhibitors of fibrin polymerization. FEBS J. 2011 Apr;278(8):1244-51. PubMed, CrossRef
- Khataee HR, Khataee AR. Applications of molecular motors in intelligent nanosystems. Digest J Nanomater Biostruct. 2009;4:613-621.
- Burghardt TP, Neff KL, Wieben ED, Ajtai K. Myosin individualized: single nucleotide polymorphisms in energy transduction. BMC Genomics. 2010 Mar 15;11:172. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
- Bárány M., Bárány K. Biochemistry of Smooth Muscle Contraction. Ed. Bárány M. Chicago: Academic Press, 1996. 418 p.
- Kaliman I, Grigorenko B, Shadrina M, Nemukhin A. Opening the Arg-Glu salt bridge in myosin: computational study. Phys Chem Chem Phys. 2009 Jun 28;11(24):4804-7.
PubMed, CrossRef - Popov ЕМ, Demin VV, Shibanova ED. Problem of protein. – 2: Three-dimensional structure of protein. Edited by T. I. Sorokina. М: Nauka, 1996. 480 p.
- Levitsky DI. Actomyosin systems of biological motility. Biochemistry (Mosc). 2004 Nov;69(11):1177-89. Review. PubMed
- Bevza AA, Labyntseva RD, Rodik RV, Cherenok SO, Kosterin SO, Kal’chenko VI. Effect of calix[4]arenes on the activity of actomyosin ATPase and actomyosin subfragment-1 ATPase from the myometrium. Ukr Biokhim Zhurn. 2009 Nov-Dec;81(6):49-58. Ukrainian. PubMed
- Bárány M, Bárány K, Gaetjens E, Bailin G. Chicken gizzard myosin. Arch Biochem Biophys. 1966 Jan;113(1):205-22. PubMed
- Weber A. The ultracentrifugal separation of L-myosin and actin in an actomyosin sol under the influence of ATP. Biochim Biophys Acta. 1956 Feb;19(2):345-51. PubMed
- Weeds AG, Taylor RS. Separation of subfragment-1 isoenzymes from rabbit skeletal muscle myosin. Nature. 1975 Sep 4;257(5521):54-6. PubMed
- Bradford MM. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem. 1976 May 7;72:248-54. PubMed
- Laemmli UK. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4. Nature. 1970 Aug 15;227(5259):680-5. PubMed
- Iwane AH, Kitamura K, Tokunaga M, Yanagida T. Myosin subfragment-1 is fully equipped with factors essential for motor function. Biochem Biophys Res Commun. 1997 Jan 3;230(1):76-80. PubMed
- Chen PS, Toribara TY, Warner H. Microdetermination of phosphorus. Anal Chemistry. 1956 Nov;28(11):1756-58. CrossRef
- Kurganov VI. Allosteric enzymes. М.: Nauka, 1978. 248 p.
- Merkus HG. Particle Size Measurements. Fundamentals, Practice, Quality. Springer, 2009. 533 p.
- Storn RM, Price K. Differential Evolution – A Simple and Efficient Heuristic for Global Optimization over Continuous Spaces. J Glob Optim. 1997;11:341-359. CrossRef
- Case DA, Pearlman DA, Caldwell JW. et al. AMBER 7. University of California, San Francisco, 2002. 318 p.
- Berman HM, Westbrook J, Feng Z, Gilliland G, Bhat TN, Weissig H, Shindyalov IN, Bourne PE. The Protein Data Bank. Nucleic Acids Res. 2000 Jan 1;28(1):235-42. PubMed, PubMedCentral
- Van Der Spoel D, Lindahl E, Hess B, Groenhof G, Mark AE, Berendsen HJ. GROMACS: fast, flexible, and free. J Comput Chem. 2005 Dec;26(16):1701-18. PubMed
- Allen MP, Tildesley DJ. Computer Simulation of Liquids. Oxford: Clarendon Press, 2002. 385 р.
