ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ДАНИЛА ГАЛИЦЬКОГО

КЛЕНІНА Олена Валеріївна

УДК 615.276-015.11.074

ВИВЧЕННЯ ЗВ”ЯЗКУ “СТРУКТУРА – ДІЯ”

НЕСТЕРОЇДНИХ ПРОТИЗАПАЛЬНИХ ЗАСОБІВ

МЕТОДАМИ КВАНТОВОЇ ХІМІЇ

15.00.02 – фармацевтична хімія та фармакогнозія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фармацевтичних наук

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фармацевтичної, органічної та біоорганічної хімії Львівського державного медичного університету імені Данила Галицького, Міністерство охорони здоров”я України

Науковий керівник: доктор фармацевтичних наук, професор ЗІМЕНКОВСЬКИЙ Борис Семенович

Львівський державний медичний університет імені Данила Галицького

завідувач кафедри фармацевтичної,

органічної та біоорганічної хімії

Науковий консультант: доктор хімічних наук, професор

КОВАЛЬЧУК Євген Прокопович

Львівський Національний університет

імені Івана Франка

завідувач кафедри фізичної та колоїдної хімії

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

НОВІКОВ Володимир Павлович

Національний університет “Львівська політехніка”

завідувач кафедри технології біологічно активних сполук, фармації та біотехнології

доктор фармацевтичних наук, професор

МАЗУР Іван Антонович

Запорізький державний медичний університет

завідувач кафедри фармацевтичної хімії

Провідна установа: Національна фармацевтична академія Міністерства охорони здоров”я України (м. Харків), кафедра органічної хімії

Захист відбудеться “10” вересня 2001 року о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.600.02 у Львівському державному медичному університеті імені Данила Галицького за адресою: 79010, м. Львів, вул. Пекарська, 69.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Львівського державного медичного університету імені Данила Галицького (79000, вул. Січових Стрільців, 6).

Автореферат розісланий “07” серпня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Гасюк Г. Д.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Запалення, як захисно-пристосувальна функція організму на пошкодження, виникає внаслідок дії різних агентів екзогенної та ендогенної природи й розвивається як стереотипний, комплексний, динамічний процес, що складається з серії причинно-наслідкових явищ, які ще до цього часу повністю не з”ясовані .

Для лікування запальних процесів в наш час використовують десятки речовин, які відносяться до різних хімічних класів сполук – саліцилати, похідні піразолу, параамінофенолу, арил- та гетарилжирних кислот, оксиками, кортикостероїди та багато інших.

Нестероїдні протизапальні засоби (НПЗЗ) за механізмом антифлогістичної дії полівалентні та практично універсально активні при достатньо різних за етіологією, морфологією і патофізіологією запальних станах. Незважаючи на велику кількість даних експериментального та клінічного вивчення механізму терапевтичної дії, жодна унітарна теорія не може пояснити всю різноманітність фармакологічних властивостей НПЗЗ, антифлогістичний ефект яких пов”язаний з рядом стадій патогенезу гострих та хронічних запальних реакцій.

Величезна кількість накопичених емпіричних даних та результатів експериментальних досліджень щодо синтезу нових речовин, підвищення їх антифлогістичної активності та пониження токсичності у клінічному застосуванні потребуть теоретичної інтерпретації. Тому виявлення загальних закономірностей залежності протизапальної дії НПЗЗ від хімічної структури їх молекул для окремих класів та для групи НПЗЗ в цілому з врахуванням особливостей механізму їх дії та шляхів підвищення фармакологічної активності є актуальною проблемою сьогодення.

Побудова та аналіз таких закономірностей зв”язку типу “структура-дія” для НПЗЗ і склали предмет цього дослідження.

Зв”язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з планом проблеми “Фармація” МОЗ України і є фрагментом комплексної науково-дослідної роботи Львівського державного медичного університету ім. Данила Галицького (№ державної реєстрації 0197U000589, шифр теми ІН 10.06.0001.96.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є виявлення загальних закономірностей залежності антифлогістичної активності нестероїдних протизапальних засобів від хімічної структури їх молекул як в межах окремих хімічних класів сполук, так і для групи НПЗЗ в цілому, з урахуванням механізмів їх протизапальної дії, а також визначення на основі виявлених закономірностей подальших тенденцій спрямованого синтезу НПЗЗ та підвищення їх фармакологічної активності.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені такі задачі:

·

· розробити та впровадити для досліджень загальну методологію та схему аналізу залежності антифлогістичної активності НПЗЗ від параметрів електронно-просторової структури та енергетичних параметрів їх молекул;

·

2

хімічними параметрами структури їх молекул в межах окремих хімічних класів НПЗЗ та для групи НПЗЗ в цілому;

·

· встановити визначальні параметри та характерні риси молекулярної будови НПЗЗ, що безпосередньо пов”язані з особливостями механізму їх дії та підвищенням антифлогістичної активності, і на цій основі окреслити основні тенденції та напрямки цілеспрямованого синтезу НПЗЗ з підвищенням їх фармакологічної активності.

Об”єкт дослідження: похідні саліцилатної, антранілової, ацетатної та пропіонатної кислот, а також похідні піразолону-5 та піразолідиндіону-3,5.

Предмет дослідження: встановлення зв”язку між молекулярною структурою та фармакологічною активністю НПЗЗ, а також встановлення можливих механізмів їх протизапальної дії.

