Searching for Possible Sites of Electrophils Conjugation with Biomolecules Using Molecular Modeling Methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The ability to rapidly form adducts with nucleophilic groups of proteins, nucleic acids and lipids largely determines the toxic effects of electrophiles. Considering that the number of toxic electrophiles is practically unlimited, and they can form adducts with many molecular targets, a purely empirical approach to characterizing the adductome is obviously unproductive. The aim of this study is to develop a method for primary in silico assessment of the probability of conjugation of electrophiles with a particular modification site. For the model group of electrophiles, the quantum-chemical indices were calculated using the density functional theory method, and the molecular docking method was used to search for priority sites of covalent binding of the studied compounds. Based on the obtained results, a scale for assessing the hardness of electrophiles was developed and an algorithm for computer selection of possible conjugation sites of electrophiles with biological macromolecules was compiled.

About the authors

D. A. Belinskaia

Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: d_belinskaya@mail.ru
St. Petersburg, 194223 Russia

E. I. Savelieva

Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology

Kuzmolovsky, 188663 Russia

References

  1. Pivotal Role of Mass Spectrometry for the Assessment of Exposure to Reactive Chemical Contaminants: From the Exposome to the Adductome / Debrauwer L., Mervant L., Laprevote,O., Jamin E.L. Eds. / Wiley Periodicals LLC, 2024.
  2. Knapen M.F., Zusterzeel P.L., Peters W.H., Steegers E.A. // Eur. J. Obstet. Gynecol. Reprod. Biol. 1999. V. 82. P. 171-184. https://doi.org/10.1016/s0301-2115(98)00242-5
  3. Blum M.M., Schmeißer W., Dentzel M., Thiermann H., John H. // Anal. Bioanal. Chem. 2024. V. 416. P. 5791-5804. https://doi.org/10.1007/s00216-024-05501-8
  4. Reuter, H., Steinritz, D., Worek, F., John H. // Anal. Bioanal. Chem. 2025. V. 417. P. 1833-1845. https://doi.org/10.1007/s00216-025-05762-x
  5. Xie Z., Chen J.Y., Gao H., Keith R.J., Bhatnagar A., Lorkiewicz P., Srivastava S. // Environ. Sci. Technol. 2023. V. 57. P. 10563-10573. https://doi.org/10.1021/acs.est.2c09554
  6. La Barbera G., Shuler M.S., Beck S.H., Ibsen P.H., Lindberg L.J., Karstensen J.G., Dragsted L.O. // Talanta. 2025. V. 282. P. 126985. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.126985
  7. Blair I.A. // Biomed. Chromatogr. 2010. V. 1. P. 29-38. https://doi.org/10.1002/bmc.1374
  8. Koivisto P., Peltonen K. // Anal. Bioanal. Chem. 2010. V. 398. P. 2563-2572. https://doi.org/10.1007/s00216-010-4217-3
  9. Pearson R.G. // J. Am. Chem. Soc. 1963. V. 85. P. 3533-3539. https://doi.org/10.1021/ja00905a001
  10. LoPachin R.M., Geohagen B.C., Nordstroem L.U. // Toxicology. 2019. V. 418. P. 62-69. https://doi.org/10.1016/j.tox.2019.02.005
  11. Tong G.C., Cornwell W.K., Means G.E. // Toxicol. Lett. 2004. V. 147. P. 127-131. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2003.10.021
  12. Hashimoto K., Aldridge W.N. // Biochem. Pharmacol. 1970. V. 19. P. 2591-2604. https://doi.org/10.1016/0006-2952(70)90009-2
