Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Управление образования администрации спорта и туризма Первомайского района г.Минска
Государственное учреждение образования «Гимназия №38 г. Минска»
Анализ спектра
биологической активности некоторых танинов в программном пакете
PASS online 2.0
Секция: биология
Автор:
Карпенко Антон Михайлович,
гимназия №38г. Минска,
учащийся 11 «А» класса
ул. Шугаева д3 к.4 кв.6
тел. 260-50-00
Научный руководитель:
Иванов Олег Александрович
ГНУ «Институт экспериментальной ботаники имени В.Ф. Купревича
НАН Беларуси».
научный сотрудник сектора метаболизма и функций белков растений, кандидат биологических наук
Минск, 2013
Содержание
ПРОГРАММЫ PASS 2.0……………………………….....….………12
В настоящее время наличие большого количества баз данных, хранящих в открытом доступе информацию о последовательностях ДНК, структур белков, многомиллионных библиотек химических соединений, привело к появлению новой, цифровой биологии. Сегодня ученые могут совершать открытия, ни разу не прикоснувшись к пипетке и не проведя ни одного эксперимента. Наиболее значимыми областями приложения биологических исследований с использованием компьютерных технологий являются, в первую очередь, биомедицинские исследования, направленные на быстрое и эффективное выявление молекулярных механизмов заболеваний, исследования в области создания новых лекарственных препаратов, исследования в области экологии человека, животных и растений. Инструментальными методам решения задач, поставляемых в приведенных областях, являются методы биоинформатики – комплексной научной дисциплины на стыке биологии, информатики и математики. Множество программных продуктов в рамках биоинформатики позволяет быстро находить ответы на многие вопросы и задача исследователя в этом случае заключается, в первую очередь, в умении правильно ставить такие вопросы и анализировать массивы выходных данных.
Усилия разработчиков программного обеспечения для нужд биологии и медицины в значительной степени направлены на создание таких программных продуктов, при помощи которых с высокой точностью и надежностью можно описывать, моделировать и прогнозировать события на молекулярном уровне, происходящие в живой клетке. Важность компьютерного моделирования здесь объясняется с одной стороны невероятной актуальностью исследования молекулярных механизмов жизни организма, на основе чего создаются высокоэффективные лекарства с низким уровнем побочных эффектов (таргетная терапия). С другой стороны, подобные исследования были и остаются ресурсоемкими в плане финансовых и временных затрат. И здесь крайне важно сократить расходы по крайней мере на начальном (и часто – самом затратном) этапе исследований – массовом скрининге различных химических веществ на предмет определенной биологической активности. Хорошо себя зарекомендовал здесь такой метод компьютерного моделирования как молекулярный докинг. При помощи данного метода можно в виртуальной среде сначала спроектировать химическое соединение, которое будет максимально эффективным по отношению к биологической мишени, а только затем его синтезировать и испытать в лабораторных опытах.
Еще одним мощным комплексом методов компьютерного моделирования биологической активности химических соединений являются методы на основе Байесовской вероятности. Пожалуй, единственным программным продуктом, способным сегодня прогнозировать целый спектр биологических активностей уже известных химических соединений, является пакет PASS, доступный как в online режиме в свободном доступе (анализ 4000 видов биологической активности для данного соединения), так и в виде постоянно обновляемой лицензионной версии, для которой доступен анализ более 65 000 видов биологической активности для конкретного соединения.
Нами при помощи PASS online проведено прогнозирование спектра биологической активности танинов (или дубильных веществ). – обширной по химической структуре, набору биологических эффектов и широко распространенной в растениях группы соединений. Выбор танинов в качестве объектов анализа обусловлен разнообразием их молекулярных структур (от простых до разветвленных) и известной биологической активностью, которая отличается для различных групп танинов. Наконец, немаловажным фактором в пользу выбора танинов стало их широкое распространение, а часто и значительное содержание в растениях и пищевых продуктах.
Таким образом, целью данной работы являлось компьютерное прогнозирование спектра биологической активности ряда наиболее широко распространенных танинов.
Танины (дубильные вещества) – сложные высокомолекулярные природные растительные фенольные соединения, способные осаждать белки и алкалоиды и дубить невыделанную шкуру животных, превращая ее в прочный, неподдающийся гниению продукт – кожу. Термин «танины» происходит от латино-кельтского обозначения дуба – «тан» – и широко распространен в научной литературе.
Способность этих веществ «дубить» белки шкур животных, делать их непроницаемыми для воды и устойчивыми к микробному гниению основана на их свойстве взаимодействовать с коллагеном, приводящим к образованию стойких полимерных структур. Дубление – сложный физико-химический процесс, связанный с возникновением водородных, ковалентных и электровалентных связей между молекулами коллагена и фенольными группами дубильных веществ.
Дубящими свойствами обладают только многоядерные фенолы, содержащие более одной ОН-группы. Это крупные фенольные молекулы с молекулярной массой от 300 до 500 и иногда до 20000. Фенолы одноядерные и не содержащие многочисленных ОН-групп лишь адсорбируются на белках, но не могут образовать перекрестные связи между собой и белковыми группами, «сшивать» мономерные белковые группы. Они в той или иной степени инактивируют ферментные белки, но не вызывают фенол-белковых сцепок в коллагене – основном белковом компоненте шкур. Поэтому низкомолекулярные фенолы имеют лишь вяжущий вкус, их еще называют пищевыми (чайными) танинами.