Методи дослідження: квантово-хімічні методи розрахунку у наближенні лінійної комбінації молекулярних орбіталей із самоузгодженням розв”язків у напівемпіричному варіанті модифікованого нехтування диференціальним перекриванням (MNDO), а також метод циклічної вольтамперометрії.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше в Україні було впроваджено квантово-хімічний підхід до визначення параметрів електронно-просторової будови молекул НПЗЗ. Зокрема використовувався метод лінійної комбінації молекулярних орбіталей із самоузгодженням розв”язків в напівемпіричному варіанті MNDO (АМ1 і РМ3).

Для дослідження залежності антифлогістичної активності НПЗЗ від параметрів електронно-просторової будови їх молекул та енергетичних молекулярних параметрів було розроблено загальну методологію та схему аналізу такої залежності. Відповідний вибір вищезгадуваних параметрів дозволяє кількісно оцінювати показники, які характеризують зв”язок типу “структура-дія” замість загально-описових (вплив різних функціональних груп, відтягування електронів, мезомерні ефекти, електронно-донорна та електронно-акцепторна взаємодія й таке інше) або чисто емпіричних підходів, які для цього використовувалися.

У межах окремих хімічних класів досліджуваних речовин були розраховані коефіцієнти парної кореляції для залежностей фармакологічної активності цих речовин від молекулярних енергетичних та електронно- просторових параметрів їх будови.

На основі вивчення реакційної здатності молекул НПЗЗ в сенсі виявлення на основі аналізу їх молекулярної будови найбільш ймовірних місць атаки електрофільними та нуклеофільними субстратами, здатності молекул речовин брати участь в окисно-відновних реакціях, оцінки гідрофільно-гідрофобного балансу молекул речовин було розроблено схему дослідження механізму протизапальної дії НПЗЗ. Виявлена та теоретично обгрунтована наявність впливу НПЗЗ на медіатори запальних процесів.

Для всіх досліджуваних хімічних класів НПЗЗ відзначено параметри молекулярної

3

будови, що характеризують збільшення величин фармакологічної дії НПЗЗ, а також окреслені напрямки видозмін хімічної будови молекул, що сприятимуть підвищенню антифлогістичної активності НПЗЗ.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена схема розрахунку параметрів електронно-просторової будови молекул та аналізу їх впливу на фармакологічну активність НПЗЗ дозволяє підвести теоретичну базу для інтерпретації численних існуючих даних емпіричних клінічних досліджень закономірностей зв”язку “структура-дія”. Це, в свою чергу, послужить основою для вдосконалення вже існуючих НПЗЗ шляхом підвищення їх активності, а також для розробки напрямків цілеспрямованого створення нових антифлогістиків та передбачення їх фармакологічних властивостей.

Розроблена методологія та одержані результати і закономірності реакційної здатності та механізмів дії НПЗЗ дозволяють на молекулярному рівні моделювати процеси пригнічення запальних реакцій та закладають основу для теоретичного передбачення і прогнозування терапевтичної протизапальної дії НПЗЗ та їх впливу на ті чи інші ланки патогенезу запальних процесів.

Розроблені методи аналізу та одержані закономірності зв”язку “структура-дія” та механізмів антифлогістичної активності НПЗЗ впроваджено в науково-дослідну роботу та навчальний процес кафедри фармацевтичної хімії Запорізького державного медичного університету, кафедри органічної хімії Львівського Національного університету ім. Івана Франка.

Особистий внесок здобувача:

·

· результати теоретичних розрахункових та експериментальних електрохімічних досліджень оброблені, систематизовані та проаналізовані дисертантом.

Апробація результатів дисертації. Основний зміст дисертаційної роботи доповідався на Сьомій науковій конференції “Львівські хімічні читання-99”(Львів, 1999); 37th IUPAC Congress “Frontier in Chemistry: Molecular Basis of the Life Sciences” (Берлін, 1999), British Pharmaceutical Conference of Royal Pharmaceutical Society of Great Britain (Лондон, 1999) та на засіданні кафедри фармацевтичної, органічної та біоорганічної хімії Львівського державного медичного університету імені Данила Галицького (Львів, 2001).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у 5 статтях, 3 тезах доповідей.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох

розділів, загальних висновків, списку джерел літератури та додатків.

Загальний обсяг дисертації складає 187 сторінок.

Робота ілюстрована 2 схемами, 62 рисунками (34 стор.) і 35 таблицями (25 стор.).

Перелік використаних джерел літератури містить 106 найменувань.

4

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується вибір теми та її актуальність, формулюються завдання досліджень та основні положення, що виносяться на захист, відмічаються наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

У першому розділі проведено короткий огляд сучасних уявлень про класифікацію та хімічну будову нестероїдних протизапальних засобів та механізмів їх антифлогістичної дії. Аналізується залежність антифлогістичної активності цих засобів від їх молекулярної будови, а також сучасні тенденції синтезу НПЗЗ та основні напрямки підвищення їх антифлогістичної активності. Окреслюються основні методи, що використовуються для дослідження будови та механізмів дії НПЗЗ.

У другому розділі обгрунтований вибір об”єктів і методів дослідження.

Об”єктами досліджень в даній роботі були протизапальні засоби нестероїдної хімічної будови, які широко використовуються в сучасній клінічній практиці і для яких встановлено за єдиною методикою величини антифлогістичної активності. Похідні саліцилатної кислоти представлені речовинами, у молекулах яких наявні замісники по місцю атомів водню гідроксильної та карбоксильної груп, а також в пара-положенні ароматичного кільця. Характерною особливістю будови похідних антранілової кислоти є наявність різних функціональних груп в ароматичному кільці Б N-фенілантранілової кислоти, та в пара-положенні ароматичного кільця А по відношенню до місткового атома азоту. Молекулярна будова похідних піразолону-5 визначається введенням різних замісників алкільної, аміноалкільної, алкіларильної та гетероциклічної природи в положення С4. Похідні піразолідиндіону-3,5 представлені бутадіоном та трибузоном, а похідні оцтової кислоти – індометацином. Ще один хімічний клас досліджуваних речовин представлений алкіл- та арилпохідними пропіонатної кислоти.

