تخليق، توصيفات هيكلية، تقييم بيولوجي في المختبر، والتحقيقات الحاسوبية لمشتقات البيرازول كعوامل محتملة مضادة للسكري ومضادة للأكسدة Synthesis, structural characterizations, in vitro biological evaluation and computational investigations of pyrazole derivatives as potential antidiabetic and antioxidant agents

المجلة: Scientific Reports، المجلد: 14، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-51290-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38225280
تاريخ النشر: 2024-01-15

تخليق، توصيفات هيكلية، تقييم بيولوجي في المختبر، والتحقيقات الحاسوبية لمشتقات البيرازول كعوامل محتملة مضادة للسكري ومضادة للأكسدة

سلمى مرتضى خالد كروشي الحدكي حمزة عفاف أولميدي مشوق أحمد بهات حسان ماماد يسرا عاليلو سمايل راضي محمد أنصار أزلراب مصرار وإلى العبد الفقير فوزي

في هذه الدراسة، تم تخليق مشتقّين من البيرازول؛ 2-(5-ميثيل-1H-بيرازول-3-كربونيل)-N-فينيل هيدرازين-1-كربوكسايد (Pyz-1) و4-أمينو-5-(5-ميثيل-1H-بيرازول-3-يل)-4H-1,2,4-تريازول-3-ثيول (Pyz-2) وتم توصيفهما بواسطة ، وقياس الطيف الكتلي. تم التنبؤ بتحسين الهياكل الجزيئية الكاملة، والخصائص الإلكترونية والديناميكية الحرارية لـ Pyz-1 وPyz-2 في الطور الغازي والمحلول المائي باستخدام طريقة B3LYP الهجينة مع مجموعات الأساس 6-311++G**. تم تقييم Pyz-1 وPyz-2 في المختبر لنشاطها المضاد للسكري، ومضادات الأكسدة، وأنشطة تثبيط أكسيد الزانثين. بالنسبة لنشاط مضاد السكري، أظهرت Pyz-1 وPyz-2 فعالية قوية -غلوكوزيداز و تثبيط الأميلاز قيم من و على التوالي، مقارنةً بـ Acarbose في اختبار أكسيداز الزانثين، أظهرت Pyz-1 وPyz-2 قدرة مثبطة ملحوظة مع قيم و على التوالي. أظهرت نتائج أنشطة مضادات الأكسدة أن المركبات المذكورة لها قدرات ملحوظة في مكافحة الأكسدة والتخلص من الجذور الحرة. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام محاكاة ربط الجزيئات لتحديد أوضاع الربط والطاقة بين المركبات المذكورة و -غلوكوزيداز و إنزيمات الأميلاز.
يتميز داء السكري من النوع 2 (T2DM) بارتفاع مستويات الجلوكوز في الدم، مما يمكن أن يؤدي إلى مضاعفات كبيرة مثل أمراض القلب والأوعية الدموية، والاعتلال العصبي، واعتلال الشبكية، وأمراض الكلى. . تؤثر المرض على 4.9 مليون شخص حول العالم، مع حالات السكري الناتجة عن السكري من النوع الثاني. إنه واحد من أكثر مشاكل الصحة العامة شيوعًا. التحكم في فرط سكر الدم بعد الوجبات في داء السكري من النوع الثاني عن طريق تثبيط هضم الكربوهيدرات الغذائية -أميلاز يعتبر -غلوكوزيداز) أحد أكثر الأساليب العلاجية فعالية في خفض
مستويات سكر الدم. وبالتالي، -أميلاز -غلوكوزيداز هما إنزيمان أساسيان لتفكيك وتحلل الكربوهيدرات الغذائية مثل النشا في الجهاز الهضمي إلى سكريات أحادية بسيطة، وخاصة الجلوكوز، الذي ينتقل إلى مجرى الدم بعد الامتصاص. وبالتالي، فإن تثبيط الإنزيمات لـ -أميلاز يمكن أن يثبط -غلوكوزيداز هضم الكربوهيدرات، ويؤخر امتصاص الجلوكوز، وبالتالي يؤدي إلى انخفاض مستويات الجلوكوز في الدم. . من ناحية أخرى، تم ربط العديد من الأمراض المزمنة مثل داء السكري من النوع الثاني (T2DM) بالإجهاد التأكسدي الذي يتضمن إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) مثل الجذير الهيدروكسيلي بيروكسيد الهيدروجين وأنيون الجذير الفائق الأكسيد من ناحية أخرى، أكد زيادة تركيز المالونديالديهايد (MDA) بسبب تأكسد الدهون في أنسجة البنكرياس لنماذج الحيوانات المصابة بالسكري دور الجذور الحرة في مسببات و تقدم مرض السكري. وبالتالي، أظهرت الدراسات الحيوانية في الجسم الحي أن التثبيط القوي للإجهاد التأكسدي بواسطة مضادات الأكسدة المحددة تحت ظروف السكري التجريبية قد أظهر تأثيرات وقائية على تقدم مضاعفات السكري. لذلك، سيكون من المفيد جداً تطوير مركبات جديدة تتمتع بأنشطة مضادة للسكري ومضادة للأكسدة لتقليل الآثار الجانبية.
إن البيرازول يشكل فئة كبيرة من الحلقات غير المتجانسة التي يمكن استكشافها لتطوير مواد دوائية جديدة. وقد أظهرت دراسة شاملة لهذه الفئة أن البيرازول يمكن أن يكون موجودًا في العديد من الأدوية المعروفة من فئات مختلفة ذات أنشطة علاجية متنوعة. في السنوات القليلة الماضية، جذبت كيمياء البيرازول ومشتقاته اهتمامًا كبيرًا بسبب نطاقها الواسع من الأنشطة البيولوجية، مثل مضادات السكري. مضاد للبكتيريا مضاد للأكسدة ومسكن للألم مضاد للسرطان مضاد الفيروسات وعوامل مضادة للسل بالنظر إلى الخصائص البيولوجية والدوائية لهذه المشتقات، من الضروري دراسة خصائصها الإلكترونية والهيكلية لمعرفة تأثير المجموعات المختلفة على خصائصها البيولوجية. لهذا الغرض، تُعرف الأساليب الحاسوبية بكفاءتها ودقتها عندما يتعلق الأمر بتوقع وفهم خصائص الجزيئات العضوية الجديدة المُركبة. . في استمرار لجهودنا لتطوير عوامل مضادة للسكري ومضادة للأكسدة جديدة محتملة نحن نبلغ هنا عن تخليق وتوصيف مشتقّين من البيرازول و كعوامل مضادة لمرض السكري ومضادة للأكسدة جديدة قوية. تم استكشاف الهندسة الجزيئية والخصائص الإلكترونية لهذه الجزيئات باستخدام حسابات DFT. وبالتالي، تم تقييم المركبات المذكورة في المختبر من أجل -غلوكوزيداز و إنزيمات الأميلاز – مثبطات. الأنشطة المضادة للأكسدة لـ و تم تحديدها بواسطة DPPH و ABTS و FRAP تم إجراء اختبارات نشاط التقاط الجذور الحرة واختبار تثبيط إنزيم زانثين أوكسيداز (XO). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء دراسات الربط الجزيئي وADMET أيضًا.

