Рентгеноструктурное исследование стероидных гормонов прегнанового ряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.18 ВАК РФ

Г) П

¡-, <-< ч-ч..^ ¡,. _ '

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ КРИСТАЛЛОГРАФИИ ИМ. А.В.ШУБНИКОВА

На правах рукописи УДК 548.737

ОВСЕЦИНА ТАТЬЯНА ИВАНОВНА

ЕЕНТГЕНОСТРУКТУРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕРОИДНЫХ ГОРМОНОВ ПРЕГНАНОВОГО РЯДА

Специальность 01.04.18 - кристаллография,

физика 1фисталлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Стероидные соединения: достаточно юпространены как в животном, так и в растительном маре, к ним яосятся многочисленные и жизненно важные классы природных [зиологически активных соединений. Это и гормоны коры дпочечников, желчные кислоты, стёрины, сердечные агликоны и т.д.

Исключительная, роль стероидных гормонов в регулировании знообразных процессов жизнедеятельности организмов обуславливает активное использование в медицине и делает особо актуальными как исковые, так и исследовательские работы по стероидным соединениям, протяжении многих лет в, ведущих научных центрах многих стран мира цётся поиск новых- медицинских гормональных препаратов с учтенными функциональными характеристиками и узким спектром ^ 1ствия.

При таких целенаправленных исследованиях особенно важно 'ановить механизм действия конкретных гормональных препаратов, ять роль структурных «и конформационных особенностей молекул в ном биологическом воздействии. Именно поэтому результатам тематических рентгеноструктурных исследований, касающихся много строения природных стероидных гормонов и их синтетических логов уделяется самое пристальное внимание.

Цель работы: исследования атомных и молекулярных структур таи синтетических стероидных соединений прегнанового ряда: г)-ЗР-ацетоксицрегн-5^ен^20.-ола С23Н36°3 (ч). го-метоксалил-5оната з0-ацетоксицрегн-5-ен-2О-ола О26НЭ0О6 (2), 20-гёмисукцина-ЗР-ацетоксипрегн-5-ен-20-ола °27н4о°6 (3), 20-фталата щетоксипрегн-5-ен-20-ола Сз2н42о6 (4), зр,17а-диацетокси-1бр, ксидо-21,24-динорхол-5-ев-20-она С2б%6°6 23-*1 б-б-лектонов детокси-16а-окси-24-норхола-5,17(20)-диен-23-орой " кислоты '(6) и зр-ацетокси-16а-окси-24-норхола-5,20(22)-диен-23-щслоты с25н34о4 (у), 9а-оксищюйзводных эр-ацетокси-5а-н-а-1б-ен-20-она ^З^Л ^ и зр-ацетокси-1 ба-метокси-^а-н-з-20-она с24^38°5 110 основв полученных данных о

гранственном строении горюнов и их бйологическбй актйвности иь зависимость "структура-функция".

Все объекты исследований синтезированы- и получены в виде ¡ристаллов в лаборатории химии стероидов й терпеноидов Института мческой химии им. Н.Д;Зелинского РАН. Зоологическая активность , нений определялась в Тихоокеанском институте биоорганической

,:' - ;>• • ч;Л'Л;- Г-..- < ........ - ■

/ -. ' .; ■■.• . Ч; - • : - '

\ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ " (

во введении . обсувдается актуальность темы работа, формулирована цель данного исследования, основные' положения и ©зу^таты, выносимые на защиту. ' - ,

Первая глава носит обзорный характер и содержит краткую нформацию о развитии представлений в строении стероидов с позиций энтгеноструктурных исследований. Здесь же излагаются основы информационного анализа применительно к молекулам стероидных эединений. Глава заканчивается обзором работ, в которых обсуждаются редположения о возможных механизмах действиях кардиотонических героидных гормонов, рассматриваются этапы взаимодействия молекулы ?ероида с белком-рецептором. ( Из анализа литературных; данных ¡едует, что среди физических методов исследования строения ■ероидов метод рентгеноструктурного анализа оказывается наиболее ■чным и информативным.