Первая попытка классификации танинов была предпринята шведским химиком И. Берцелиусом, который разделил эти вещества на две группы по их способности давать с солями Fe (III) черные соединения зеленоватого или синеватого оттенка. Впоследствии эта простая классификация танинов легла в основу более точной научной классификации, предложенной К. Фрейденбергом. Он стал делить танины в зависимости от их способности гидролизоваться под действием кислот (или ферментов) на две группы:
1) гидролизуемые танины:
2) негидролизуемые (конденсированные) танины, или флобафены, которые подразделяют на производные:
Галлотанины – сложные эфиры гексоз (обычно D-глюкозы) и галловой кислоты. В глюкозе имеется пять ОН-групп, благодаря которым могут образовываться моно-, ди-, три-, тетра-, пента- и полигаллоильные эфиры. Представителем группы полигаллоильных эфиров является китайский таннин, который получают из листьев и образующихся на них наростов (галлов) сумаха полукрылатого (Rhus semialata Murr.). Представителем многогаллоильных эфиров является β-D-глюкогаллин, выделенный из корня ревеня и листьев эвкалипта.
Эллаготаннины – эфиры D-глюкозы и гексадифеноловой, хебуловой и других кислот, образующихся вместе c эллаговой кислотой. Эллаготаннины найдены в коре плодов граната, кожуре грецкого ореха, коре дуба, соплодиях ольхи. В растениях присутствует обычно не эллаговая, а гексагидроксидифеновая кислота.
При кислотном гидролизе дубильных веществ эта кислота превращается в дилактон – эллаговую кислоту.
Депсиды представляют собой эфиры галловой кислоты с хинной, хлорогеновой, кофейной, гидроксикоричной кислотами, а также флаванами. Эфиры галловой кислоты и катехинов находятся в листьях чая. Из листьев зеленого чая выделен теогаллин.
китайский таннин галловая кислота
(маллотузиновая кислота)
теогалин
Преимущественно гидролизуемые дубильные вещества содержат такие растения, как дуб черещатый, гранат, зеленый чай, персик, черника, скумпия кожевенная, сумах дубильный, горец змеиный, бадан толстолистный, кровохлебка лекарственная, ольха черная и ольха серая.
Представляют собой олигомеры и полимеры катехинов, лейкоантоцианидинов и гидроксистильбенов, где звенья связаны друг с другом прочными углерод-углеродными связями в положениях С2–С6, С2–С8, С4–С8, С5–С2. Кроме того, они никогда не содержат остатков сахара.
При образовании конденсированных танинов разрывается пирановое кольцо катехина (лейкоантоцианидина) и С2-атом соединяется С–С-связью с С6 атомом другой молекулы катехина (лейкоантоцианидина). Конденсированные танины не распадаются под действием кислот; наоборот, они имеют тенденцию из олигомеров превращаться в более длинные полимеры (полимеризация в кислоте) с образованием аморфных, часто окрашенных в красный цвет соединений – флобафенов. Образование конденсированных танинов происходит в живом растении в процессе биосинтеза и после его смерти – при технологической обработке древесины.
Образование конденсированных дубильных веществ из мономеров
По физико-химическим свойствам танины представляют собой аморфные соединения желтоватого или бурого цвета.
Природные танины имеют среднюю молекулярную массу 500–5000, но отдельные соединения – до 20 000. При нагревании до 180–200 ºС танины (не плавясь) обугливаются, выделяя пирогаллол или пирокатехин. Растворяются во многих органических растворителях (ацетон, этанол, этилацетат, пиридин), но не в хлороформе, петролейном эфире, бензоле. Также хорошо растворимы в горячей воде. При растворении в воде дают коллоидные растворы слабокислой реакции. С солями тяжелых металлов образуют окрашенные комплексы. Осаждаются растворами аминокислот, белков, алкалоидов. Многие танины – оптически активные соединения. Обладают вяжущим вкусом. Легко окисляются на воздухе, приобретая красно-бурую окраску, иногда темно-коричневую. Присутствие гидроксидов щелочных металлов сильно ускоряет процесс окисления дубильных веществ. Гидролизуемые танины под действием кислот или ферментов распадаются на органические кислоты и глюкозу.
Танины – это смесь различных полифенолов, имеющих сложную структуру, очень лабильных, поэтому выделение и анализ отдельных компонентов танинов представляет большие трудности. Для получения суммы танинов растительное сырье экстрагируют горячей водой, охлаждают, а затем экстракт обрабатывают последовательно: 1) петролейным эфиром или бензолом (для очистки от хлорофилла, терпеноидов, липидов); 2) диэтиловым эфиром, который извлекает катехины, оксикоричные кислоты и другие фенольные соединения; 3) этилацетатом, в который переходят лейкоантоцианидины, эфиры оксикоричной кислоты и др. Оставшееся водное извлечение с танинами и другими фенольными соединениями и фракциями 2 и 3 (диэтилового эфира и этилацетата) разделяют на индивидуальные компоненты с помощью различных видов хроматографии. Используют:
Идентификация индивидуальных танинов основана на сравнении Rf в хроматографических методах (на бумаге, в тонком слое сорбента), спектральных исследованиях, качественных реакциях и изучении продуктов расщепления (для гидролизуемых танинов).