Розглянуто особливості механізмів дії речовин всіх хімічних класів сполук, що розглядаються, а також способи моделювання запальних процесів та моделі, що були використані для визначення протизапальної активності цих речовин.

Для дослідження електронно-просторової структури молекул нестероїдних протизапальних засобів було використано напівемпіричні квантовохімічні методи в наближенні Модифікованого нехтування диференціальним перекриванням (MNDO). Процедуру розрахунку молекулярної структури цих речовин було здійснено за допомогою пакету програм для квантовохімічних розрахунків MOPAC 93.

У третьому розділі було проведено дослідження зв”язку “структура-дія” для нестероїдних протизапальних засобів на рівні встановлення факту залежності антифлогістичної активності речовин даної групи від електронно-просторової структури їх молекул, а також виявлення основних закономірностей такої залежності. Аналізуючи розраховані значення параметрів геометричної будови молекул досліджуваних речовин та конформації молекулярної ланки, розподілу електронної густини, значень енергій граничних молекулярних орбіталей, величин дипольних моментів та молекулярних енергетичних параметрів для певного класу сполук, можна з певною достовірністю встановити основні закономірності їх зв”язку з біологічною активністю речовин.

Для похідних саліцилатної кислоти серед параметрів геометричної та електронної

5

будови їх молекул найбільший вплив на величини протизапальної активності мають

міжатомні відстані dC=O і dC1-C2, валентний кут РСкарб. - С1 - С2, а також заряди на атомах С1, С2 та Скарб. При цьому активність зростає при зменшенні міжатомних відстаней dC=O і dC1-C2, збільшенні значень валентного кута РСкарб.-С1-С2, а також при збільшенні величин від”ємних зарядів на атомі С1 та зменшенні величин позитивних зарядів на атомах С2 і Скарб.. Коефіцієнти парної кореляції для цих залежностей лежать в межах від –0,73 до 0.96.

Для мефенамової кислоти та диклофенаку натрію встановлено, що серед параметрів геометричної будови молекул цих речовин найсуттєвіший вплив на величини їх антифлогістичної активності мають міжатомна відстань dСкарб.=О, а також міжатомні відстані dС2А-N і dС1Б-N, що характеризують відстань між ароматичними ядрами А і Б і містковим атомом азоту. При цьому зростання протизапальної активності для цих речовин спостерігається при збільшенні відстані dСкарб.=О і зменшенні відстаней dС2А-N і dС1Б-N, тобто при зближенні ароматичних ядер. Крім того, величини їх антифлогістичної активності в найбільшій мірі визначаються значеннями ефективних зарядів на атомах Скарб., Окарб. і N. При цьому антифлогістична активність цих речовин зростає при збільшенні величини додатнього заряду на атомі Скарб. і збільшенні величин від”ємних зарядів на атомах Окарб. і N. Можна стверджувати, що атом Окарб. для обох речовин і атом N для диклофенак-натрію виступають в ролі нуклеофільних центрів при взаємодії з електрофільними центрами молекул субстрату. У відповідності до цього, диклофенак натрію характеризується більш сильно виразними електронодонорними властивостями в порівнянні з мефенамовою кислотою (для його молекул ЕВЗМО становить –5,497 еВ проти –8,8930 еВ для мефенамової кислоти), в той час як мефенамова кислота має сильніше виразні електроноакцепторні властивості (ЕНВМО для її молекул становить -0,1969 еВ проти –0,4083 еВ для молекул диклофенаку натрію).

Для ряду похідних N-фенілантранілової кислоти виявлено, що величини їх антифлогістичної активності зростають при збільшенні значень міжатомних відстаней dС1А-Скарб. і одночасному зменшенні значень міжатомних відстаней dСкарб.=О. При цьому величини протизапальної активності в даному ряді сполук зростають при збільшенні від”ємних значень ефективних зарядів на атомах Окарб. і Окарбокс. Це дає підставу стверджувати, що карбоксильний і карбонільний атоми кисню виступають в ролі нуклеофільних центрів при взаємодії з електрофільними центрами молекул субстрату, при цьому для першого атома ці властивості виражені сильніше.

Серед інших параметрів геометричної будови молекул найбільший вплив на величини протизапальної активності спричиняють величини міжатомних відстаней dС2А-N і dС1Б-N, а також валентного кута Р N-С1Б-С2Б. Збільшенню величин активності відповідає зменшення значень цих параметрів. Відповідні коефіцієнти парної кореляції становлять –0,83, -0,91 і –0,87.

Вивчення розподілу електронної густини в молекулах досліджуваних речовин дозволяє встановити, що збільшення величин антифлогістичної активності відбувається при збільшенні від”ємних значень ефективних зарядів на атомах С1А і С3Б і при зменшенні від”ємних значень ефективних зарядів на атомах N, С2Б і С4Б. Для цих залежностей коефіцієнти парної кореляції лежать в межах від –0,87 до 0,81.

Одержані значення енергій граничних орбіталей молекул досліджуваних речовин

6

дають підставу стверджувати, що збільшення величин протизапальної активності

відбувається при зменшенні електронодонорних і зростанні електроноакцепторних властивостей сполук даного ряду. При цьому посилюються гідрофобні властивості цих речовин, що відповідає зменшенню значень їх дипольних моментів.