Среда широкого круга физиологически активных стероидов важное сто занимают соединения, у которых баковая цепь в кольце О держит одну или несколько гидроксильных груш. В общих чертах, эроиды с полиокислёнными цепями можно разделить на две большие ¡талы: гормоны с разветвленными боковыми цепями и циклически»! агментами. ' '

Во второй главе рассматриваются четыре представителя первой щпы соединений в порядке возрастания степени окисленности боковых юй. Приведены результаты рентгеноструктурного исследования [тётического стероидного горюна прегнанового ряда. с2знэб0з ^ и

>х его ,пр6изводных С26НЭ8°6 С27Н40°6 и °Э2?42°6 а

же сопоставляются рассчитанные конформационные характеристики екули биологическая активность данныхсоединений.

Исследуемые вещества представляют собой бесцветные, прозрачные, пкие 'кристаллы, имеющие призматический габитус. Данные цинения стабильны при комнатной температуре.

Экспериментальный дифракционный материал и параметра яентарных ячеек были измерены на автоматическом рентгеновском лактометре 0АВ-4Р фирмы шгАг-гошоз (\СиКа-излучение, гранитовый >хроматор). Основные кристаллографические .характеристики данений (1 )-(4) и' экспериментальные данные приведены в табл.1, метры съемки и тип сканирования выбирайшсь на основе анализа млей ,рентгеновских отражений* в эксперименте использовалось '-сканщювание для структур (1)-(Э) и ш-сканирование для ктуры (4). ,

Уточвввщ ; моделей, всех ' четырех структур проведено МНК в зотропном и в анизотропном приближениях тепловых колебаний атомов с омощью комплекса nporpaiJW ARM. Поправка на поглощение вводилась по рограмме DIFÂBS. Положения атомов водорода во всех структурах цалось -определить из . серии разностных синтезов электронной котности. Заключительные ¡значения факторов расходимостей по груктурам (1М4) приведены в таблиц

л Основные ; черты конформации и характер гофрировки остова ¡следованных молекул (1)-(4) видны на рис. 1-4, на которых надставлены проекции соответствующих молекул. В первую очередь ращает на себя внимание характерный для стероидов общий изгиб трациклического скелета молекулы с выпуклой ß-поверхностью. Это дтверздает и анализ отклонений Атомов кольца л от плоскости, эведенной методом наименьших квадратов через атош циклов В, О и Максимальное отклонение от этой плоскости во всех структурах >ет атомсз. В диссертации приведены количественные характеристики »пени изгиба стероидного.каркаса для всех исследованных молекул.

Величина скручивающей деформации стероидного скелета юсительно продольной оси молекулы, определяемая псевдоторсионным ЮМ C19-C1Û.. .С13-С18, для исследованных 1фИсталлов составляет ,"11,з, 14,9 и 11,6° для структур (1 )-(4) соответственно, динение (1) более скручено в поперечном направлении, чем его изводвые.

Нонформационные характеристики , отдельных циклов . стероидного а, приведенные в работе, рассчитаны согласно рекомендациям атласа хладных структур /Шах W.b., Horton D.A. Atlas of steroid lotyre. New York. Plienum press., 1975. V.1. 572р./. Анализ

Риси. Цррекшямолекулыс HgO (1).

ï

\

параметров асимметрии и отклонения атомов от плоскостей, проведенных методом наименьших квадратов, через ' четыре атома каадого цикла и характеризующих геометрию цикла,1 позволил установить, что цикл А во всех четырех, исследованных, структурах имеет конформацию кресла. При этом в структурах (1 ), и (2) в цикле преобладает поворотная симметрия, а в соединениях (3).и (4) - зеркальная. Конформация цикла В одинакова' для всех исследованных соединений - ер, эа-шыщфесло. Цикл , G имеет форму кресла с.преобладанием зеркальной симметрии в . структурах (1), (2), (4) и с преобладанием поворотной симметрии в шлекуле (з). Конформация цикла D в соединевдях (1),; (Э) и (4) -13р,14а-полукресло, a в молекуле (2) - 1зр^конверт.

