Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах , 2021, T. 498, № 1, стр. 42-50

Спиропираны представляют собой один из наиболее интересных классов органических фотохромных соединений, молекулы которых способны претерпевать обратимую изомеризацию между обычно бесцветной спироциклической и яркоокрашенной мероцианиновой формами под действием различных внешних факторов, благодаря чему могут быть использованы в качестве легко настраиваемых молекулярных переключателей в самых разнообразных передовых отраслях науки и техники [1, 2].

В последнее время все более перспективным становится применение спиропиранов в области биомедицины. В частности, на основе существенного изменения дипольного момента молекул спиропиранов при облучении стала возможна фотоконтролируемая доставка лекарственных средств [3, 4], а проявление ими фотоуправляемых флуоресцентных свойств делает их эффективными флуоресцентными зондами для биовизуализации [5, 6]. Особо интересным направлением является создание молекулярных диад на основе биологически активных соединений и спиропиранов, так как наличие у такой гибридной молекулы фотохромной функции позволяет ожидать от нее проявления биологической активности, управлять которой можно дистанционно при облучении светом, а также с помощью других внешних факторов (температура, рН и т.д.), что предполагает использование подобных систем в рамках концепции фотофармакологии [7].

Ранее нами были получены молекулярные гибриды спиропиранов и α-липоевой кислоты (АЛК), обладающие крайне низкой цитотоксичностью и ярко выраженными сигнальными антиоксидантными свойствами, превосходящими таковые свойства у АЛК [8]. Целями данной работы были сравнительное исследование структуры гибридных соединений 1 [8] и 2, полученных на основе гидроксизамещенных спироиндолинонафтопиранов 3, 4 и АЛК 5 по реакции этерификации (схема 1), а также оценка их перспективности в качестве ингибиторов агрегации белка амилина с помощью методов молекулярного докинга.

Схема 1.

Кристаллы соединений 1 и 2, пригодные для рентгеноструктурного анализа, были получены из растворов в смеси метанол–ацетонитрил (1 : 1). Молекулярная структура полученных спиропиранов показана на рис. 1. Кристаллографические данные для соединений 1 и 2 представлены в табл. 1, а избранные длины связей, плоские и торсионные углы – в табл. 2.

Рис. 1.

Молекулярная структура соединений 1 (а) и 2 (б).

Липоевые фрагменты молекул в обоих случаях разупорядочены от атома С(18') по двум положениям a и b в соотношении 0.82 : 0.18 для соединения 1 и 0.45 : 0.55 для соединения 2, что обусловлено высокой подвижностью алкильной цепи (рис. 1).

Углы между среднеквадратичными плоскостями спиро-сочлененных индолинового и бензопиранового фрагментов в структурах 1 и 2 равны 84.92° и 85.60° соответственно. Для соединения 2 угол между среднеквадратичными плоскостями бензольного кольца и пиррольного цикла в индолиновой части равен 7.62°, а пиранового фрагмента и аннелированного к нему цикла – 3.13°, что указывает на неплоское строение вышеуказанных гетероциклов. Атомы нафталинового фрагмента пирановой части молекулы лежат в одной плоскости. Индолиновый атом азота имеет пирамидальное строение, сумма углов при нем равна 348.43°. При этом он лежит практически в плоскости бензольного ядра и атома С(3), отклонение от среднеквадратичной плоскости С(8–3) 0.003 Å. Такая деформация валентных углов вызвана значительным отклонением атома С(2,2') от плоскости С(8–3), которое составляет 0.456 Å. Пирановый цикл имеет конформацию полукресла с отклонением С(2,2') атома от среднеквадратичной плоскости остальных атомов цикла на 0.250 Å и атома О(1') на 0.229 Å. Длины связей N(1)–C(2,2'), С(2,2')–О(1') и О(1')–С(11') равны 1.457(7), 1.470(6) и 1.362(7) Å соответственно.

Фрагмент липоевой кислоты лежит вблизи плоскости нафталинового ядра молекулы. Торсионные углы C(5')–C(6')–O(2')–C(15'), C(6')–O(2')–C(15')–C(16') и O(2')–C(15')–C(16')–С(17') равны 115.76°, –176.21° и 171.98° соответственно. Отклонение атома О(2') от среднеквадратичной плоскости атомов нафталинового цикла составляет 0.107 Å, а угол между плоскостями нафталинового фрагмента и связи С(15')–О(3') – 66.83°. Торсионные углы С(17')–С(18')–С(19')–С(20'), С(17')–С(18')–С(19'')–С(20'') и С(18')–С(19')–С(20')–С(21'), С(18')–С(19'')–С(20'')–С(21'') соответственно равны 169.57°, –167.23°, –176.49° и 179.35°. Дитиолановые фрагменты имеют конформацию полукресла с отклонением атомов S(1'), S(2'), S(1'') и S(2'') от углеродных атомов соответствующих циклов на 0.759, 0.261, 0.395 и 0.629 Å соответственно.

Молекула спиропирана 1 деформирована несколько сильнее, что можно увидеть при пространственном наложении структур соединений 1 и 2 (рис. 2). Торсионные углы C(5')–C(6')–O(2')–C(15'), C(6')–O(2')–C(15')–C(16') и O(2')–C(15')–C(16')–С(17') соответственно равны –115.87°, –178.90° и –67.56°. Угол между среднеквадратичными плоскостями бензольного кольца и пиррольного цикла в индолиновой части равен 5.87°, а пиранового фрагмента и аннелированного к нему цикла – 5.88°. Нафталиновый фрагмент также непланарен – угол между аннелированными циклами составляет 2.12°. Индолиновый атом азота имеет пирамидальное строение, сумма углов при атоме азота составляет 348.05°. Атом азота лежит в плоскости бензольного ядра и атома С(3), отклонение от среднеквадратичной плоскости С(8–3) равно 0.002 Å. Как и в предыдущем случае, атом С(2,2') также достаточно сильно отклоняется от плоскости С(8–3) – на 0.446 Å. Метоксильная группа несколько повернута относительно плоскости бензольного цикла – отклонение для атома О(1) составляет 0.143 Å, а для С(13) – 0.169 Å. Пирановый цикл имеет конформацию полукресла с отклонением атома С(2,2') от среднеквадратичной плоскости остальных атомов цикла на 0.335 Å и атома О(1') на 0.294 Å. Длины связей N(1)–C(2,2'), С(2,2')–О(1') и О(1')–С(11') близки к таковым для спиропирана 1 и соответственно равны 1.456(4), 1.469(4) и 1.367(4) Å.