Качественные реакции определения танинов можно разделить на две группы:
1) общие (осаждения) – для обнаружения присутствия танинов;
2) групповые (цветные) – для установления принадлежности танинов к определенной группе.
Прежде всего для проведения качественных реакций готовят водное извлечение танинов из растительного сырья.
Танины обнаруживают, используя следующие реакции:
Классификацию танинов проводят с помощью следующих реакций:
Танины широко распространены в растительном мире. Они встречаются в грибах, водорослях, папоротниках, хвощах, мхах, плаунах, у высших растений (покрыто и голосеменных). Многие хвойные накапливают достаточно большое количество танинов. Максимальное их накопление обнаружено у отдельных представителей двудольных растений, тогда как у однодольных оно отмечено лишь у некоторых семейств. Низкое содержание танинов у злаков. У двудольных некоторые семейства (например, Розоцветные (Rosáles), Гречишные (Polygonáceae), Бобовые (Fabáceae), Ивовые (Salicaceae), Сумаховые (Anacardiáceae), Буковые (Fagáceae), Вересковые(Ericaceae)) насчитывают многие роды и виды, где содержание танинов доходит до 20–30% и более. Наивысшее содержание танинов выявлено в патологических образованиях – галлах (до 60–80%). Древесные формы богаче танинами, чем травянистые. Танины неравномерно распределены по органам и тканям растений. Они накапливаются главным образом в коре и древесине деревьев и кустарников, а также в подземных частях травянистых многолетников; зеленые части растений значительно беднее танинами. В частности, танины накапливаются:
Танины аккумулируются в вакуолях, а при старении клеток адсорбируются на клеточных стенках. Чаще всего в растениях встречается смесь гидролизуемых и конденсированных танинов с преобладанием соединений той или иной группы.
Содержание танинов в растениях изменяется в зависимости от периода вегетации и возраста растений. Их накопление одновременно сопровождается резким увеличением массы корневых систем. С возрастом растений количество танинов в них уменьшается. Период вегетации влияет не только на количественный, но и на качественный состав танинов.
Растущие на солнце растения накапливают больше танинов, чем растущие в тени (так, в тропических растениях их образуется значительно больше, чем в растениях умеренных широт). На содержание танинов в растениях влияет также высота над уровнем моря, время года — особенно в областях с резко выраженной сезонностью климата. Содержание танинов зависит как от климатических, почвенных, так и от генетических (наследственных) факторов растения.
Установлено, что большинство танинов в листьях находится в клетках паренхимы, окружающих жилку, т. е. танины образуются в листьях и оттуда проходят в клетки флоэмы проводящих пучков, по которым разносятся по всему растению. Обладая бактерицидными свойствами (благодаря своей фенольной природе), они препятствуют гниению древесины и являются веществами, защищающими растения от вредителей и возбудителей заболеваний. Танины также участвуют в процессах метаболизма растений.
Они откладываются как запасные продукты, которые могут использоваться затем при весеннем пробуждении и нарастании вегетативных органов.
Танины и содержащие их лекарственные растения применяют в основном в качестве вяжущих, противовоспалительных и кровоостанавливающих средств.
Растворы танинов связываются с белками кожи, образуя непроницаемую для воды пленку. На этом основано их медицинское применение в виде вяжущих средств, так как образующаяся на слизистых оболочках пленка препятствует дальнейшему воспалению, а нанесенные на рану, они свертывают кровь и поэтому действуют как местные кровоостанавливающие средства. Свойство образования пленки на языке обусловливает характерный вяжущий вкус дубильных веществ.
Танинсодержащее лекарственные растения используют для получения настоев, настоек, отваров, экстрактов, применяемых наружно и внутрь:
а также в качестве:
Показано, что большие дозы танинов оказывают противоопухолевое действие, средние − радиосенсибилизирующее, малые − противолучевое.
Широкое применение танинов находят также в кожевенной, коньячной и пищевой промышленности.
Спектр биологической активности любого химического соединения представляет собой комплекс фармакологических эффектов, физиологических и биохимических механизмов действия, а так же его токсичности (мутагенности, канцерогенности, тератогенности, эмбриотоксичности), которые могут быть получены при взаимодействии соединения с компонентами биологической системы. Биологическая активность соединения зависит от особенностей его структуры, физико-химических свойств. Любой биологически активное соединение обладает широким спектром различных активностей. Некоторые из них полезны при лечении определенных заболеваний, но другие являются причиной возникновения побочных эффектов.
Большинство известных биологически активных соединений обладают набором свойств (дескрипторов), которые позволяют им проявлять множество видов биологической активности.
Подход, используемый в PASS (рисунок 1, http://www.pharmaexpert.ru/passonline/index.php) для прогнозирования биологической активности того или иного химического соединения, основан на предположении, что Активность = Структура, а структура соединения, в свою очередь, описывается ее отдельными функциональными элементами (дескрипторами) – радикалами, функциональными группами атомов.