Сочленения циклов в сравниваемых молекулах- совпадают по типу, ю их количественные характеристики различаются: А/В - кват-транс, г^ =6.1,(5, 63,4, 61,3, 61,5°; В/Ь - пират, Т2=110;1, 110,9, 108,3, -10,6°; Ç/D - траке,. т3=106,5, 105,5, 110,9, 107,2°.

Атомы экваториально ориентированной эр-ацетатной группычвместе атомом ; 03 цикла А стероидного ядра молекул исследованных оединений лежат в одной плоскости (максимальные отклонения, от лоскости ■ составляют 0,005, 0,027, 0,117, 0,017 Î душ структур ')-(4) соответственно). При этом фрагмент с-с(=о)-о-с является эансоидным'. Необходимо отметить,. что такая конформация и величина звЪрота этой группы относительно стероидного ядра вокруг связи ьоз характ&рна для большинства стероидных соединений, v " .

Атомная группировка С17, 02Ó, 021, 022, составляющая 17Р -жовую цепь структуры (1), существенно нешюская. Отклонения атомов ' плоскости, проведенной через все четыре атома, достигают 0,35 1. . ворот этой группы относительно плоскости четырех атомов цикла !) -,4o. . 17р-боковая цепь характеризуется почти трансоидным сположвнием по отношению к связи 016-017: торсионный угол S-C17-020-022 равен -172,4°.' ,

Максимальное отклонение атомов 17р-боковой цепи в структуре. (2). плоскости, проведенной методом наименьших квадратов через, атомы ), 022, С23, 023, С24, 024, 025 , 025, Имеет ЭТОМ 025. ЭТО слонение от плоскости составляет 0,113 1. В этой структуре I-боковая цепь так же характеризуется почти трансоидным, положением по отношению к связи С16-С17 как и в Ci ), торсионный л С16-С17-С20-022 равен -176,0°. Карбонильные атомы 022 и 023 . же занимают трансоидное положение относительно друг друга, а ктически плоская' структура остатка щавелевой.кислоты составляет с скостью цикла В угол 108,6°.

Разворот атомной группировки, составляющей боковую цепь в

осуществляют свои гормональные функции через связывание со сшцифическими белковыми рецепторами. Эффективность такого "связывания определяется " двумя составляющими полярной,

ответственной за образование водородных связей активных центров стероидной' молекулы, и. гидрофобной, зависящей от гидрофобной • поверхности < стероидного скелета и ее соответствия молекуле i рецептора. ' . '

На основании многих исследований было показано, что гидрофобное взаимодействие 'играет серьезную - роль в стеровд-рецепторноа связывании. Однако проведённый конформационный анализ данных молекул обнаружил, что стероидный каркас молекул меняется 'крайне незначительно, конформации циклов и характеристики сочленений соответствующих циклов в каркасе, очень близки. Поэтому можно утверждать, что в данном случае решающая роль принадлежит не гидрофобной составляющей связывания, а полярной. Т.е., кардаотоническая активность данных веществ определяется полярным взаимодействием стероида с рецептором. Последнее обеспечивается образованием водородных связей протонодонорных центров рецептора с кислородсодержащими радикалами (активными центрами) стероидной молекула1.' - , . . . ::