Для похідних піразолону-5 встановлено, що геометрична будова молекул має суттєвий вплив на протизапальну активність сполук, молекули яких містять аміноалкіларильні замісники в положенні С4. При цьому найважливіше значення мають величини міжатомної відстані dC=O та валентного кута РС4-С-N. Підвищенню антифлогістичної активності сполук даного ряду сприяє зменшення величин цих параметрів. Відповідні значення коефіцієнтів парної кореляції між величинами активності та параметрів становлять –0,81 для міжатомної відстані dC=O та –0,85 для валентного кута РС4-С-N.

При аналізі розподілу електронної густини в молекулах досліджуваних речовин, зокрема зарядів на атомах, що входять до складу п”ятичленного піразолонового гетероциклу, встановлено, що як для всіх похідних піразолону-5, так і для похідних піразолідиндіону-3,5 протизапальна активність сполук у найбільшій мірі визначається зарядами на атомах кисню карбоксильної групи, атом вуглецю С4 в 4-му положенні п”ятичленного піразолідинового гетероциклу, а також атоми азоту N1 і N2 в 1-му і 2-му положеннях. Для всіх сполук цього класу на атомах О, С4 та N1 локалізовані досить великі за величиною від”ємні заряди, і, відповідно, ці атоми виступають в ролі сильних нуклеофільних агентів при взаємодії з електрофільними центрами молекул субстратів. Коефіцієнти парної кореляції між активністю та величинами зарядів на цих атомах змінюються в межах від 0,78 до –0,90 для атома О, від 0,53 до –0,91 для атома С4, від 0,77 до –0,89 для атома N1. Зростанню протизапальної активності речовин даного класу сприяє як збільшення, так і зменшення величин від”ємних зарядів на цих атомах у залежності від ряду сполук.

Одержані результати розрахунку енергій граничних орбіталей похідних піразолону-5 та піразолідиндіону-3,5 дозволяють зробити висновок про те, що спільною рисою всіх досліджуваних речовин, що належать до класу похідних піразолону-5 та піразолідиндіону-3,5, є наявність чіткої кореляції між їх протизапальною активністю та значеннями енергій ВЗМО: активність речовин даного класу зростає при збільшенні величин від”ємних значень енергій ВЗМО, тобто при зменшенні електронно-донорних властивостей цих речовин.

Для похідних карбонових (пропіонатної та ацетатної) кислот виявлено, що серед параметрів геометричної будови молекул похідних карбонових кислот найсуттєвіше значення для зростання їх протизапальної активності мають міжатомні відстані dСкарб.=Окарб. та dСкарб.- Окарбокс., а також валентні кути РОкарб.-Скарб.-Окарбокс., РСкарб.-С2-С3 та РСкарб -С2-Сбенз. Встановлено, що зростання протизапальної активності в ряду досліджуваних речовин спостерігається при зменшенні міжатомної відстані dСкарб.=Окарб. і зростанні міжатомної відстані dСкарб.- Окарбокс. Що стосується залежності між активністю та величинами вище зазначених валентних кутів, було виявлено, що активність досліджуваних речовин зростає при одночасному збільшенні значень усіх цих кутів. Значення коефіцієнтів парної кореляції для залежностей "“Активність = f (Параметр геометричної будови)” лежать в межах від –0,98 до 0,94.

7

Серед параметрів розподілу електронної густини в молекулах похідних карбонових кислот найбільший вплив на величини протизапальної активності мають ефективні заряди на атомах Окарб., Окарбокс. та Скарб. карбоксильної групи, а також на атомі С2, що з”єднує залишок карбонової кислоти з ароматичною системою. При цьому активність речовин в досліджуваному ряду зростає при збільшенні величин від”ємних зарядів на атомах Окарбокс. і С2, зменшенні величин від”ємних зарядів на атомі Окарб. та зменшенні величин додатніх зарядів на атомі Скарб. Значення коефіцієнтів парної кореляції для залежностей між активністю та зарядами на цих атомах коливаються в межах від –0,96 до 0,99. Можна стверджувати, що атоми Окарб. і Окарбокс. виступають в ролі нуклеофільних центрів, а атом Скарб. – в ролі електрофільного центру при взаємодії з відповідними реакційними центрами молекул субстрату.

Значення енергій граничних орбіталей молекул досліджуваних речовин також мають суттєве значення для зростання їх протизапальної активності. Встановлено, що зростання активності спостерігається при зменшенні величин від”ємних значень як ЕВЗМО, так і ЕНВМО. Коефіцієнти парної кореляції для цих залежностей дорівнюють –0,97 і –0,76, відповідно. Це означає, що зростання активності досліджуваних речовин відбувається при зростанні їх електронно-донорних властивостей і послабленні електронно-акцепторних властивостей. Значення коефіцієнтів парної кореляції для енергій граничних орбіталей (для ЕВЗМО абсолютне значення коефіцієнту кореляції є більшим, ніж для ЕНВМО) добре узгоджуються із значеннями коефіцієнтів для атомів, що є нуклеофільними та електрофільними центрами молекул досліджуваних речовин. Для атома Окарбокс. (що є електрофільним центром молекул) коефіцієнт парної кореляції є вищим, ніж для атома Скарб. (що є електрофільним центром): 0,99 проти 0,85. Тобто, збільшення електронно-донорних властивостей досліджуваних речовин мають більше значення для зростання їх активності, аніж послаблення електронно-акцепторних властивостей.