Рисунок 1. Главная страница программы PASS online 2.0
В основе математического алгоритма, на котором основывается такой подход, лежат принципы Байесовской вероятности, описываемом уравнениями вида:
и
Таким образом, сравнивая структуру нового соединения со структурами известного биологически активного вещества можно оценить, обладает ли новое соединение определенными эффектами. То есть в основу работы PASS положены те же принципы, что и в основу работы химиков-фармацевтов, когда они конструируют новые лекарственные соединения. Сравнение нового (анализируемого) соединения с соединениями с известным спектром биологической активности происходит на основе обучающей выборки – библиотеки химических соединений, включающей более 200 тысяч веществ. При этом PASS online 2.0 способна предсказать более 4 тысяч видов биологической активности. Сравнение нового соединения с соединениями из такой большой библиотекой позволяет программе PASS прогнозировать его биологическую активность с вероятностью не ниже 85%. Необходимо отметить однако, что PASS не предсказывает биологические активности соединения in situ, а лишь указывает на вероятность наличия у соединения определенной биологической активности от 0 (активность отсутствует) до 1 – вероятность наличия активности 100%.
Наличие активности у анализируемого химического соединения обозначается символом Рa, а отсутствие – символом Pi. Чем выше Рa и ниже Pi для данного типа биологической активности анализируемого соединения, тем более вероятно обнаружить такую активность в эксперименте, например на животных. Спектр биологических активностей для соединения в программе PASS приводится в виде таблицы, построенной в порядке уменьшения Рa и увеличения Pi. То есть чем ниже в таблице располагается данный вид биологической активности для соединения, тем меньше вероятность обнаружить ее экспериментально. При этом считается, что до Рa>0,5 вероятность экспериментального подтверждения предсказанной биологической активности высокая.
В программе PASS online 2.0 существует встроенный графический редактор Marvin applet, предназначенный для изображения химической структуры анализируемого соединения с последующим анализом спектра его биологической активности (рисунок 2).
Рисунок 2. Рабочая зона PASS online 2.0 для создания химических структур
В этом графическом редакторе были построены структурные формулы анализируемых в работе танинов (рисунок 3).
Рисунок 3. Построение структурной формулы исследуемого танина
Спектр биологической активности прогнозировался в PASS online 2.0 с Pa>0,7 (рисунок 4).
.
Рисунок 4. Спрогнозированный спектр биологической активности
Таким образом, в перечень возможных биологических активнотей таннинов попали виды активности, вероятность обнаружения которых в эксперименте расценивается как высокая.
Для танинов описано множество видов биологической активности. При этом часть видов биологической активности для этих соединений уже давно и хорошо известна (танины как вяжущие вещества, антиоксиданты, противомикробные средства, средства остановки кровотечений) [1]. Именно в следствие проявления таких эффектов танины и танинсодержащие лекарственные растения используются в медицине, фитотерапии, в качестве биологически активных добавок (БАВ) к пище. Другие типы биологической активности танинов остаются дискуссионными и в настоящее время. Так, не вполне ясна роль танинов при лечении онкологических заболеваний и заболеваний сердечно-сосудистой системы, по прежнему дискуссируются противовоспалительные эффекты этих соединений, не достаточно сведений об антивирусной и фунгицидной эффективности танинов [2].
Использование виртуальной среды в PASS online 2.0 для прогнозирования вероятного спектра биологических активностей таннинов позволяет как подтвердить уже хорошо известые типы биологической активности, так и уточнить, а местами и существенно расширить представления о потенциале таннинов в качестве фармакологических субстанций природного происхождения. При этом важно, что среда PASS позволяет не только указать возможную биологическую активность, но и определить фермент-мишень или субстрат-мишень, воздействие на которые и формирует биологическую активность исследуемого соединения.
В качестве анализируемых были выбранны гидролизуемые таннины, в наибольшем количестве (в процентном выражении) представленные в наиболее широко используемых пищевых или лекарственных видах растений: чае (листья) (Caméllia sinénsis) – теогалин (рисунок 5); гранате (плоды) (Punica granatum) – корилагин и грандинин (рисунок 6, 8); персике (плоды) (Prúnus pérsica) и дубе (Quércus sp.) (кора) – грандинин и эллаговая кислота (рисунок 7); сумахе (листья, кора) (Rhus sp.) и черемухе обыкновенной (плоды) (Prúnus pádus) - китайский танин (маллотузиновая кислота) (рисунок 9). Отдельно был проанализирован спектр биологической активности галловой кислоты (рисунок 10) – соединения, являющегося структурным элементом практически всех более сложных (конденсированных) танинов.
Теогалин (рисунок 5) в значительных количествах содержится в листьях растений чая. В наибольших количествах этот танин накапливается в молодых (верхушечных) листьях чая, где его содержание может составлять 12-25% от всех экстрагируемых веществ. Вероятно, в листьях чая теогалин выполняет защитную функцию. Многие положительные для здоровья эффекты зеленого чая (сильные антиоксидантые свойства, уменьшение риска развития сердечно-сосудистых заболеваний, кариеса зубов, камней в почках, рака, снижение уровня общего холестерина, жира и вес тела [3]) связывают с высоким содержанием в его листьях дубильных веществ, и в частности теогалина.