Естественно предположить, что необходимое для , стероид-рецепторного связывания взаимное расположение полярных центров 3(3-ацетоксигруппы и 17р-боковой цепи может быть/ достигнуто в, результате поворота наиболее подвижного радикала вокруг одинарной звйзи с-0. Одаако углы разворота зр-ацетатной группы и 170-боковсЛ !епи относительно стероидного ядра в молекулах- различаются юзначительно, а изученная биологическая активность соединений ©одинакова. Видимо, наиболее; существенное влияние оказывает длина оковой цепи, ее состав и ' взаимное расположение кислородных адикалов. При этом определяющим фактором является расстояние от . ктивного атома.о до метальной группы при углероде С1 а, которая на зновании многочисленный исследований принимается за центр вдрофобного связывания. Наиболее; удовлетворяет этому условию атом >3. Сильное экранирование этого активного центра соседаими атомами соединении (2) мешает 'образованию стероид-рецепторного комплекса, !гда как свободный доступ к нему в молекулах (3) и (4) способствует :сокой активности соединений. Определенное влияние на биологическою тивность может также оказывать предельный объем концевых радикалов ' ^-боковой цепи, поскольку для стероида необходима некоторая цвижность боковой цепи , в момент взаимодействия стероида с дептором. Слишком громоздкая боковая цепь в молекуле (4) может

V- V ■■ •

Таблица 2

Кристаллографические параметр! и экспериментальные данные но структурам (5)-(7).

Параметры (5) (6) ' (7) ..

С25Н34°4 С25ЙЭ4°4

•Gr t 7,908(4) 5*911(4) 9,490(1)

b, I 12,571(3.) 12,041 (2) 8,141(4)

с, I . 23,496(8) 30,856(4) 28,205(4)

а О ' Р» - ■ - 95,46(1)

Пр.гр. Р212121 щ

2 - 4 4 , 4

.-fr, Р 2362,41 2196,17 2169,22

бвач, г/см3 1,249 1,204 1,219

N* 2383 .1566 4811 ;

N** уср Пfop 1327 9,43 2715 .

0,014 0,028 0,020

0,042 ■ 0,045 0,044

- число измеренных отражений (1>2а(1))

* - число независимых усредненных отражений

эмированные структурные амплитуда, которые позволили составить ю тройных фазовых произведений. Вероятность выполнения тройных шзведений в тангенс-процедуре была понижена с о, 97 в гаматическом режиме до 0,8, По лучшим наборам фаз были построены ®нтезы. Е-сйнтез,. отвечавший наименьшему значению фактора ¡ходимости 0,258, использовался дня автоматического уточнещя фаз уктурных амплитуд, Три итерации метода последовательных ближений выявили все 29 неводородных атомов структуры.

Координаты и тепловые параметры неводородных атомов соединений -(7) уточнялись МНК по програше А8Ш в изотропном и анизотропном Злижениях тепловых колебаний атомов. Поправка на поглощение цилась по програше DIFABS.. Большая часть атомов водорода иизована на разностных синтезах электронной плотности, эданаты остальных атомов н заданы,, из кристаллохимических ¡ражений. Окончательные значения факторов расходимости приведены

16Л.2. ' '' -

На рис.6-8 приведены проекции молекул (5)-(7) на плоскости, олявдие наиболее наглядно показать конформационные1 особенности

." ■ . 15 -■. V у'; ■ .

этих ..стероидов. Как видно на рисунках,, молекулы, сохраняют характерный для стероидов общий изгиб.скелета с выпуклой ^-областью. В диссертации приводятся все количественные конформационные характеристики молекул. ' ,„

.Закручивание бтероидного скелета молекулы в поперечном вправлении, которое характеризуется нсевдоторсионным углом >19-010.. .С1Э-С18,- составляет 6,3, .1,3, 9,0 и 9,6° для молекул (5), ;6), (ТА) и (7В) соответственно. Закручивание лактона (6) тюсительно продольной оси стероида почти на 8° меньше, чем у ®ктона (7) ,. что вызвано различным расположением двойной, связи в реле Е.

Расстояния между кислородными атомами 023 и 024 в структурах 6) и (7), которые могут быть центрами полярного связывания'стероида белком-рецептором, - равны 12,826, 14,146 и 14,164 I в молекулах 6), (7А)_и (7Б) соответственно.