Невисокі значення дипольних моментів похідних карбонових кислот (від 0,710 до 2,541) вказують на те, що всі речовини цього класу мають сильно виражені гідрофобні властивості. Однак чіткої кореляції між величинами активності та дипольних моментів не виявлено.

У четвертому розділі робиться спроба довести наявність та кількісно обгрунтувати антагонізм між похідними саліцилової та пропіонової кислот та ендогенними біологічно активними речовинами – медіаторами запалення. Розгляд було обмежено двома медіаторами – гістаміном та серотоніном. Було здійснено розрахунок параметрів електронно-просторової структури молекул гістаміну і серотоніну, що є біогенними амінами. Встановлено, що гістамін і серотонін є сильними відновними та нуклеофільними агентами по місцю атомів азоту аміногруп. Для молекули гістаміну значення ефективного заряду на атомі азоту становить -0,354, а значення енергій вищої зайнятої та нижчої вакантної молекулярних орбіталей, а також ширини забороненої зони - -8,444, 0,378 та 8,066 eV, відповідно). Для молекули серотоніну величина ефективного заряду на атомі азоту становить –0,350, значення енергій ВЗМО, НВМО та ширина забороненої зони становлять -8,316 eV, 0,219 та 8,097 eV, відповідно. Крім того, атоми азоту аміногруп в молекулах гістаміну і серотоніну на 2s -енергетичному підрівні міститься неподільна електронна пара.

8

Внаслідок цього ці атоми азоту можуть виступати в ролі нуклеофільних центрів та приєднувати протон за донорно-акцепторним механізмом з утворенням амонійних сполук в реакціях приєднання з молекулами нестероїдних протизапальних речовин по місцю електрофільних реакційних центрів останніх. Можна припустити, що нестероїдні протизапальні засоби здатні блокувати дію цих біогенних амінів – медіаторів запального процесу – шляхом зв”язування їх у відповідні комплекси за донорно-акцепторним механізмом.

Крім виявлення здатності молекул нестероїдних протизапальних засобів зв”язувати в комплекси вже утворені молекули біогенних амінів, був також здійснений аналіз здатності молекул НПЗЗ пригнічувати утворення гістаміну. В основі такої дії молекул НПЗЗ лежать процеси конкурентної взаємодії протизапального засобу та коензиму гістидиндекарбоксилази за ?-аміногрупи лізину, що є рецептором апоферменту цього ензиму (схема 1). Заключення про результати такої конкурентної взаємодії можна зробити на основі термодинамічної вигідності утворення того чи іншого комплексу. Відповідно, робити висновки про таку термодинамічну вигіднність можна на основі порівняння значень молекулярних енергетичних параметрів ізольованих молекул, а також утворених ними комплексів. Крім того, порівняння деяких параметрів геометричної структури утворених комплексів, зокрема довжин новоутворених в комплексі зв”язків, дає можливість оцінити стабільність і міцність цих комплексів.

При дослідженні впливу похідних саліцилатної кислоти на гістамін встановлено, що деякі речовини даної групи (зокрема, саліцилат натрію) мають здатність пригнічувати процес утворення гістаміну, конкуруючи з коензимом гістидиндекарбоксилази за ?-аміногрупи лізину – рецептори цього ензиму. Величини розрахованих молекулярних енергетичних параметрів для ізольованих речовин, а також для комплексів, утворених внаслідок такої конкурентної взаємодії, наведені у табл. 1.

При розгляді процесів блокування гістаміну і серотоніну похідними саліцилатної кислоти шляхом зв”язування їх у комплекси (рис.1) на основі оцінки термодинамічної ймовірності утворення і стабільності таких комплексів встановлено, що протизапальну активність саліцилатів не можна пов”язувати з їх здатністю зв”язувати гістамін. Проте процес зв”язування саліцилатами серотоніну є термодинамічно вигідним, з ним можна пов”язувати протизапальні властивості речовин групи саліцилатів.

На основі проведення розрахунків параметрів структури та молекулярних енергетичних параметрів комплексів, утворених внаслідок зв”язування молекулами похідних пропіонатної кислоти молекул гістаміну і серотоніну за донорно-акцепторним механізмом з утворенням амонійних сполук та наступного порівняння величин цих параметрів із сумами таких параметрів для ізольваних молекул можна зробити висновок про те, що процес зв”язування молекул гістаміну і серотоніну молекулами досліджуваних речовин з утворенням комплексів є термодинамічно вигідним, а самі комплекси є термодинамічно стійкими.

Отже, похідні пропіонатної кислоти здатні блокувати гістамін і серотонін шляхом зв”язування молекул останніх у відповідні комплекси. Такі процеси можна вважати одним із виявів механізму протизапальної дії похідних пропіонатної кислоти.

9

Схема 1. Механізму пригнічення процесу утворення гістаміну протизапальними засобами

а)

б)

Рис.1. Хімічна будова та розподіл електронної густини в комплексах, що можуть утворитися при зв”язуванні молекул гістаміну (а) та серотоніну (б) молекулами саліцилатної кислоти

Похідні пропіонатної кислоти також мають здатність гальмувати процес утворення гістаміну, про що свідчить аналіз молекулярних енергетичних параметрів комплексів

10

апоензиму з коензимом гістидиндекарбоксилази та з аніонами похідних пропіонатної кислоти. Отже, дія похідних пропіонової кислоти на гістамін в сенсі гальмування процесів утворення молекул останнього також є однією із важливих сторін загальної картини механізму протизапальної дії похідних пропіонової кислоти.

