Анализ функционально значимых структурных фрагментов веществ с гистаминергической активностью

В ранее проведенных исследованиях [2, 3] рядов химических веществ, относящихся к N9-за-мещенным имидазо[1,2-a]бензимидазола (29 соединений), N1-замещенным имидазо[1,2-a]бензимидазола (10 соединений), N9-замещенным 2,3-дигидроимидазо[1,2-a]бензимидазола (4 соединения), N4-замещенным 1,2,4-триазоло[1 ,5-a]бензимидазола (3 соединения) и N1-замещенным 2-аминобензимидазола (5 соединений), было обнаружено, что некоторым соединениям присуща выраженная антагонистическая активность по отношению к гистаминовым Н1- и Н2-рецепторам, а также агонистическая — к Н3-рецепторам.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Выявление функционально значимых фрагментов веществ, демонстрирующих различные виды гистаминергической активности, в частности Н1-, Н2-антагонистическую и Н3-агонистическую.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для проведения фармакофорного анализа в рамках данного исследования использована Ин- формационная технология (ИТ) прогноза биологической активности химических соединений «Микрокосм» (версия 4.1 от 03.2006 г.).

Основой методики [1] являются полученные методами теории распознавания образов QSAR-зависимости, связывающие полуколиче-ственные градации биологической активности и структуру соединений, представленную в виде матрицы структурных дескрипторов. Информационным наполнением системы служат базы данных по структуре известных химических веществ с соответствующими видами биологической активности. В частности, в данном исследовании в качестве обучающих выборок использовались созданные с помощью стандартных компьютерных химических программ наборы структур соединений, антагонистов гистаминовых H1-, H2- и агонистов гистаминовых H3-рецепторов: как известных, описанных в литературе, так и новых — конденсированных и неконденсированных производных бензимидазола. Данные по известным веществам с рецепторной активностью взяты из справочника Organic-Chemical Drugs and Their Synonyms / Ed.:

Negwer M., Scharnow H.-G. — 8th Edit. — New-York: Wiley-Intersciense, 2001 и дополнены данными из более поздних литературных источников; в качестве неактивных добавлены достоверно неактивные структуры из этого же справочника. Данные по гистаминергическим свойствам новых производных бензимидазола получены в результате собственных исследований.

Теоретические концепции ИТ «Микрокосм» не включают «фармакофор» как базовое понятие, рассматривая его только как частный случай реализации обобщенного образа класса соединений с заданной биологической активностью, однако данная ИТ позволяет формировать новый класс QSAR-объектов — фармакофоры-образы, которые объединяют в одной общей формуле множество «традиционных» фармакофоров, представляющих собой фиксированные фрагменты химической структуры.

Построение фармакофоров-образов для конкретного вида рецепторной активности производилось по матрице QL-дескрипторов, содержащей информацию о числе дескрипторов различного вида и типа в структуре каждого активного или неактивного соединения данной обучающей выборки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При сравнении полученных для исследованных производных бензимидазола QSAR-зависимостей, определяющих Н1-антагонистическую активность, с фармакофорными фрагментами у известных «классических» Н1-гистаминоблокаторов был обнаружен ряд структурных соответствий.

Во-первых, это третичный атом азота. При этом он может быть соединен углеродной цепочкой длиной до 2 одинарных связей с алифатическим углеродом:

\              _

N----( C )„---C— n = 0-1 n или с ароматической системой:

( CAr ) m

N ( C ) n

.

n,m >0

Во-вторых, само наличие ароматических фрагментов является весьма характерным как для типичных Н1-антагонистов, так и для исследованных производных бензимидазола.

И, наконец, третьим ярким соответствием являются фрагменты, состоящие из атома хлора (или брома), соединенного с ароматической системой, частично проходящей через эту ароматическую систему сопряженной углеродной цепоч- кой, или атом хлора, непосредственно присоединенный к шестичленному карбо- или гетероциклу.

или где • — любой неводородный атом; X — один или несколько гетероатомов.

При сравнении QSAR-зависимостей, полученных для исследованных производных бензимидазола и для известных антагонистов Н2-рецепторов, также были обнаружены структурные соответствия.