Конформацйя циклов стероидного ядра для данных молекул ледущие: циклов А и С - кресло, циклов Я - 8р,9а-полукресло. В убавляющем большинстве стероидов конформацйя цикла В варьируется шь от 14а- до 1 зр-конверта через форму 130,14а-юлукресда, так «формация цикла В в молекулах (5) и (6) - 130,14а-полукресло. Но в !еих симметрически независимых молекулах соединения' (7) цикл В ©ёт несколько необычную форму: 130,17а-полукресло. Это ъясняетея, по-видимому, стерической напряженностью молекулы (7) по авнению со. структурой (6). Конформационные характеристики ссчитанй согласно требованиям атласа стероидных структур, их ачения содержатся в работе.

бочленения циклов имеют следующие характеристики; АВ -ззи-ярше, ^¿63,0, 59,8, 61,7, 59,7°; ВС - транс, Т2=110,7, 5,8* 107,5, 110,2°; С® - иракс, Тэ=1.05,6, 109,5, 105,6, 106,0° для юкул (5), (6), (7А) и (7Б) соответственно. . ■

Конформацйя дополнительного тетрагидропиран-20-онового цис-шененного с циклом В (о4=44,4°) цикла Е в структуре (5) вставляет особый интерес. Установлено, что она близка к <х,01бр-полукреслу. Обнаруженное интенсивное тепловое движение мов 022, 023 и 016 этого цикла указывает на его конформационную кость. При устанЬвлении взаимосвязи структуры и биологической ивности для соединений данного ряда необходимо учитывать Зэормационную гибкость тетрагидропиранового цикла.

Для б-лактонного цикла Е характерны, конформации, в которых кноэфирная группа 0-0(=0)-0-С остается плоской. Поэтому возможны формации 160,220-ванны, 17а,2ор-полукресла, 1.70,20а-полукреела и

'■> '<■■"" ' . .- •' ■ , '.' -■:» г Л'.' /■

■''' ■ <''■ ^'-.'"Г1?'"'' - " ' ■ ; -4.''

особенно.кароонилъного атома 023. По всей видимости, в структуре (6); этот этом :кислорода занимает 'более выгодное для образования ;.врдЬродных. связей с молекулой рецептора положение, что приводит к увеличению активностиэтого соединения. При увеличении общего изгиба гёолекулы уменьшается расстояниемекду полярными цёнтрами стероида, которое, по-видимому, становится оптимальным для его взаимодействия с рецептором. , '

'В четверной главе изложены результаты цроведенного-рентгейоструктурного анализа двух синтетических производных стероидов прегнанового ряда, которые являются полупродуктами в зинтезе высокоактивных кортикостероидов. Кортикостероидные препараты рриамцинолон, синалар, десонид, флуоцинолон и др. находят широкое фименение в медицинской практике. . В настоящее время ведутся штенсивные поиски новых- отечественных, источников стероидного сырья : пути синтеза активных; веществ с определенными модифицированными олекулами. Нами исследованы соединения 9а-оксипроизводных С23Н34°4 в) и сг4н38°5 выполнены , »информационные .расчеты данных

элекул. ; > -

Кристаллы бесцветны и прозрачны. Эксперимент выполнен с помощью >тырехкружного автоматического дифрактометра - Р8Д-4 ,СиКа-излучение, графитовый монохроматор, ш, ш/26-сканирование). »исталлографиче сние дарактеристики и параметры эксперимента введены, в табл.з. 1

Структуры (8 ) и (9) решались прямым методом с помощью комплекса эграмм ЭНЕШБ-вб. Модели структур получены: в автоматическом таю. Далее при расшифровке структуры использовалась программа ЭТ. Проведена автоматическая коррекция фаз структурных амплитуд, ?ем уточнение координат, и тепловых параметров неводородных атомов '. в изотропном и анизотропном приближениях тепловых колебаний. мов. . Поправка на поглощение вводилась по программе нчательные значения факторов расходимости даны в табл.3.