  13. Springer D.L., Bull R.J., Goheen S.C., Sylvester D.M., Edmonds C.G. // J. Toxicol. Environ. Health. 1993. V. 40. P. 161-176. https://doi.org/10.1080/15287399309531785
  14. Basile A., Ferranti P., Moccaldi R., Spagnoli G., Sannolo N. // J Chromatogr A. 2008. V. 1215. P. 74-81. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2008.10.093
  15. Luo Y.S., Long T.Y., Shen L.C., Huang S.L., Chiang S.Y., Wu K.Y. // Chem. Biol. Interact. 2015. V. 237. P. 38-46. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2015.05.002
  16. Doerge D.R., Gamboa da Costa G., McDaniel L.P., Churchwell M.I., Twaddle N.C., Beland F.A. // Mutat. Res. 2005. V. 580. P. 131-141. https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2004.10.013
  17. Gan J.C., Oandasan A., Ansari G.A.S. // Chemosphere. 1991. V. 23. P. 939-947. https://doi.org/10.1016/0045-6535(91)90098-X
  18. Lassé M., Stampfli A.R., Orban T., Bothara R.K., Gerrard J.A., Fairbanks A.J., Pattinson N.R., Dobson R.C.J. // Biochim. Biophys. Acta Gen. Subj. 2021. V. 1865. е130013. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2021.130013
  19. Moghe A., Ghare S., Lamoreau B., Mohammad M., Barve S., McClain C., Joshi-Barve S. // Toxicol. Sci. 2015. V. 143. P. 242-255. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfu233
  20. Wang H.T., Zhang S., Hu Y., Tang M.S. // Chem. Res. Toxicol. 2009. V. 22. P. 511-517. https://doi.org/10.1021/tx800369y
  21. LeBlanc A., Shiao T.C., Roy R., Sleno L. // Chem. Res. Toxicol. 2014. V. 27. P. 1632-1639. https://doi.org/10.1021/tx500284g
  22. Hoos J.S., Damsten M.C., de Vlieger J.S., Commandeur J.N., Vermeulen N.P., Niessen W.M., Lingeman H., Irth H. // J. Chromatogr. B Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 2007. V. 859. P. 147-156. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2007.09.015
  23. Switzar L., Kwast L.M., Lingeman H., Giera M., Pieters R.H., Niessen W.M. // J. Chromatogr. B Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 2013. V. 917-918. P. 53-61. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2012.12.033
  24. Axworthy D.B., Hoffmann K.J., Streeter A.J., Calleman C.J., Pascoe G.A., Baillie T.A. // Chem. Biol. Interact. 1988. V. 68. P. 99-116. https://doi.org/10.1016/0009-2797(88)90009-9
  25. Bischoff K. // Veterinary Toxicology (Third Edition) Basic and Clinical Principles / Ed. Gupta R.C. Academic Press, 2018. P. 357-384. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811410-0.00021-0
  26. Ozawa M., Kubo T., Lee S.H., Oe T. // J. Toxicol. Sci. 2019. V. 44. P. 559-563. https://doi.org/10.2131/jts.44.559
  27. Yin H., Guo Y., Zeng T., Zhao X., Xie K. // PLoS One. 2013. V. 8. e76011. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0076011
  28. DeCaprio A.P., O’Neill E.A. // Toxicol. Appl. Pharmacol. 1985. V. 78. P. 235-247. https://doi.org/10.1016/0041-008x(85)90287-x
  29. Yan B., DeCaprio A.P., Zhu M., Bank S. // Chem. Biol. Interact. 1996. V. 102. P. 101-116. https://doi.org/10.1016/s0009-2797(96)03738-6
  30. DeCaprio A.P., Strominger N.L., Weber P. // Toxicol. Appl. Pharmacol. 1983. V. 68. P. 297-307. https://doi.org/10.1016/0041-008x(83)90014-5
  31. Ichihara G., Amarnath V., Valentine H.L., Takeshita T., Morimoto K., Sobue T., Kawai T., Valentine W.M. // Int. Arch. Occup. Environ. Health. 2019. V. 92. P. 873- 881. https://doi.org/10.1007/s00420-019-01430-7