تجريبي

المواد الكيميائية والأدوات

تم شراء المواد الكيميائية (الميثانول، الإيثانول، إيزوسيانات الفينيل، هيدروكسيد البوتاسيوم، هيدرازين هيدرات، ثنائي كبريتيد الكربون وحمض الهيدروكلوريك) من شركات فلوكا، سيغما وألدريش. تم قياس نقاط الانصهار باستخدام جهاز قياس نقطة الانصهار الرقمي Buchi B-545. تم استخدام TLC مع هلام السيليكا 60 F254 للتحقق من التفاعلات. تم تسجيل طيف الأشعة تحت الحمراء باستخدام مطياف Perkin-Elmer VERTEX 70 FT-IR الذي يغطي المجال. . الـ الرنين المغناطيسي النووي تم تسجيل أطياف NMR باستخدام نظام FT NMR JNM-ECZ500R/S1 (JEOL) ) مطياف الكتلة باستخدام DMSO مزود بالديتيريوم الجاف كمذيب. تم الحصول على طيف الكتلة باستخدام مطياف API 3200 LC/MS/MS.

كيمياء

إجراء تخليق 2-(5-mيثيل-1H-بيرازول-3-كربونيل)-N-فينيل هيدرازين-1-كربوكسياميد (Pyz-1) تم تخليق 5-mيثيل-1H-بيرازول-3-كربوهيدرازيد (1) وفقًا للطريقة المبلغ عنها سابقًا. إيزوسيانات الفينيل ) أُضيف قطرةً قطرةً إلى محلول 5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide (1) ( ) في الميثانول ( 20 مل )، وتمت إعادة تدفق الخليط لمدة 8 ساعات. تم ترشيح الصلب وإعادة تبلوره من الإيثانول للحصول على المنتج النقي (Pyz-1). صلب أبيض؛ العائد “; FT-IR (ATR، ): 3129-3295 (NH)، 2934-3000 (CH)، 1703، 1650 (C=O)، 1602 (C=N)؛ الرنين المغناطيسي النووي (H NMR): (500 ميغاهرتز، DMSO بيرازول ، NMR: ( ): 10.82، 105.06، 118.87، 122.31، 129.18، 140.17، 140.27، 145.89، 156.04، 162.61. ESI-HRMS: حسب الحساب لـ : 258.1102، وُجد 258.0986 .
إجراء تخليق 4-أمينو-5-(5-mيثيل-1H-بيرازول-3-يل)-4H-1,2,4-تريازول-3-ثيول (Pyz-2)
إلى محلول مبرد بالثلج من 5-ميثيل-1H-بيرازول-3-كاربوهيدرازيد (1) ( ) و ، 3.75 مليمول) في الإيثانول المطلق (15 مل)، تم إضافة ( قطرة قطرة، وتم تحريك الخليط في درجة حرارة الغرفة لمدة 12 ساعة. تم ترشيح الصلب المنفصل وغسله بالإيثانول. تم استخدام ملح البيرازول-البوتاسيوم الناتج في التفاعل التالي دون مزيد من التنقية. إلى محلول كربوثيونات البيرازول ( ) في الإيثانول ( 10 مل ) تم إضافة هيدرازين هيدرات ( 1 مل ) وتم تسخين المزيج لمدة 8 ساعات. تم مراقبة اكتمال التفاعل بواسطة TLC. تم تخفيف مزيج التفاعل بالماء البارد وتم تحييده بحمض الهيدروكلوريك المركز. تم تصفية الصلب وإعادة بلورته من الإيثانول للحصول على المنتج النقي (Pyz-2). صلب أبيض؛ العائد ، ), 2732 (SH); NMR: ( ): ، “، CHpyrazole)، 13.09 ( 13.66 ( ); NMR: ( ): 10.71، 105.08، 138.78، 139.97، 145.46، 165.17؛ ESI-HRMS: حسب الحساب لـ ، وجد 197.0586.