Похідні пропіонатної кислоти за участю їх у процесах блокування гістаміну шляхом зв”язування його у комплекси згідно активності можна розташувати у наступному порядку: напроксен > кетопрофен > ібупрофен > пірпрофен (табл. 2).

Кореляції між антифлогістичною активністю цих речовин та їх здатністю блокувати гістамін не встановлено. За активністю у процесах зв”язування серотоніну похідні саліцилатної та пропіонатної кислот можна розташувати у наступному порядку: напроксен > пірпрофен > кетопрофен > ібупрофен > саліцилатна кислота > ацетилсаліцилатна кислота. В такому ж порядку зменшується і антифлогістична активність цих речовин (табл. 3).

Реакційну здатність речовин в окислювально-відновних процесах, що пов”язані з переносом електронів, можна характеризувати за допомогою енергій вищої зайнятої та нижчої вакантної молекулярних орбіталей (ЕВЗМО та ЕНВМО), що характеризують енергії одноелектронного окислення та відновлення, відповідно. Крім того, здатність речовин до окислення характеризує величина потенціалу окислення.

Згідно одержаних циклічних вольтамперограм розчинів похідних піразолону-5 в межах розгортки потенціалу від –0,2 В до 1,0 В для анальгіну і бутадіону спостерігається по одному, а для амідопірину – два піки окислення. Значення коефіцієнту парної кореляції для встановленої раніше залежності “ЕД50 = f (ЕВЗМО), що становить 0,873, дозволяє стверджувати, що в ряду "амідопірин – анальгін - бутадіон" спостерігається послаблення електронно-донорних властивостей молекул цих речовин при взаємодії з молекулами субстрату і, відповідно, зменшується здатність цих речовин до окислення. Така ж закономірність виявляється при співставленні значень анодних потенціалів перших піків для досліджуваних речовин: при переході від амідопірину до бутадіону окислювальна здатність речовин зменшується (величини потенціалів окислення зростають).

Згідно з виявленими закономірностями розподілу електронної густини в молекулах похідних піразолону-5 можна припускати, що одноелектронне окислення, що відповідає першому піку і властиве для всіх сполук ряду, відбувається по атому азоту в положенні 1 (N1). Слід зауважити, що підвищення значень перших потенціалів окислення спостерігається зі зменшенням від”ємних значень зарядів, локалізованих на атомах N1 відповідних сполук. Така закономірність свідчить про те, що залежність між протизапальною активністю похідних піразолону-5 та їх електрохімічною активністю добре узгоджується з кореляціями, теоретично одержаними для активності та електронної структури молекул досліджуваних речовин: антифлогістична активність досліджуваних речовин зростає при зменшенні значень від”ємних зарядів на атомі N1, по якому відбувається процес їх окислення; крім того, активність зростає при зменшенні електронодонорних властивостей речовин (що відповідає зростанню від”ємних значень ЕВЗМО) і, відповідно, послабленні їх здатності до окислення (що відповідає збільшенню величин потенціалів окислення).

Таблиця 1

Молекулярні енергетичні параметри коензиму гістидиндекарбоксилази, апоензиму,

аніонів саліцилатів, а також комплексів, утворених внаслідок їх конкурентної взаємодії

Сполуки Загальна енергія, ккал/моль Енергія зв”язків, ккал/моль Електронна енергія, ккал/моль Теплота утворення, ккал/моль

Коензим гістидиндекарбоксилази -39281,56 -1997,64 -184883,18 94,79

Апоензим (залишок лізину) -83847,63 -3877,99 -505214,32 -150,14

Комплекс апоензиму з коензимом гістидиндекарбоксилази -121801,80 -5014,14 -876099,28 -212,55

Аніон саліцилату натрію -44470,69 -1784,97 -182996,12 -149,55

Комплекс апоензиму з аніоном саліцилату натрію -120849,36 -5179,71 -879180,37 -151,87

Аніон ацетилсаліцилатної кислоти -97565,73 -4208,62 -609937,83 24,77

Комплекс апоензиму з аніоном ацетилсаліцилатної кислоти -58285,77 -2212,57 -285329,23 -71,61

Таблиця 2

Молекулярні та енергетичні параметри комплексів, утворених похідними пропіонової кислоти з гістаміном

Речовини ЕД50, мг/кг Комплекси з гістаміном

D Н, ккал/моль DN-O, А

Напроксен 15 -55,16 2,185

Пірпрофен 25 -26,34 2,683

Кетопрофен 33 -46,47 2,187

Ібупрофен 49 -44,06 2,657

12

Таблиця 3

Молекулярні та енергетичні параметри комплексів, утворених похідними саліцилатної та пропіонатної кислот з серотоніном

Речовини ЕД50, мг/кг Комплекси з серотоніном

D Н, ккал/моль dN-O, А

Напроксен 15 -100,76 2,476

Пірпрофен 25 -89,22 2,554

Кетопрофен 33 -80,57 2,587

Ібупрофен 49 -76,32 2,735

Саліцилатна кислота 87,5 -75,76 2,741

Ацетилсаліцилатна кислота 98 -58,84 2,854

На циклічних вольтамперограмах розчинів похідних саліцилатної кислоти для саліцилатної та ацетилсаліцилатної кислот спостерігається по одному, а для саліцилату натрію - два піки окислення в межах розгортки потенціалу від –0,4 В до 1,7 В. На основі встановлених раніше особливостей розподілу електронної густини в молекулах саліцилатів є підстава стверджувати, що окислення відбувається по місцю карбоксильних атомів кисню карбоксильних груп, оскільки на цих атомах локалізовані найбільші за величинами від”ємні заряди. Спостерігається добре узгодження між величинами ЕВЗМО та потенціалів окислення: для саліцилату натрію потенціал окислення є найнижчим при найменш від”ємному значенні ЕВЗМО, а для саліцилатної кислоти характерним є найвищий потенціал окислення при найбільш від”ємному значенні ЕВЗМО.