  32. Wang Y., Yu H., Shi X., Luo Z., Lin D., Huang M. // J. Biol. Chem. 2013. V. 288. P. 15980-15987. https://doi.org/10.1074/jbc.M113.467027
  33. Ding A., Ojingwa J.C., McDonagh A.F., Burlingame A.L., Benet L.Z. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1993. V. 90. P. 3797-3801. https://doi.org/10.1073/pnas.90.9.3797
  34. Wu Y., Chen L., Chen J., Xue H., He Q., Zhong D., Diao X. // Drug Metab. Dispos. 2023. V. 51. P. 8-16. https://doi.org/10.1124/dmd.122.001019
  35. Scaloni A., Ferranti P., De Simone G., Mamone G., Sannolo N., Malorni A. // FEBS Lett. 1999. V. 452. P. 190-194. https://doi.org/10.1016/S0014-5793(99)00601-8
  36. Ferraro G., Massai L., Messori L., Merlino A. // Chem. Commun. (Camb). 2015. V. 51. P. 9436-9439. https://doi.org/10.1039/C5CC01751C
  37. Minet E., Cheung F., Errington G., Sterz K., Scherer G. // Biomarkers. 2011. V. 16. P. 89-96. https://doi.org/10.3109/1354750x.2010.533287
  38. Lin C.Y., Lee H.L., Sung F.C., Su T.C. // Environ. Pollut. 2018. V. 239. P. 493-498. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.04.010
  39. Benz F.W., Nerland D.E., Li J., Corbett D. // Fundam. Appl. Toxicol. 1997. V. 36. P. 149-156. https://doi.org/10.1006/faat.1997.2295
  40. Walker V.E., Fennell T.R., Walker D.M., Bauer M.J., Upton P.B., Douglas G.R., Swenberg J.A. // Chem. Res. Toxicol. V. 2020. V. 33. P. 1609-1622. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.0c00153
  41. Kaur S., Hollander D., Haas R., Burlingame A.L. // J. Biol. Chеm. 1989. V. 264. P. 16981-16984.
  42. Basile A., Ferranti P., Mamone G., Manco I., Pocsfalvi G., Malorni A., Acampora A., Sannolo N. // Rapid Commun Mass Spectrom. 2002. V. 16. P. 871- 878. https://doi.org/10.1002/rcm.655
  43. Greim H. // Toxicol Lett. 2003. V. 138. P. 1-8. https://doi.org/10.1016/s0378-4274(02)00408-3
  44. Rappaport S.M., Yeowell-O'Connell K., Bodell W., Yager J.W., Symanski E. // Cancer Res. 1996. V. 56. P. 5410-5416.
  45. Dai J., Zhang F., Zheng J. // Anal. Biochem. 2010. V. 405. P. 73-81. https://doi.org/10.1016/j.ab.2010.05.001
  46. Jаgr M., Mrаz J., Linhart I., Strаnskу V., Pospísil M. // Chem. Res. Toxicol. 2007. V. 20. P. 1442-1452. https://doi.org/10.1021/tx700057t
  47. Koskinen M., Plnа K. // Chem. Biol. Interact. 2000. V. 129. P. 209-229. https://doi.org/10.1016/s0009-2797(00)00206-4
  48. Yeowell-O'Connell K., Rothman N., Smith M.T., Hayes R.B., Li G., Waidyanatha S., Dosemeci M., Zhang L., Yin S., Titenko-Holland N., Rappaport S.M. // Carcinogenesis. 1998. V. 19. P. 1565-1571. https://doi.org/10.1093/carcin/19.9.1565
  49. Rappaport S.M., Yeowell-O'Connell K., Smith M.T., Dosemeci M., Hayes R.B., Zhang L., Li G., Yin S., Rothman N. // J. Chromatogr. B Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 2002. V. 778. P. 367-374. https://doi.org/10.1016/s0378-4347(01)00457-1
  50. Grigoryan H., Edmands W.M.B., Lan Q., Carlsson H., Vermeulen R., Zhang L., Yin S.N., Li G.L., Smith M.T., Rothman N., Rappaport S.M. // Carcinogenesis. 2018. V. 39. P. 661-668. https://doi.org/10.1093/carcin/bgy042
  51. Yeowell-O’Connell K., McDonald T.A., Rappaport S.M. // Anal. Biochem. 1996. V. 237. P. 49-55. https://doi.org/10.1006/abio.1996.0199