Рисунок 5 Теогалин
В PASS online 2.0 нами было продемонстрировано, что для теогалина в спектре возможных биологических активностей действительно характерны такие активности (или ферменты/субстраты-мишени), которые описываю известные эффекты зеленого чая, так и новые типы биологической активности (таблица 1).
Таблица 1. Спектр возможной прогнозируемой биологической активности теогалина
|
Pa |
Pi |
Activity name |
|
0,897 |
0,001 |
Chorismate mutase inhibitor |
|
0,892 |
0,002 |
Antimutagenic |
|
0,843 |
0,016 |
Testosterone 17beta-dehydrogenase (NADP+) inhibitor |
|
0,835 |
0,012 |
Antieczematic |
|
0,830 |
0,009 |
Anaphylatoxin receptor antagonist |
|
0,824 |
0,003 |
Lipid peroxidase inhibitor |
|
0,809 |
0,006 |
Oxidoreductase inhibitor |
|
0,791 |
0,003 |
Antioxidant |
|
0,789 |
0,005 |
Anticarcinogenic |
|
0,778 |
0,003 |
Free radical scavenger |
|
0,766 |
0,016 |
Antineoplastic |
|
0,747 |
0,005 |
Chemopreventive |
|
0,733 |
0,003 |
Protein kinase A inhibitor |
|
0,735 |
0,017 |
HIF1A expression inhibitor |
Примечание:
|
Антибактериальная противовирусная и противогрибковая активность |
|
|
Противоопухолевая активность |
|
|
Метаболизм гормонов |
|
|
Патологии сердечно-сосудистой системы |
|
|
Противоаллергическая активность |
|
|
Антиоксидантная активность |
Так, теогалин описывается как вероятный антиоксидант (Pa=0.791), связывающий свободные радикалы (free radical scavenger). Кроме того, PASS online 2.0 выводит список ферментов-мишеней, подавление активности которых способствует проявлению антиоксидантных свойств (lipid peroxidase inhibitor, oxidoreductase inhibitor). Значительное количество типов возможной биологической активности теогалина касается противоопухолевой активности (данные типы активности выделены зеленым цветом). Так же подтверждены положительные эффекты зеленого чая на состояние сердечно-сосудистой системы (противоишемический эффект теогалина, персиковый цвет выделения). Интересно, что в сформированном спектре активностей прогнозируется с высокой вероятностью обнаружения антибактериальная активность (сhorismate mutase inhibitor, Ра=0,897), а так же типы биологической активности, связанный с регулированием образования мужских и женских половых гормонов (testosterone 17beta-dehydrogenase (NADP+) inhibitor) и антиаллергенным действием (аnaphylatoxin receptor antagonist).
Таким образом, наряду с выявлением уже известных типов биологической активности теогалина (что, кстати, подтверждает надежность работы программы PASS online 2.0), для него выявлено несколько новых вариантов активности, которые нуждаются теперь в экспериментальном подтверждении.
Еще один гидролизуемый танин – корилагин (рисунок 6) – в большом количестве (до 10% от экстрагируемых веществ) содержится в плодах граната, а точнее – в белой мякоти околоплодника граната.
Для корилагина описываются, прежде всего, противоопухолевые эффекты [4].
Рисунок 6. Корилагин
Таблица 2. Спектр возможной прогнозируемой биологической активности корилагина
|
Pa |
Pi |
Activity name |
|
0,938 |
0,001 |
Protein kinase A inhibitor |
|
0,927 |
0,003 |
Antioxidant |
|
0,858 |
0,006 |
Antineoplastic |
|
0,827 |
0,009 |
TP53 expression enhancer |
|
0,794 |
0,004 |
Chemopreventive |
|
0,798 |
0,018 |
CYP2H substrate |
|
0,789 |
0,009 |
Apoptosis agonist |
|
0,787 |
0,013 |
Anaphylatoxin receptor antagonist |
|
0,769 |
0,003 |
Free radical scavenger |
|
0,766 |
0,005 |
Hepatoprotectant |
|
0,762 |
0,027 |
Antieczematic |
|
0,717 |
0,004 |
Beta glucuronidase inhibitor |
Примечание:
|
Противовоспалительная, антибактериальная, противоопухолевая активность |
|
|
Гипатопротекторная активность |
Действительно, результаты прогнозирования спектра биологической активности корилагина (таблица 2) в PASS online 2.0 позволяют предполагать с высокой долей вероятности у него противоопухолевых эффектов, реализуемых через ингибирование протеинкиназы А – важного фактора активации раковых клеток, антинеопластические эффекты, стимуляцию апоптоза, активацию генов, связанных с контролированием деления клеток (TP53 expression enhancer). Кроме того, для корилагина могут быть свойственны антиоксидантные свойства (выделены лиловым цветом, таблица 2), антиаллергенные, противоишемические и гепатопротекторные эффекты, а так же целый спектр активностей (противовоспалительная, антибактериальная, противоопухолевая), связанных с блокированием функционирования важного внутриклеточного фермента β-глюкоронидазы.