Строение исследованных молекул (8) -и (9) представлено на рис.8 ¡'соответственно. Для. обеих молекул имеет место характерный для -юидов общий изгиЬ скелета с выпуклой ^-поверхностью. В >речном направлении закручивание стероидного скелета мблекулы ястеризуется псевдоторсионным Г углом С19-01 о...013-018, значение рого составляет .2,3, о,9 и 4,6° для молекул <8А), (8Б) и (9) ветственно. ■ ' , - '

Геометрия исследованных /структур обычна ; для этого класса знаний. В диссертации приводятся 'количественные характеристики данного конформашонного анализа. Сопоставление параметров.

С1Ч С15 с1в сг1

,023

Рис.8. Проекция молекулы о2Эн34о4 (8).

023

Рис.9. Проекция молекулы 024Н3805 ,

3-цепь близка к цие-положению относительно 'связи. С13-С17 зрсйонный угол 016-017-С20-022 составляет 27,6°). Метоксигруша в >уктуре (9) занимает аксиальное 1бачположение. 4

В кристалле (8) атом водорода 9а-оксигруппы образует молекулярную водородную связь с атомом кислорода 023 30-ацетатной цпы соседней молекулы. В' структуре (9) водородные связи утствуют. Возможно, это связано с наличием 1ба-метоксигруппы, орая препятствует сближению молекул друг с другом для образования их водородных связей. В работе проведен анализ упаковок молекул энных кристаллических структурах.

Полученная информация о цространственном строении и зормационных характеристиках исследованных молекул необходима для »направленного.поиска'и синтеза высокоактивных кортикостероидов. »стоящее время активно ведутся работы по модифицированию молекул м, чтобы усилить требуемое полезное биологическое'воздействие и ти к минимуму отрицательные побочные эффекты. : '

В диссертации приведены внутри- и внециклические торсионные девяти исследованных структур. Длины связёй и валентные, углы

Г; •■'•■■. . V ' - 21 - . ■ , . , < . ■ "

прегн-5-ен-го-ола. //. Кристаллография-.. - 1-993- - Г-38, *е. -С.147-152. ' . ■ ' ',, ,'

, ! 3. • Овсецина Т.Н., Шибанова Т.А., Чернобурова Д.И., Решетом И.Г., Камерницкий А.В: Молекулярная структура 20-гемисукцината Зр-ацетоксипрегн-5-ен-20а-ола. // Кристаллография. - 1993. - Т.38, , 46. - 0.102-107.

4. Овсецина Т.И., Малахова Л.Ф., Чернобурова Е.И., Решетова И.Г., Камерницкий А.В. Молекулярная структура зр,17а-диацетокси-Iбр,23-оксидо-г1,24-динорхол-5-вн-20-она, °2б*Ьб06* // (ристаллография. - 1993. - Т.38, *6. - С.95-101.

5. Овсецина Т.И., Чернобурова Е.И., Решетова И.Г.,-Камерницкий 1.В. Молекулярная структура гз-*1б-д-лактонов зр-ацетокси-1 ба-окси-4-норхола-5,17(20)-диен-23-овой кислоты и зр-ацетокси-16а-окси-4-норхола~5,20.(22)-диен-23-овой кислоты.. // Кристаллография. -993. - Т.за, *6. - 0*129-140. у ,

6. Овсецина Т.Й., Чернобурова Е.И., Решетова И.Г., Камерницкий .В. Молекулярйая структура 20-фталата зр-ацетоксипрегн-5-ен-20-ола, )2Н42°б' ^ Кристаллография. - 1993. - T.38. Ji6. - С.122-123.

7. Овсецина Т.К., Болотина Н.В., Войшвилло Н.Б., Решетова И.Г., • мерницкий А.В. Молекулярная структура 9а-оксипроизводных зр-аце-кси-5а-Е-прегн-16-ен-го-она и з§-ацвтокси-16а~метокси-5а-Н-прегн--она. // Кристаллография. - 1993. --3?.Э8,'*6. - 0.108-121.

' ' - ■ ''•■'. .Л 1 '

1 - . '

' К)