  52. Zarth A.T., Murphy S.E., Hecht S.S. // Chem. Biol. Interact. 2015. V. 242. P. 390-395. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2015.11.005
  53. Zheng L., Li Y., Wu D., Xiao H., Zheng S., Wang G., Sun Q. // MedComm-Oncology. 2023. V. 2. e56. https://doi.org/10.1002/mog2.56
  54. Carlsson H., Törnqvist M. // Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 2017. V. 121. Suppl. 3. P. 44-54. https://doi.org/10.1111/bcpt.12715
  55. van Vugt-Lussenburg B.M.A., Capinha L., Reinen J., Rooseboom M., Kranendonk M., Onderwater R.C.A., Jennings P. // Chem. Res. Toxicol. 2022. V. 35. P. 1184- 1201. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.2c00067
  56. Chao M.-R., Chang Y.-J., Cooke M.S., Hu C.-W. // Trends Analyt. Chem. 2024. V. 180. е117900. https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117900
  57. Walmsley S.J., Guo J., Tarifa A., DeCaprio A.P., Cooke M.S., Turesky R.J., Villalta P.W. // Chem. Res. Toxicol. 2024. V. 37. P. 302-310. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.3c00302
  58. Chen H.J.C. // Chem. Res. Toxicol. 2023. V. 36. P. 132- 140. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.2c00354
  59. Behl T., Rachamalla M., Najda A., Sehgal A., Singh S., Sharma N., Bhatia S., Al-Harrasi A., Chigurupati S., Vargas-De-La-Cruz C., Hobani Y.H., Mohan S., Goyal A., Katyal T., Solarska E., Bungau S. // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. е10141. https://doi.org/10.3390/ijms221810141
  60. Hanwell M.D., Curtis D.E., Lonie D.C., Vandermeersch T., Zurek E., Hutchison G.R. // J. Cheminform. 2012. V. 4. P. 17. https://doi.org/10.1186/1758-2946-4-17
  61. Hein K.L., Kragh-Hansen U., Morth J.P., Jeppesen M.D., Otzen D., Møller J.V., Nissen P. // J. Struct. Biol. V. 2010. V. 171. P. 353-360. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2010.03.014
  62. Bucci E., Razynska A., Kwansa H., Gryczynski Z., Collins J.H., Fronticelli C., Unger R., Braxenthaler M., Moult J., Ji X., Gilliland G. // Biochemistry. 1996. V. 35. P. 3418-3425. https://doi.org/10.1021/bi952446b
  63. Sinning I., Kleywegt G.J., Cowan S.W., Reinemer P., Dirr H.W., Huber R., Gilliland G.L., Armstrong R.N., Ji X., Board P.G, Olin B., Mannervik B., Jones T.A. // J. Mol. Biol. 1993. V. 232. P. 192-212. https://doi.org/10.1006/jmbi.1993.1376.
  64. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. // J. Mol. Graph. 1996. V. 14. P. 33-38. https://doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5
  65. Neese F. // Wiley Interdiscip. Rev. Comput. Mol. Sci. 2022. V. 12. e1606. https://doi.org/10.1002/wcms.1606
  66. Melnikov F., Geohagen B.C., Gavin T., LoPachin R.M., Anastas P.T., Coish P., Herr D.W. // Neurotoxicology. 2020. V. 79. P. 95-103. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2020.04.009
  67. Eberhardt J., Santos-Martins D., Tillack A.F., Forli S. // J. Chem. Inf. Model. 2021. V. 61. P. 3891-3898. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00203
  68. Belinskaia D.A., Savelieva E.I., Karakashev G.V., Orlova O.I., Leninskii M.A., Khlebnikova N.S., Shestakova N.N., Kiskina A.R. // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. e9021. https://doi.org/10.3390/ijms22169021

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».