Таким образом, корилагин может рассматриваться, как соединение с более широким спектром биологической активности, чем по существующим в настоящее время представлениям.
Мы проанализировали так же возможную биологическую активность эллаговой кислоты (рисунок 7) – одного из самых широко распространенных таннинов многих овощей и фруктов и зарекомендовавшей себя как сильный естественный антиоксидант.
Рисунок 7. Эллаговая кислота
Таблица 3. Спектр возможной прогнозируемой биологической активности эллаговой кислоты
|
Pa |
Pi |
Activity name |
|
0,980 |
0,002 |
HIF1A expression inhibitor |
|
0,907 |
0,001 |
Astringent |
|
0,901 |
0,002 |
Antimutagenic |
|
0,873 |
0,003 |
Complement factor D inhibitor |
|
0,861 |
0,004 |
Peroxidase inhibitor |
|
0,858 |
0,003 |
P-benzoquinone reductase (NADPH) inhibitor |
|
0,856 |
0,005 |
NADPH peroxidase inhibitor |
|
0,849 |
0,004 |
Kinase inhibitor |
|
0,850 |
0,014 |
Testosterone 17beta-dehydrogenase (NADP+) inhibitor |
|
0,823 |
0,008 |
Aldehyde oxidase inhibitor |
|
0,798 |
0,008 |
Apoptosis agonist |
|
0,780 |
0,001 |
HCV IRES inhibitor |
|
0,779 |
0,001 |
Proto-oncogene tyrosine-protein kinase Fgr inhibitor |
|
0,784 |
0,008 |
NADPH-cytochrome-c2 reductase inhibitor |
|
0,786 |
0,012 |
Membrane permeability inhibitor |
|
0,788 |
0,021 |
Antiseborrheic |
|
0,765 |
0,001 |
Thyroxine 5-deiodinase inhibitor |
|
0,768 |
0,011 |
JAK2 expression inhibitor |
|
0,753 |
0,009 |
IgA-specific serine endopeptidase inhibitor |
|
0,748 |
0,010 |
Antiinflammatory |
|
0,739 |
0,004 |
Antioxidant |
|
0,724 |
0,005 |
MAP kinase stimulant |
|
0,707 |
0,003 |
Hemostatic |
Примечание:
|
Вяжущая и кровоостанавливающая активность |
|
|
Противовоспалительная активность |
Как видно из таблицы 3, эллаговая кислота проявляет антиоксидантную активность через ингибирование многих прооксидантных ферментов: пероксидазы, бензохинон-NADPH редуктазы, NADPH пероксидазы, альдегид оксидазы, NADPH-цитохром с редуктазы. Кроме антиоксидантной, для данного соединения так же вероятна противоопухолевая активность (через ингибирование экспрессии протоонкогенов HIF1A, tyrosine-protein kinase Fgr и JAK2; стимулирование апоптоза, антимутагенные эффекты). Примечательно, что для эллаговой кислоты уже получены экспериментальные подтверждения ее способности тормозить деление клеток и запускать программу их самоубийства (апоптоз) [5].
Кроме того, при помощи PASS online 2.0 нами было продемонстрировано, что эллаговая кислота потенциально способна оказывать противовирусное и противогрибковое действие, участвовать в регуляции биосинтеза половых гормонов и гормонов щитовидной железы, может обладать противовоспалительным действием и, наконец, обладает вяжущим и кровеостанавливающим действием (таблица 3). Все эти эффекты имеют значение для того, чтобы провести последующие скрининговые исследования биологической активности эллаговой кислоты в лабораторных условиях.
Кроме гидролизуемых танинов относительно простого строения в растениях со значительно более широким разнообразием синтезируются танины с большим числом функциональных групп – гликозилированных (связанных с остатком сахара) производных галловой, хинной, эллаговой кислот, фуранов и тетрагидрофуранов, тетрагидропиранов.
Одним из таких танинов является эллаготанин грандинин (рисунок 8) – распространенный гликозилированный танин из плодов граната, листьев различных видов дуба, винограда, содержащийся так же в красном и белом вине.
Ранее для грандинина была продемонстрирована противоопухолевая активность в отношении карциномы толстой кишки через подавление фосфорилирования рецептора эпидермального фактора роста [6]. В нашем исследовании продемонстрировано, что подавление фосфорилирования рецептора может осуществляться путем блокирования работы протеинкиназы А – фермента, в зону ответственности которого входит пришивание остатков фосфорной кислоты (фосфорилирование) к какому-либо белку, что активирует или выключает функцию этого белка (таблица 4). Кроме того, противоопухолевые эффекты грандинина могут быть объяснены и другими его свойствами: прямым цитостатическим действием, активацией и подавлением экспрессии генов ТР53 и HIF1A соответственно, активацией апоптоза (таблица 4).
Кроме того, для грандинина в PASS online 2.0 было продемонстрировано возможное наличие гепатопротекторной активности (Ра=0,816), а так же биологической активности, связанной с ускорением обмена жиров в организме (Ра=0,749).