Для двох досліджуваних класів речовин встановлено, що закономірності, виявлені при аналізі їх електрохімічних властивостей, добре узгоджуються з кореляціями, теоретично одержаними при дослідженні електронної структури їх молекул. За

результатами як теоретичних, так і експериментальних досліджень встановлено, що для похідних піразолону-5 зростанню їх протизапальної активності сприяє зменшення їх електронодонорних властивостей і здатності до окислення (що відповідає зростанню від”ємних значень ЕВЗМО і потенціалів окислення), а для похідних саліцилатної кислоти, навпаки, зростання протизапальної активності спостерігається при збільшенні їх електронодонорних властивостей і посиленні їх здатності до окислення (при зростанні активності спостерігається зменшення величин від”ємних значень ЕВЗМО та потенціалів окислення). Очевидною стає роль окислювальної здатності досліджуваних речовин у біологічних процесах, пов”язаних з їх протизапальною активністю.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Напівемпіричним методом в наближенні Модифікованого нехтування диференціальним перекриванням (MNDO) вперше в Україні розраховані параметри геометричної та електронної будови молекул лікарських засобів нестероїдної будови, що володіють протизапальною активністю: похідних саліцилатної кислоти (саліцилатної і ацетилсаліцилатної кислот, саліцилату натрію та пара-аміносаліцилату натрію); похідних N-фенілантранілової кислоти (мефенамової кислоти, диклофенаку натрію та ряду з 22-х інших

13

похідних); похідних піразолону-5 (антипірину, амідопірину, анальгіну і двох рядів їх аналогів); похідних піразолідиндіону-3,5 (бутадіону і трибузону); похідних ацетатної (індометацину і флюрбіпрофену) та пропіонатної (ібупрофену, кетопрофену, пірпрофену і напроксену) кислот.

2. На підставі одержаних результатів встановлено, що величини протизапальної активності досліджуваних речовин безпосередньо пов”язані з параметрами розподілу електронної густини в молекулах речовин; енергіями граничних орбіталей молекул, що характеризують реакційну здатність речовин; конформацією молекулярної ланки; гідрофільно-гідрофобним балансом молекул; молекулярними енергетичними параметрами. Для кожного із розглянутих класів речовин виявлено закономірності зв”язку, що існує між антифлогістичною активністю речовин та їх молекулярною будовою.

3. На величини протизапальної активності похідних саліцилатної кислоти найбільше впливають параметри геометричної будови їх молекул та розподіл в них електронної густини. Зростання активності цих речовин має місце при зменшенні міжатомних відстаней dC=O і dC1-C2, збільшенні величини валентного кута Р Скарб.-С1-С2, а також при збільшенні величин від”ємних зарядів на атомі С1 та зменшенні величин позитивних зарядів на атомах С2 і Скарб. Тобто, на зростання активності саліцилатів впливає не стільки наявність замісників у ароматичному кільці, скільки природа атомів або функціональних груп, що заміщують атоми водню гідроксильної та карбоксильної груп. При цьому для підвищення активності цих речовин комбінація замісників повинна бути такою, щоби відстані dC=O і dC1-C2 були якнайменшими, карбоксильна група була якомога більше віддалена від гідроксильної, збільшувалася величина від”ємного заряду на атомі С1, а величини зарядів на атомах С2 і Скарб. зміщувалися до від”ємних значень.

4. Для похідних N-фенілантранілової кислоти типу мефенамової кислоти та диклофенаку натрію, молекули яких містять замісники лише в орто- і мета-положеннях по відношенню до місткового атома азоту ароматичного кільця Б, встановлено, що зростання їх протизапальної активності обумовлюється параметрами геометричної будови їх молекул та розподілу в них електронної густини, значеннями енергій граничних молекулярних орбіталей, а також гідрофільно-гідрофобним балансом їх молекул. Антифлогістична активність цих речовин зростає при збільшенні міжатомної відстані dСкарб.=О, взаємному зближенні ароматичних ядер у їх молекулах (зменшенні відстаней dС2А-N, dС2Б-N і кута Р N-С1Б-С2Б); при збільшенні величин від”ємних зарядів на карбонільному атомі кисню Окарб. (для диклофенак-натрію, крім того, ще на атомі азоту), при збільшенні значень додатніх зарядів на атомі С2А, який відіграє роль електрофільного центру при взаємодії з активними центрами молекул субстрату; при зростанні їх електронодонорних та послабленні електроноакцепторних властивостей.

5. Для похідних N-фенілантранілової кислоти, у молекулах яких замісники містяться як у орто-положенні ароматичного кільця А, так і орто-, мета- і пара-положеннях ароматичного кільця Б, встановлено, що протизапальна активність зростає при зменшенні міжатомної відстані dСкарб.=О, при взаємному зближенні ароматичних ядер (зменшенні відстаней dС2А-N, dС2Б-N і кута Р N-С1Б-С2Б); збільшенні від”ємних значень ефективних зарядів на карбоксильному атомі кисню Окарбокс.; збільшенні значень додатніх зарядів на на атомі С2А; при послабленні електронодонорних та посиленні електроноакцепторних властивостей; при посиленні гідрофобних властивостей.