Рис. 2.

Наложение структур соединений 1 и 2.

Атом O(2') отклоняется от среднеквадратичной плоскости нафталинового цикла на 0.154 Å, а угол между плоскостями цикла и связи С(15')–О(3') составляет 69.01°. Торсионные углы С(17')–С(18')–С(19')–С(20'), С(17')–С(18')–С(19'')–С(20''), С(18')–С(19')–С(20')–С(21') и С(18')–С(19'')–С(20'')–С(21'') равны 173.06°, –176.69°, 178.13° и 104.32° соответственно. Дитиолановые фрагменты имеют конформацию полукресла с отклонением атомов С(21'), С(22'), С(21'') и С(22'') от среднеквадратичной плоскости остальных атомов соответствующих циклов на 0.332, 0.375, 0.594 и 0.259 Å соответственно.

Кристаллы спиропирана 1 имеют слоистую, а 2 – колончатую структуру (рис. 3), что подтверждается наличием соответствующих укороченных контактов.

Рис. 3.

Упаковка молекул в кристаллах спиропиранов 1 (вид вдоль оси b) (а) и 2 (вид вдоль оси а) (б).

Благодаря наличию в молекуле фрагмента биологически активной АЛК, возможно рассматривать спиропираны 1 и 2 в качестве потенциальных фотофармакологических агентов. Ранее мы установили, что антиоксидантная активность 1 и 2 может превышать соответствующие показатели для АЛК [8]. При этом сама АЛК обладает широким спектром терапевтического действия и может применяться при лечении таких заболеваний, как диабетическая полинейропатия, болезнь Альцгеймера и других нейродегенеративных расстройств [9]. Одной из возможных причин биологической активности АЛК является способность ингибирования агрегации белка амилина, сопутствующей вышеупомянутым патологическим состояниям [10, 11].

Нами было проведено сравнение способности соединений 1 и 2 к связыванию с амилином (островковым амилоидным полипептидом IAPP) по сравнению с АЛК при помощи метода молекулярного докинга. Аффинность в паре белок–лиганд рассчитана с помощью ПО AutoDock Vina при использовании подхода гибкого докинга относительно нежестких фрагментов молекул лигандов, структуры которых были установлены методом РСА. Основные результаты докинга приведены в табл. 3. Наиболее выгодная конформация спиропирана 1 при его взаимодействии с амилином с точки зрения оценочной функции докинга и их двумерная диаграмма взаимодействий, полученная с помощью программы LigPlot+, представлены на рис. 4.

Рис. 4.

Наиболее выгодная конформация спиропирана 1 при его взаимодействии с амилином (а) и их двумерная диаграмма взаимодействий (б).

Результаты молекулярного докинга показали, что оба исследованных спиропирана могут образовывать водородную связь с аминокислотным остатком амилина Asn31. При этом соединение 1 образует еще восемь гидрофобных контактов с белком, в том числе с аспарагиновыми и аланиновым остатками Asn21, Asn22 и Ala25, находящимися на участке цепи (Ser20–Ser29) – одном из наиболее амилоидогенных регионов молекулы амилина [12]. Соединение 2 образует три гидрофобных контакта с Arg11, Asn14 и Phe15, а АЛК – с остатками Phe15 и Asn21. Также для АЛК было предсказано образование двух водородных связей с пептидными остатками Asn14 и Asn31. Оценочные энергии связывания соединений 1, 2 и АЛК с амилином составили –8.0, –7.0 и –3.7 ккал моль^–1 соответственно, что позволяет ожидать от гибридных спиропиранов повышенной либо сравнимой с АЛК ингибирующей способности.

Таким образом, проведено исследование двух производных спиропиранов индолинового ряда и α-липоевой кислоты; спиропиран 2 является новым в данной серии. Молекулярная структура полученных соединений детально исследована методом РСА. Полученные данные показали высокую лабильность липоевых фрагментов в молекулах, которая достигается как за счет собственной подвижности алкильной цепи, так и вследствие неполного сопряжения между атомами кислорода сложноэфирной группы и деформированным нафталиновым фрагментом. Такая повышенная лабильность также может косвенно указывать на возможность образования более прочных невалентных взаимодействий, например, в случае лиганд-белковых комплексов. Моделирование методом молекулярного докинга показало возможность повышения аффинности к белку амилину при переходе от АЛК, для которой ранее установлена ингибирующая его агрегацию активность [11] к спироциклическим производным АЛК. Это указывает на высокий потенциал для использования полученных соединений в качестве ингибиторов агрегации амилина. При этом наиболее перспективным кандидатом является спиропиран 1, для которого, помимо наибольшей по модулю оценочной энергии связывания, были предсказаны гидрофобные взаимодействия с аминокислотными остатками на одном из ответственных за амилоидогенность участке молекулы. Также для спиропирана 1 была зарегистрирована склонность к фотоиндуцируемой изомеризации [8], что позволяет рассматривать его в качестве потенциального фотофармакологического агента с управляемой биологической активностью.