Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АМИНОАЦИЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ КАЛЬЦИЯ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ВОСПОЛНЕНИЯ ДЕФИЦИТА КАЛЬЦИЯ

Накоскин А.Н. 1 Воронцов Б.С. 2 Лунева С.Н. 1 Ваганова Л.А. 1
1 ФГБУ«РНЦ «ВТО» имени академика Г. А. Илизарова» Минздравсоцразвития России
2 ФГБОУ ВПО Курганский государственный университет
Проведено квантово-химическое моделирование аминокислотных комплексов кальция. Доказано плоскоквадратное строение исследуемых соединений. Рассчитаны термодинамические функции для соединений кальция с глицином, аланином, лизином, лейцином, аргинином с использованием пакетов прикладных программ квантовой химии. Вычислены сравнительные характеристики аминоацильных комплексов Са2+ по данным полуэмпирического расчета РМ-3. Расчет геометрии комплексов произведен в сравнительном аспекте с аналогичными комплексами d-элементов. Анализ полученных данных указывает на однотипный характер связи (практически ионная) кальция в этих комплексах. Также выявлено, что исследуемые аминокислотные комплексы не имеют хелатного строения. В эксперименте на мышах исследована возможность использования комплексного соединения глицината кальция в качестве препарата для восполнения дефицита кальция в условиях антиортостатической гипокинезии. Сравнительная оценка эффективности применения хлорида и глицината кальция показала при равных условиях более высокую биодоступность последнего.
квантово-химическое моделирование
глицинат кальция
аминоацильные комплексы кальция
1. Барановский В. И. Квантовая механика и квантовая химия: учеб. пособие для студентов вузов. - 1-е изд. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 384 с.
2. Воронцов Б. С. Квантово-химические критерии, отличающие молекулярные модели линейных фрагментов структуры сеткообразующих оксидов // Вестник КГУ. - 2010. - № 2 (18). - С. 43-49.
3. Гайдышев И. П. Решение научных и инженерных задач средствами Excel, VBA и С/С++. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - С. 148-178.
4. Ломоносова Ю. Н., Шенкман Б. С., Немировская Т. Л. Регуляция экспрессии тяжелых цепей миозина кальцинейрином в М. soleus при снижении двигательной активности крыс // Рос. физиол. журнал. - 2009. - № 9. - С. 969-976.
5. Минкин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Квантовая химия органических соединений. Механизмы химических реакций. - М.: Химия, 1986. - 248 с.
6. Молекулярное моделирование: теория и практика // Х. Д. Хёльтье, В. Зиппль, Д. Роньян, Г. Фолькерс. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 318 с.
7. Накамото К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений: пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - С. 259-271.
8. Накоскин А. Н., Лунева С. Н., Стогов М. В. Способ получения хелатного аминоацильного комплекса кальция // Заявка на изобретение № 2010142137 от 13.10.2010 г. Положительное решение на выдачу патента от 19.08.2011 г.
9. Новоковская Ю. В. Определение термодинамических и кинетических характеристик элементарных реакций на основе квантово-химических расчетов. - М.: изд-во МГУ, 2010. - 69 с.
10. Соловьев М. Е. Компьютерная химия. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 536 с.
В профилактике и лечении заболеваний опорно-двигательной системы широко используются фармацевтические препараты и биологически активные вещества, действие которых направлено на восполнение дефицита кальция в организме и в костной ткани в частности. В последние годы на рынке биологически активных веществ для восполнения потерь кальция появляются препараты, действующим веществом которых является бис-аминокислотные комплексные соединения кальция. Как известно, для химических элементов второй группы периодической системы не характерно образование комплексных соединений, но и полностью не исключается. В отечественной научной литературе нами не обнаружено информации о строении, химических, физических и физико-химических характеристик аминокислотных комплексов кальция. Кроме этого, в настоящее время обязательным этапом при разработке новых лекарственных препаратов является молекулярное моделирование [6].

Цель исследования - провести квантово-химическое моделирование аминокислотных комплексов кальция и оценить возможность их применения для восполнения дефицита кальция на модели антиортостатической гипокинезии у мышей.