Так же как и в случае с Н1-антагонистической активностью, одним из наиболее важных структурных фрагментов типичных Н2-антагонистов является третичная аминогруппа, соединенная с алифатическим углеродом несопряженной углеродной цепочкой, длиной до 2 одинарных связей, или с присоединенной к ней проходящей через ароматическую систему несопряженной углеродной цепочкой, длиной от 3 до 4 связей:

^N ( C ) n             ( C Ar ) m       ( C ) k

.

n = 1-2; m = 1-2; k = 0-1; n+m+k = 1-2

У активных по отношению к данному рецепторному типу производных бензимидазола третичная аминогруппа представлена соединенной сопряженной углеродной цепочкой с ароматической системой, а также в сочетании с иммонием:

NCN

H+ или соединенная произвольной углеродной цепочкой с иминогруппой:

N ( C ) n N

' n >= 0              , при этом вышеуказанное сочетание содержит еще один очень характерный как для типичных Н2-гис-таминоблокаторов, так и для исследованных бензимидазолов фрагмент — иминогруппу.

Вторичная иминогруппа также может встречаться как компонент пятичленного гетероарома-тического, в том числе и имидазольного цикла:

N

Анализ химической структуры известных агонистов гистаминовых Н3-рецепторов и производных бензимидазола, проявивших данный вид активности, позволил обнаружить лишь одно достоверное структурное соответствие, а именно наличие иминогруппы в составе ароматической системы:

N ( C Ar ) n ⁿ >= * .

QSAR-анализ веществ, проявляющих Н1-ан-тагонистическую активность, выявил в качестве наиболее значимых фрагментов углеродную цепочку с третичной аминогруппой, ароматические фрагменты и атомы хлора или брома, также соединенные с ароматическими фрагментами. Все эти фармакофорные дескрипторы полностью согласуются с данными литературы.

Так, сочетание третичной аминогруппы с несопряженной цепочкой и ароматических фрагментов является ничем иным как «классическим» фармакофором H1-антигистаминной активности [4]:

Ar

• X — CH 2 — CH 2 — N Ar ^.

Предположительно, наиболее существенную роль при связывании молекул с H1-рецептором играют π-взаимодействие, электростатическое взаимодействие и конформационные эффекты: основное взаимодействие с рецептором осуществляется за счет π-электронов достаточно больших по размеру ароматических систем, дополнительные взаимодействия обеспечиваются за счет частичного отрицательного заряда таких фрагментов, как галогены, третичная аминогруппа, расположенных на концах длинных гибких несопряженных углеродных цепочек, с одновременной конформационной адаптацией этих цепочек к молекулярному полю рецептора.

Роль π-взаимодействий при связывании антагонистов с H₁-гистаминовым рецептором подтверждается данными других исследователей. Так, отмечено, что в TM V Н₁-рецептора остаток треонина 203 взаимодействует с имидазольным ароматическим кольцом гистамина; лизин 200 связывается с N _π -атомом, а аспарагин 207 с N _τ -атомом [8, 9] гистамина и других Н₁-лигандов.

Гидрофобные взаимодействия Н1-антагонис-тов с треонином 161 в ТМ IV и остатками 433 и 436 фенилаланина в ТМ VI Н1-гистаминового рецептора могут играть решающую роль в формировании функционально активной конформации этого G-протеин сопряженного рецептора [9]. Остатки аспарагина 107 и 116 в TM III также взаимодействуют с электроотрицательной группой, расположенной на конце гибкой углеродной цепи [8, 9].

QSAR-анализ веществ, проявляющих Н2-ан-тагонизм, так же как и в случае Н1-антагонисти-ческих свойств, выявил в качестве наиболее значимых фрагментов углеродную цепочку с третичной аминогруппой и, кроме того, иминогруппу в сочетании с ароматическими структурами, в том числе и как компонент пятичленного гетероарома-тического, в том числе и имидазольного цикла.

Согласно литературным данным, специфичность Н2-рецепторов обусловлена аминокислотными остатками аспарагина в 186 положении и треонина — в 190, которые взаимодействуют с имидазольным кольцом, а аминокислотный остаток аспарагина 98 связывается с аминогруппой боковой Н2-лигандов [5, 8].

Анализ Н3-агонистов выявил наличие лишь одного достоверного структурного соответствия — иминогруппы в составе ароматической системы, в том числе и в составе имидазольного цикла, что, в принципе, согласуется с данными других исследователей: 4- или 5-замещенный имидазольный цикл и боковая алкиламинная цепь являются важнейшими составляющими Н3-агонистов [6], при этом имидазольное кольцо гистамина взаимодействует с аминокислотным остатком глутамата 206 [8].