Таким образом, результаты, полученные при прогнозировании биологической активности грандинина в PASS online 2.0 позволяют выявить новые биологические системы-мишени приложения действия этого таннина и сформировать представления о новых типах его биологической активности.
Рисунок 8. Грандинин
Таблица 4. Спектр возможной прогнозируемой биологической активности эллаговой кислоты
|
Pa |
Pi |
Activity name |
|
0,929 |
0,001 |
Protein kinase A inhibitor |
|
0,891 |
0,004 |
Cytostatic |
|
0,881 |
0,006 |
TP53 expression enhancer |
|
0,859 |
0,006 |
Antineoplastic |
|
0,855 |
0,008 |
HIF1A expression inhibitor |
|
0,816 |
0,004 |
Hepatoprotectant |
|
0,792 |
0,009 |
Apoptosis agonist |
|
0,749 |
0,042 |
CDP-glycerol glycerophosphotransferase inhibitor |
Примечание:
|
Метаболизм жира и жирных кислот |
Еще одним гликозилированным эллаготанином является китайский таннин или маллотузиновая кислота (рисунок 7), обнаруженный в листьях и коре деревьев рода Сумах, а так же в плодах черемухи обыкновенной. Этот танин известен и используется довольно давно, но в основном в технических областях деятельности человека – экстракты, обогащенные китайским танином, применялись (а в некоторых странах Азии применяются до сих пор) для дубления кожи, а так же для изготовления черных чернил.
При помощи PASS online 2.0 для китайского танина был спрогнозирован следующий спектр возможной биологической активности: антиоксидантная активность (Ра=0,988), в том числе связанная со связыванием свободных радикалов (Ра=0,734), противоопухолевая активность, реализуемая через проявление антинеопластических эффектов (Ра=0,957), подавление активности протеинкиназы А (Ра=0,902), стимулирование апоптоза (Ра=0,893). Кроме того, с вероятностью, оцениваемой как Ра=0,724 китайский танин может проявлять противовирусные эффекты (таблица 5).
Рисунок 9. Китайский таннин (маллотузиновая кислота)
Таблица 5. Спектр возможной прогнозируемой биологической активности китайского танина
|
Pa |
Pi |
Activity name |
|
0,988 |
0,001 |
Antioxidant |
|
0,957 |
0,004 |
Antineoplastic |
|
0,902 |
0,001 |
Protein kinase A inhibitor |
|
0,893 |
0,004 |
Apoptosis agonist |
|
0,734 |
0,004 |
Free radical scavenger |
|
0,724 |
0,004 |
Antiviral |
Наконец, при помощи программы PASS online 2.0 был спрогнозирован спектр биологической активности для соединения, являющегося структурным элементом практически всех более сложных (конденсированных) танинов – галловой кислоты (рисунок 10). Галловую кислоту применяют в аналитической химии, для синтеза красителей (антрагаллола и др.), в микроскопии, как деполяризатор при использовании методов электрохимического анализа. Известно, что галловая кислота является антиоксидантом. Кроме того, для галловой кислоты и ее производных описаны эффекта изменения превращения (метаболизма) лекарственных препаратов в организме человека [7].
Рисунок 10. Галовая кислота
Как видно из анализа таблицы 6, для галловой кислоты вероятен очень широкий спектр биологической активности с Ра от 0,743 до 0,950. Не вдаваясь в подробное описание всех типов биологической активности соединения, следует заключить, что для галловой кислоты характерен весь набор активностей (противовоспалительная, противоопухолевая, антиоксидантная, противоалергенная, антибактериальная и др.), характерный для более сложно организованных таннинов, в состав молекул которых она входит.
Таблица 6. Спектр возможной прогнозируемой биологической активности галловой кислоты
|
Pa |
Pi |
Activity name |
|
0,950 |
0,003 |
Testosterone 17beta-dehydrogenase (NADP+) inhibitor |
|
0,921 |
0,003 |
Antiseptic |
|
0,915 |
0,002 |
Corticosteroid side-chain-isomerase inhibitor |
|
0,905 |
0,002 |
NADH kinase inhibitor |
|
0,905 |
0,004 |
Glucose oxidase inhibitor |
|
0,901 |
0,002 |
Alcohol oxidase inhibitor |
|
0,901 |
0,004 |
Aldehyde oxidase inhibitor |
|
0,899 |
0,005 |
Sphinganine kinase inhibitor |
|
0,898 |
0,004 |
Anaphylatoxin receptor antagonist |
|
0,898 |
0,004 |
Superoxide dismutase inhibitor |
|
0,891 |
0,003 |
Peroxidase inhibitor |
|
0,884 |
0,001 |
Astringent |
|
0,880 |
0,003 |
Exoribonuclease II inhibitor воспаления |
|
0,878 |
0,003 |
Glucan endo-1,3-beta-D-glucosidase inhibitor |
|
0,873 |
0,002 |
Tryptophanamidase inhibitor |
|
0,872 |
0,003 |
Mucinaminylserine mucinaminidase inhibitor |
|
0,871 |
0,003 |
Spermidine dehydrogenase inhibitor |
|
0,867 |
0,001 |
Lactaldehyde reductase inhibitor |
|
0,868 |
0,003 |
Arylalkyl acylamidase inhibitor |
|
0,870 |
0,005 |
NADPH peroxidase inhibitor |
|
0,865 |
0,002 |
Carbon-monoxide dehydrogenase inhibitor |
|
0,862 |
0,003 |
Xylan endo-1,3-beta-xylosidase inhibitor |
|
0,858 |
0,002 |
Tpr proteinase (Porphyromonas gingivalis) inhibitor противобактериальный |
|
0,855 |
0,009 |
Antieczematic |
|
0,849 |
0,005 |