Материалы и методы

Для построения молекулярных моделей аминокислот и их комплексов с кальцием нами использован графический редактор программного комплекса - пакета прикладных программ квантовой химии - Hyper Chem [10]. При построении моделей с пробной геометрией для аминокислот в ряде случаев использована одна из библиотек данного пакета. Оптимизация геометрии осуществлялась в зависимости от нахождения начальной точки относительно ближайшего минимума на поверхности потенциальной энергии (ППЭ) [5]. Построены молекулярные модели для аминокислотных комплексов кальция с аланином, глицином, лейцином, лизином и аргинином с геометрией, оптимизированной полуэмпирическим методом РМ-3. Расчет проводился с применением программного комплекса GAMESS [9].

Комплекс кальция с аминоуксусной кислотой получали смешиванием растворов глицина и хлорида кальция [8].

Эксперимент был выполнен на 54 мышах-самцах линии СВА массой 25-30 г. Для развития у животных остеопороза применяли антиортостатическую силовую разгрузку мышц. Гипокинезию мышц задней конечности создавали с помощью модели [4], заключающейся в вывешивании мышей за хвостовую складку под углом 45° и лишении их опоры на задние конечности. Животные трёх групп содержались на обеднённом белками и кальцием рационе. Первая группа (n=18) служила контролем, второй и третьей группам (по n=18) дополнительно ежесуточно перорально вводился раствор глицината кальция и хлорида кальция соответственно, содержащий 1 мг Са2+ на животное в сутки. Из эксперимента мышей выводили декапитацией на 7 (n=6), 14 (n=6) и 28 (n=6) сутки. Все манипуляции с животными проводили в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных» (приложение к приказу Минздрава СССР от 12.08.1977 № 755).

Для биохимического исследования в сыворотке крови экспериментальных животных оценивали общее содержание кальция, неорганического фосфата, активность щелочной (ЩФ) и тартрат-резистентной кислой (трКФ) фосфатаз. В бедренных костях мышей определяли содержание кальция, фосфата и оксипролина (ОП). Результаты биохимических показателей сыворотки крови и костной ткани мышей экспериментальных групп сравнивали с показателями животных интактной группы (n=13). Для оценки достоверности различий использовали непараметрический критерий Манна-Уитни (р<0,05). Статистическую обработку результатов осуществляли в макросе программы «Microsoft Excel» «AtteStat» Версия 1.0 [3].

Результаты и их обсуждение

В результате оптимизации геометрии бис-глицинового комплекса кальция была получена модель, геометрические характеристики которой, а также заряды на атомах и порядки связей, определенные по Малликену [1], приведены в таблице 1. Размер комплекса, определенный по максимальным расстояниям между диаметрально противоположными атомами, составляет примерно 7 ангстрем.

Таблица 1

Характеристики для связей и атомов в глицине (знаменатель) и бис-глициновом комплексе Ca2+ (числитель)

Связь

Длина связи, Å

Порядок связи

Атом

Заряд

Ca-O

2,33

0,23

Ca2+

+0,96

C-O-(Ca/H)

1, 28/1,39

1,11/0,71

O-(Ca)/O(-H)

-0,41/-0,29

C=O

1,28/1.21

1,11/1,27

OД

-0,41/-0,12

C-C(H2)

1,56/1,55

0,73/0,75

C(OOCa/H)

0,25/0,31

C-N

1,52/1,48

0,71/0,71

N

-0,39/-0,56

Из приведенных в таблице 1 данных следует, что при образовании комплекса с кальцием в молекулах глицина происходят изменения, касающиеся только ближайших к атому кальция связей. Связь кальция с атомами кислорода практически ионная. При этом стянутый с атома кальция заряд распределяется между четырьмя атомами кислорода. Суммарное увеличение заряда на них составляет 0,82 заряда электрона.

В работе [7] приведена схема бис-глицинового комплекса, в которой ион металла одинаково связан как с кислородом, так и с азотом. Для проверки этого утверждения мы использовали пробную геометрию для бис-глицинового комплекса кальция, соответствующую данной схеме (рис. 1), и далее провели оптимизацию с указанными связями в комплексе. В итоге оптимальная геометрия осталась той же, что и без Ме-N связи, а заселенность этой связи фактически равна нулю. Следовательно, модельное изучение не подтверждает хелатный характер связи иона кальция с атомами азота в данном комплексе.

Рис. 1. Структурная схема бис-глицинового комплекса Са, построенная в соответствии с данными работы [7]

Практически с начала реализации квантово-химических расчетов обсуждалась возможность определения с их помощью термодинамических функций молекул и их изменения в химических реакциях [5]. Однако подобные расчеты достаточно долго не получали широкого распространения в связи со сложностью и большими затратами машинного времени, необходимого для их реализации. В настоящее время расчет термодинамических функций включен в качестве стандартного блока в пакеты прикладных программ квантовой химии, в частности, такие как Hyper Chem и GAMESS. Опубликованы работы по обоснованию методики этих расчетов (см. например [9]). Однако результаты таких расчетов и до настоящего времени публикуются и обсуждаются недостаточно часто для того, чтобы сделать детальный анализ успешности их реализации.