- Li L, Jose J, Xiang Y, Kuhn RJ, Rossmann MG. Structural changes of envelope proteins during alphavirus fusion. Nature. 2010 Dec 2;468(7324):705-8. PubMed, PubMedCentral, CrossRef
- Korostylev PP. Preparing solutions for chemico-analytical researches. Publishers Acad. Sci USSR, 1964. 310 p.
- Burgess SA, Yu S, Walker ML, Hawkins RJ, Chalovich JM, Knight PJ. Structures of smooth muscle myosin and heavy meromyosin in the folded, shutdown state. J Mol Biol. 2007 Oct 5;372(5):1165-78. PubMed
- Proteins and Cell Regulation. Myosins. A Superfamily of Molecular Motors. Ed. Coluccio L. M. Watertown, MA, USA: Springer, 2008; 7: 467 р.
- Babu GJ, Warshaw DM, Periasamy M. Smooth muscle myosin heavy chain isoforms and their role in muscle physiology. Microsc Res Tech. 2000 Sep 15;50(6):532-40. Review. PubMed
- Burgess SA, Yu S, Walker ML, Hawkins RJ, Chalovich JM, Knight PJ. Structures of smooth muscle myosin and heavy meromyosin in the folded, shutdown state. J Mol Biol. 2007 Oct 5;372(5):1165-78. PubMed
- Veklich TO, Kosterin SO, Rodik RV, Cherenok SO, Boнko VI, Kalchenko VI. Effect of calixarene-phosphonic acid on Na+, K+-ATPase activity in plasma membranes of the smooth-muscle cells. Ukr Biokhim Zhurn. 2006 Jan-Feb;78(1):70-86. Ukrainian. PubMed
- Cherenok SO, Yuschenko OA, Gritsenko PG, Lugovskoy EV, Koshel TA, Chernishov VI, Koliesnik IO, Kalchenko OI, Komisarenko SV, Kalchenko VI. Synthesis of calixarene-methylenebisphosphonic acids and their influence on fibrin polymerization. Phosphorus Sulfur Silicon Relat Elem. 2011;186(4):964-965. CrossRef
- Blombäck B. Fibrinogen and fibrin–proteins with complex roles in hemostasis and thrombosis. Thromb Res. 1996 Jul 1;83(1):1-75. Review. PubMed
- Laudano AP, Doolittle RF. Synthetic peptide derivatives that bind to fibrinogen and prevent the polymerization of fibrin monomers. Proc Natl Acad Sci USA. 1978 Jul;75(7):3085-9. PubMed, PubMedCentral
- Fowler WE, Hantgan RR, Hermans J, Erickson HP. Structure of the fibrin protofibril. Proc Natl Acad Sci USA. 1981 Aug;78(8):4872-6. PubMed, PubMedCentral
- Weisel JW, Veklich Y, Gorkun O. The sequence of cleavage of fibrinopeptides from fibrinogen is important for protofibril formation and enhancement of lateral aggregation in fibrin clots. J Mol Biol. 1993 Jul 5;232(1):285-97. PubMed
- Weisel JW. Fibrin assembly. Lateral aggregation and the role of the two pairs of fibrinopeptides. Biophys J. 1986 Dec;50(6):1079-93. PubMed, PubMedCentral
- Spraggon G, Everse SJ, Doolittle RF. Crystal structures of fragment D from human fibrinogen and its crosslinked counterpart from fibrin. Nature. 1997 Oct 2;389(6650):455-62. PubMed
- Varetskaya TV. Microheterogeneity of fibrinogen. Cryofibrinogen. Ukr Biokhim Zhurn. 1960;XXXII(1):13-24.
- Belitser VA, Varetskaja TV, Malneva GV. Fibrinogen-fibrin interaction. Biochim Biophys Acta. 1968 Feb 19;154(2):367-75. PubMed
- Lugovskoi EV, Makogonenko EM, Chudnovets VS, Derzskaya SG, Gogolinskaya GK, Kolesnikova IN, Bukhanevich AM, Sitak IN, Lyashko ED, Komissarenko SV. The study of fibrin polymerization with monoclonal antibodies. Biomed Sci. 1991;2(3):249-56. PubMed
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.