Fragilysin inhibitor против диареи |
|
0,842 |
0,003 |
Prostaglandin-A1 DELTA-isomerase inhibitor |
|
0,842 |
0,003 |
Antimutagenic |
|
0,838 |
0,002 |
Ornithine cyclodeaminase inhibitor |
|
0,828 |
0,005 |
Antiinfective |
|
0,835 |
0,013 |
Antiseborrheic |
|
0,823 |
0,004 |
Fibrinolytic |
|
0,822 |
0,004 |
Centromere associated protein inhibitor |
|
0,814 |
0,015 |
Mucomembranous protector |
|
0,786 |
0,009 |
JAK2 expression inhibitor |
|
0,774 |
0,006 |
Lipoprotein lipase inhibitor |
|
0,770 |
0,027 |
Chymosin inhibitor |
|
0,743 |
0,004 |
Leukotriene-B4 20-monooxygenase inhibitor |
Из этого можно сделать предположение о том, что биологические свойства не только проанализированных нами, но и других танинов зависят от числа, взаимного расположения и доступности отдельных функциональных групп (в частности, гидоксильных (–ОН) и ароматических колец) галловой кислоты в структуре молекулы танинов.
Современные подходы компьютерного анализа биологических систем позволяют быстро и эффективно решать многие задачи теоретического и практического характера. В частности, программный продукт PASS online позволяет прогнозировать спектр биологической активности того или иного химического соединения, тем самым существенно экономя время и финансовые затраты исследователей при поиске новых соединений с заданной биологической активностью или при анализе возможных новых типов активности для уже известных и используемых веществ.
Часть видов биологических активностей гидролизуемых таннинов, спрогнозированных при помощи PASS online, подтверждает уже известные экспериментально обнаруженные свойства этих соединений (антиоксидантную, противоопухолевую, антибактериальную). Для этих типов активности показаны ферменты-мишени и субстраты-мишени. Это позволяет объяснить механизмы действия таннинов в организме.
В PASS online спрогнозированы новые типы биологической активности гидролизуемых таннинов, не описанные ранее (регуляция метаболизма горомнов, жиров и жирных кислот, антиишемические эффекты). Экспериментальное подтверждение этих эффектов может стать обоснованием для использования таннинов и таннинсодержащих пищевых продуктов для профилактики некоторых заболеваний человека.
ГЛОССАРИЙ
Биоинформатика – комплексная научная дисциплина на стыке биологии, информатики и математики, направленная на создание и совершенствование баз данных, алгоритмов, вычислительных и статистических методов и теории для решения практических и теоретических проблем, возникающих при управлении и анализе биологических данных.
Компьютерное моделирование — комплекс процессов, осуществляемых через компьютерные программы, работающие на отдельном компьютере, суперкомпьютере или множестве взаимодействующих компьютеров (вычислительных узлов) и реализующих представление объекта, системы или понятия в форме, отличной от реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей и набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем.
Скрининг – стратегия организации исследования совокупного множества объектов, направленная на выявление отдельных и (или) общих их свойств.
Молекулярный докинг – метод молекулярного моделирования, который позволяет предсказать наиболее выгодную для образования устойчивого комплекса ориентацию и положение одной молекулы по отношению к другой.
Байесовская вероятность – интерпретация понятия вероятности, используемая в байесовской теории.
Теорема Байеса – одна из основных теорем теории вероятностей, которая позволяет определить вероятность какого-либо события при условии, что произошло другое статистически взаимозависимое с ним событие.
PASS – программный продукт, способный прогнозировать широкий спектр биологических активностей известных химических соединений.
Танины (дубильные вещества) – сложные высокомолекулярные природные растительные полифенольные соединения, способные осаждать белки и алкалоиды.
Галлотанины – сложные эфиры гексоз (обычно D-глюкозы) и галловой кислоты.
Эллаготаннины – эфиры D-глюкозы и гексадифеноловой, хебуловой и других кислот, образующихся вместе c эллаговой кислотой.
Депсиды – эфиры галловой кислоты с хинной, хлорогеновой, кофейной, гидроксикоричной кислотами, а также флаванами.
Олигомер – молекула в виде цепочки из небольшого числа (5-50) одинаковых составных звеньев.
Полифенолы – низкомолекулярные органические соединения, как правило, природного происхождения, содержащие более 1 гидроксильной группы в составе молекулы.
Хроматография — динамический сорбционный метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами — неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).
Фунгицидная активность – тип биологической активности химического соединения, при которой соединение способно тормозить, останавливать рост патогенного гриба, или приводить к гибели его мицелия и спор.