Методика расчета термодинамических функций молекул, заложенная в пакеты прикладных программ квантовой химии, приведена, например, в работе [1].

Определение равновесной геометрической структуры молекулы и ее колебательного спектра позволяет рассчитать ее основные термодинамические характеристики при заданной температуре - энтальпию (Н), энтропию (S), теплоемкости Cp и CV). Расчеты проводят по формулам:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

(для линейных молекул),

, (8)

. (9)

Здесь:

, (10)

, (11)

n- число молей вещества;R - универсальная газовая постоянная; N0- число Авогадро;M - масса молекулы; k- постоянная Больцмана; T температура; P- давление; h- постоянная Планка; Ia- момент инерции; σ число симметрии; Vα - частота колебаний; gα- кратность вырождения колебаний; Wэ- кратность вырождения электронного состояния молекулы (как правило, равна единице);E0 - электронная энергия (получается в квантово-химическом расчете).

Изменение энтальпии в результате химической реакции (A - реагенты,B - продукты) определяется по формуле:

. (12)

Два последних члена в этой формуле - поправки на нулевую энергию колебаний ( ):

. (13)

Термодинамические характеристики, рассчитанные по указанной методике, для глицина и комплекса кальция на его основе, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Термодинамические функции для моделей глицина и его комплекса с кальцием

Термодинамическая функция

Глицин

Бис-глициновый комплекс Ca

E(0), ккал/моль

-175148

-770042

E(300), ккал/моль

-175087

-769933

S(300), ккал/моль·К

0,0737

0,112655

H(300), ккал/моль

-175109

-769967

Проведенный с этими данными расчет теплоты образования ΔH и энтропии образования ΔS комплекса кальция при T=300K по реакции:

2gly + CaCl2 - Ca(gly)2 + 2HCl (14)

дает значения + 78 ккал/моль и - 0,023 ккал/моль·К.

Проведенное модельное исследование показало невозможность образования аминоциальных комплексов с кальцием хелатного типа. Несмотря на то, что линейные размеры молекул аминокислот в изученном ряду возрастают от 5 до 10 ангстрем, размер комплексов примерно одинаков и составляет ≈8Å. Исключение составляет комплекс с аргинином, у которого наряду с компактной частью такого же размера имеется и «хвост».

Аналогичным образом проведены расчеты геометрий комплекса кальция с аланином, лейцином, лизином и аргинином. Данные, обобщенные в таблице 3, показывают, что характер связи Ca в этих комплексах одинаков. Связь практически ионная. В изученном ряду заряд иона кальция закономерно уменьшается; прослеживается тенденция увеличения среднего значения длины Ca-O связи и соответствующего уменьшения ее заселенности. С ростом размера комплексов закономерно возрастает асимметрия Ca-O связей, оцененная по соотношению длин связей и их заселенностей. Ранее в нашей работе [2] было показано, что в случае сеткообразующих оксидов это означает появление тенденции к фрагментации больших молекул. Систематическое изучение комплексов глицина с большим числом металлов [7] также показало уменьшение стабильности комплексов с ростом их асимметрии.

Из данных таблицы 3 следует также, что при синтезе комплексов по реакции типа (13) в изученном ряду наблюдается рост энтальпии реакции и рост изменения энтропии системы в результате реакции.

Таблица 3

Сравнительные характеристики аминоацильных комплексов Са2+ по данным полуэмпирического расчета РМ-3

 

Глицин

Аланин

Лейцин

Лизин

Аргинин

Размер комплекса в Å

7

7-7,5

8

8

12

Заряд атома Са

0,81

0,74

0,7

0,71

0,63

Средняя длина связи Са-О, Å

и средний порядок связи

2,37/0,21

2,38/0,18

2,50/0,135

2,58/0,11

2,47/0,14

Асимметрия

1,03

1,04

1,07

1,13

1,21

Асимметрия

1,08

1,28

1,7

1,75

2,22

- ΔH(300), ккал/моль

196,8

244

369

386

378

ΔS(300), ккал/моль*K

-0,0076

-0,011

-0,033

-0,036

-0,0491

При биохимическом исследовании сыворотки крови и образцов костной ткани экспериментальных животных получили следующие данные.