14

6. На підставі проведених досліджень встановлено, що оптимальна комбінація

замісників у молекулах похідних N - фенілантранілової кислоти, яка б викликала зростання їх протизапальної активності, повинна бути такою, щоб ароматичні ядра були

розташовані в просторі якомога ближче одне до одного, величини від”ємних значень ефективних зарядів на карбонільному Окарб., карбоксильному Окарбокс. атомах кисню, а також на атомі азоту збільшувались, а також збільшувались би величини додатніх зарядів на атомі С2А. Ця ж комбінація замісників повинна викликати посилення електронодонорних властивостей речовин, якщо ці замісники міститимуться тільки в орто- і мета-положеннях ароматичного кільця Б, але послаблення електронодонорних властивостей, якщо вони міститимуться, крім того, ще й у пара-положеннях обох ароматичних ядер.

7. Для похідних піразолону-5 встановлено, що серед параметрів геометричної будови їх молекул найважливіше значення для посилення їх протизапальних властивостей мають величини міжатомної відстані dС=О та валентного кута Р С4-С-N. Зменшення величин цих параметрів сприяє зростанню антифлогістичної активності. У всіх сполук даного класу на атомах О, С4 і N1 локалізовані значні за величиною від”ємні заряди, тому ці атоми виступають як нуклеофільні центри при взаємодії з активними центрами молекул субстрату, проте зростання активності сполук пов”язане як зі збільшенням, так і зі зменшенням величин цих зарядів. Зростання додатнього заряду на атомі С5 (електрофільний центр) сприяє посиленню активності. Підвищенню активності речовин сприяє зменшення їх електронодонорних властивостей, що відповідає збільшенню величин від”ємних значень енергій ВЗМО. Гідрофільно-гідрофобний баланс молекул цих речовин суттєвого впливу на зростання активності речовин не має. Природа замісників при атомі С4 піразолонового кільця повинна бути такою, щоб вони сприяли збільшенню величин від”ємних значень ЕВЗМО, тобто послаблювали електронодонорні властивості речовин, що сприятиме підвищенню їх активності.

8. Вивчення похідних ацетатної та пропіонатної кислот, що розглядаються в даній роботі, показало, що для зростання протизапальної активності цих речовин важливе значення мають як параметри геометричної структури і розподілу електронної густини в їх молекулах, так і критерії оцінки їх окисно-відновних та гідрофільно-гідрофобних властивостей. Встановлено, що для зростання активності досліджуваних речовин необхідними умовами є збільшення міжатомних відстаней dСкарб.=Окарб. і dСкарб.-Окарбокс., а також збільшення валентних кутів Р Окарб.-Скарб.-Окарбокс., Р Скарб.-С2-С3 і РСкарб.-С2-Сбенз., які характеризують взаємне просторове розміщення карбонільного і карбоксильного атомів кисню, метильної і карбоксильної груп, а також залишку карбонової кислоти і відповідного замісника. Аналіз розподілу електронної густини в молекулах похідних карбонових кислот дозволяє стверджувати, що зростанню їх активності сприяє збільшення величин від”ємних зарядів на карбоксильному атомі кисню Окарбокс., зменшення величин від”ємних зарядів на карбонільному атомі кисню Окарб., що є нуклеофільними центрами молекул цих речовин, а також зменшення величин додатніх зарядів на атомі Скарб., що є електрофільним центром молекул.

Таким чином, для підвищення протизапальної активності похідних карбонових кислот алкіл- або арил-радикал, що входить до складу їх молекул, повинен бути таким, що викликає збільшення міжатомних відстаней dСкарб.=Окарб. і dСкарб.-Окарбокс., а також збільшення

15

планарних розмірів молекул за рахунок збільшення валентних кутів в кислотних залишках. Крім того, він повинен викликати посилення електронодонорних і одночасне послаблення електроноакцепторних властивостей речовин, що відповідало б зменшенню величин

від”ємних значень яе ЕВЗМО, так і ЕНВМО. При цьому речовини повинні виявляти виразні гідрофобні властивості.

9. Вивчені біохімічні механізми дії нестероїдних протизапальних засобів на підставі результатів, одержаних при дослідженні геометричної та електронної структури їх молекул, а також виявлених особливостей їх реакційної здатності. Методами квантової хімії в рамках напівемпіричного наближення Модифікованого нехтування диференціальним перекриванням (MNDO) на молекулярному рівні досліджено процеси, що протікають при зв”язуванні ними біоактивних речовин – медіаторів запалення (гістаміну і серотоніну) або пригніченні ними процесу утворення гістаміну. При розгляді процесів зв”язування гістаміну і серотоніну досліджуваними речовинами шляхом утворення комплексів за донорно-акцепторним механізмом по місцю атома азоту аміногрупи цих біогенних амінів та електрофільних центрів молекул досліджуваних речовин визначено ймовірність утворення таких комплексів шляхом оцінки їх стабільності (за теплотами утворення та довжинами зв”язків), а також термодинамічної вигідності їх утворення (порівняння молекулярних енергетичних параметрів комплексів та сум таких параметрів для ізольованих молекул). Встановлено, що похідні саліцилатної та пропіонатної кислот здатні блокувати серотонін шляхом його зв”язування у комплекси; похідні пропіонової кислоти можуть також зв”язувати у комплекси гістамін, у чому і полягає їх протизапальна дія. Похідні саліцилатної кислоти не можуть утворювати комплекси із гістаміном, оскільки вони термодинамічно невигідні, тому їх протизапальна дія не пов”язана з блокуванням гістаміну. В основі пригнічення досліджуваними речовинами процесу утворення гістаміну лежить конкурентна взаємодія протизапаьного засобу та коензиму гістидиндекарбоксилази за e-аміногрупи лізину.