Повышение концентрации сывороточного кальция на фоне снижения содержания данного элемента в костной ткани животных 1-ой группы свидетельствует о процессах резорбции кости (таблицы 4 и 5). Так как в костной ткани мышей 2-ой группы наблюдалось постепенное накопление кальция на фоне повышения его концентрации в сыворотке крови, то можно предположить, что элемент поступал в кровь не за счет процессов резорбции кости, а из желудочно-кишечного тракта в составе глицината кальция. Следовательно, кальций из комплексного соединения транспортируется в кровяное русло, накапливаясь при этом в костной ткани.

Таблица 4  Основные биохимические показатели сыворотки крови мышей&

Показатель, ед. изм.

№ группы

Продолжительность эксперимента, сут.

Интактные животные(n=13)

7-е

14-е

28-е

трКФ, Ед/л

1 - контроль, (n =6)

2 - Са(гли)2, (n =6)

3 - СаСl2, (n =6)

3,4 (1,7;3,7)

2,8 (1,1;4,6)

1,4(0,3;3,3)

1,5 (1,1;2,3)

7,2* (5,5;8,4)

0,9* (0,5;1,1)

15,4* (14,6;18,1)

1,5 (0,9;2,1)

4,2 (2,9;5,1)

3,3(1,7;5,4)

ЩФ, Ед/л

1 - контроль, (n =6)

2 - Са(гли)2, (n =6)

3 - СаСl2, (n =6)

103,5*(75,0;116,9)

65,9*(60,4;77,6)

26,3*(24,5;27,9)

137,3*(128,8;141,6)

97,3* (72,1;107,5)

15,6* (14,5;16,2)

21,3*(19,3;22,5)

87,6*(80,3;93,8)

16,5*(14,0;18,6)

164,9(149,6;174,3)

Са2+, ммоль/л

1 - контроль, (n =6)

2 - Са(гли)2, (n =6)

3 - СаСl2, (n =6)

2,41*(2,31;2,48)

2,24(2,23;2,26)

2,03(1,83; 2,19)

2,33*(2,19;2,42)

2,24(2,19;2,33)

2,54*(2,43;2,54)

2,38*(2,28;2,46)

2,41*(2,41;2,49)

2,45*(2,28;2,47)

2,12(1,99;2,23)

РО43-, ммоль/л

1 - контроль, (n =6)

2 - Са(гли)2, (n =6)

3 - СаСl2, (n =6)

2,52*(2,51;2,54)

1,82*(1,74;2,20)

2,31(2,09;2,48)

2,73*(2,62;2,98)

2,34(2,29;2,45)

2,50(2,19;2,60)

2,03(1,96;2,24)

1,17*(1,12;1,21)

1,83*(1,67;1,98)

2,14(1,97;2,39)

& - В таблице представлены медианы значений М (25 %; 75 %); * - достоверные различия при сравнении интактной группы с экспериментальными животными.

В группе № 2 происходило достоверное снижение концентрации фосфата к 28 суткам эксперимента. Данное явление, скорее всего, связано с активным участием неорганической формы фосфата в поддержании нормального функционирования минеральной компоненты костной ткани, тогда как в контрольной группе наблюдалось достоверное увеличение данного показателя на 7 и 14 сутки после начала эксперимента, связанное с интенсивными процессами разрушения костной ткани. При изучении органической составляющей следует отметить увеличение содержания ОП в костной ткани мышей контрольной группы по сравнению с интактной группой, отсутствие существенных изменений в группе животных, которым ежесуточно перорально вводился раствор глицината кальция, и повышение концентрации ОП в большеберцовой кости животных, в рацион которых входил хлористый кальций (таблица 5).


Таблица 5  Основные биохимические показатели костной ткани мышей&

Показатель, ед. изм.

№ группы

(по n=6)

Продолжительность эксперимента, сут.

Интактные животные(n=13)

7-е

14-е

28-е

ОП,

мг/100 мг

1(контроль)

2 (Са(гли)2)

3 (СаСl2)

9,75(8,97;11,22)

10,00(8,46;10,99)

13,22*(12,21;13,41)

14,17*(13,33; 14,52)

13,73*(13,64; 14,12)

12,53*(12,20;13,21)

16,15*(14,03;16,48)

10,23(8,95;10,64)

12,01(10,28;13,66)

10,43

(8,58;10,60)

Са2+,

мг/100 мг

1(контроль)

2 (Са(гли)2)

3 (СаСl2)

18,04(16,52;18,33)

18,17(16,96;18,81)

16,20(15,18;16,89)

14,98*(14,89;15,87)

19,01(17,38;19,40)

16,17(15,67;16,68)

14,30*(13,79;14,37)

18,80*(18,04;18,94)

16,07(15,57;16,29)

16,20

(15,84;17,98)

РО43-,

мг/100 мг

1(контроль)

2 (Са(гли)2)

3 (СаСl2)

25,68*(25,46;26,31)

28,14(27,35;28,94) 26,62*(26,47;26,99)

27,08(25,95;28,53)

25,02*(21,88;27,01)

29,69*(27,75;31,99)

24,47* (23,81;25,61)

27,80(27,29;28,73)

30,01(27,50;30,31)

28,76

(27,93;30,39)

& - В таблице представлены медианы значений М (25 %; 75 %); *-- достоверные различия при сравнении интактной группы с экспериментальными животными.

Уровень ЩФ в сыворотке крови животных контрольной группы к 28 суткам эксперимента значительно снижался по сравнению с интактной группой, что свидетельствует о преобладании процессов костной резорбции, связанных с нарушением роста и функционирования костной ткани. Введение в пищевой рацион хлорида кальция также значительно снижало активность ЩФ уже к 7-ым суткам эксперимента, данное снижение сохранялось на протяжении всего эксперимента. Уровень ЩФ в сыворотке крови животных 2-ой группы снижался менее интенсивно, на протяжении всего эксперимента не наблюдалось значительных скачков активности фермента. Существенное повышение уровня трКФ к 28 суткам эксперимента в группе № 1 приводило к активизации остеокластов и к угнетению остеобластов, начинали протекать интенсивные процессы костной резорбции. Это подтверждается, как уже было отмечено, возрастанием концентрации кальция и фосфата в сыворотке крови и ингибированием активности ЩФ. Следует отметить, что во 2 и 3-ей группах активность трКФ колебалась незначительно.

Для более полного анализа изменений в системе Са2+-ОП рассчитывали коэффициент Са2+/ОП, позволяющий оценить сдвиги в соотношении минеральной и органической компоненты. Анализ данных показал, что наряду с увеличением содержания ОП в костной ткани 1-ой группы, отмечалось количественное снижение содержания кальция, происходило падение индекса Са2+/ОП. Восполнение кальциевой недостаточности за счёт обогащения пищевого рациона глицинатом кальция сопровождалось достоверным возрастанием содержания кальция в кости на фоне сохранения постоянного значения концентрации ОП. В связи с данным явлением в ходе эксперимента регистрировалось повышение коэффициента Са2+/ОП относительно группы интактных животных. В 3-ей группе животных индекс Са2+/ОП не превышал значения индекса животных группы сравнения.

Заключение

Таким образом, полученные в ходе работы данные указывают на различия в строении аминоацильных комплексов кальция и изученных ранее глициновых комплексов d-элементов. Расчетными методами установлено, что связь в исследуемых соединениях практически ионная, не происходит образования внутрикомплексных соединений (хелатов). Введение в пищевой рацион мышей глицината кальция в количестве 1 мг Са2+ в сутки предупреждает потерю данного элемента костной тканью в условиях антиортостатической разгрузки. Са2+ из комплекса усваивается костной тканью лучше, чем из неорганической соли хлорида кальция. Следовательно, глицинат кальция может найти применение в качестве самостоятельного препарата для восполнения дефицита кальция.


Рецензенты:

  • Попков Дмитрий Арнольдович, доктор медицинских наук, заведующий лабораторией коррекции деформаций и удлинения конечностей ФГБУ «РНЦ «ВТО» имени академика Г. А. Илизарова» Минздравсоцразвития России, г. Курган.
  • Щудло Наталья Анатольевна, доктор медицинских наук, заведующая клинико-экспериментальной лабораторией реконструктивно-восстановительной микрохирургии и хирургии кисти ФГБУ «РНЦ «ВТО» имени академика Г. А. Илизарова» Минздравсоцразвития России, г. Курган.

Библиографическая ссылка

Накоскин А.Н., Воронцов Б.С., Лунева С.Н., Ваганова Л.А. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АМИНОАЦИЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ КАЛЬЦИЯ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ВОСПОЛНЕНИЯ ДЕФИЦИТА КАЛЬЦИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=6224 (дата обращения: 24.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074