التفاصيل الحاسوبية

تم إجراء سلسلتين من الحسابات في محاولة لاستنتاج وتفسير البيانات التجريبية. أولاً، تم إجراء حسابات DFT لجمع المعلومات المتعلقة بتفاعل المركبات المُصنّعة. ثم، تم استخدام محاكاة ربط الجزيئات لتحديد أوضاع الربط و
الطاقة بين المركبات ( و ) و -غلوكوزيداز و إنزيمات الأميلاز. تم إجراء تحسين كامل للهياكل الجزيئية باستخدام الوظيفة الهجينة B3LYP. بالاشتراك مع مجموعة الأساس من أجل تحديد الطاقة الكلية المقابلة والهندسة الأكثر استقرارًا في الطور الغازي. خلال تحسين الهندسة، لم يتم فرض أي قيود على التناظر. تشير غياب الترددات التخيلية في حساب أوضاع الاهتزاز إلى أن هذه الهياكل تتوافق مع الحد الأدنى المحلي الحقيقي على سطح الطاقة الكامنة. تأثيرات الماء كوسط مذيب تم فحصها باستخدام مجال تفاعل ذاتي الاتساق (SCRF) استنادًا إلى نموذج الاستمرارية القابلة للاستقطاب (PCM) لمجموعة توماس من خلال حساب نقطة واحدة للهياكل المحسّنة التي تم تنفيذها في مرحلة الغاز. تم الحصول على أسطح الجهد الكهربائي الجزيئي (MEP) باستخدام برنامج Multiwfn. على نفس مستوى النظرية. تم تصور النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام برنامج VMD 1.9 نسخة Gaussian NBO تم استخدامه لإجراء حسابات المدار الطبيعي للرابطة (NBO). لتحليل وتقييم ميل الدواء لعمليات نقل الشحنة وتفاعلات الدواء مع المستقبلات. عدة معلمات نظرية للتفاعل استنادًا إلى نظرية الكثافة الوظيفية المفاهيمية (CDFT) تم إجراء جميع الحسابات باستخدام مجموعة برامج Gaussian09 وواجهة غرافية GaussView .

الربط الجزيئي

لتحقيق في أوضاع الربط المحتملة للكيانات الكيميائية المختارة، تم استخدام محاكاة الربط باستخدام AutodockVina v1.5.6 تم تنفيذها مستهدفة -غلوكوزيداز و مواقع النشاط الإنزيمي للأميلاز تم تصميم هياكل Pyz-1 وPyz-2 وAcarbose باستخدام حزمة برامج ChemDraw وتم تحسينها باستخدام وحدة بناء الجزيئات المدمجة في ChemDraw. وبالتالي، فإن الهيكل البلوري لـ -غلوكوزيداز (معرف PDB: 3A4A) و تم تنزيل -أميلاز (معرف PDB: 2GJP) من قاعدة بيانات PDBhttps://www.rcsb.org/pdb). مواقع الربط المحتملة لـ -أميلاز تم تحديد -غلوكوزيداز باستخدام برنامج ديسكفري ستوديو “، استنادًا إلى هيكل المستقبل دون تقديم مسبق للجزيء المرتبط. تم إعداد هندسة موقع الارتباط باستخدام AutoGrid، مع استخدام شبكة تحتوي على نقاط متعددة محددة بواسطة الإحداثيات ( ) = (20، 20، 20)، مع تباعد شبكة قدره Åتم تحليل التفاعلات المختلفة داخل مجمعات البروتين-الليغاند باستخدام برنامج Discovery 2016 Studio Visualizer. ونظام رسم الجزيئات باي مول معلمات الحركية الدوائية والفعالية الدوائية لـ و تم حسابها بواسطة خادم ADMETLab2.0 .

علم الأحياء

-غلوكوسيداز و اختبارات تثبيط الأميلاز
ال -غلوكوزيداز و أنشطة مثبطات الأميلاز -أ و تم تحديدها باستخدام الطريقة الموضحة في أعمالنا السابقة .

أنشطة مضادات الأكسدة

تم تحديد أنشطة مضادات الأكسدة للمركب المذكور في المختبر بواسطة DPPH و ABTS و FRAP ونشاط بيروكسيد الهيدروجين. ) الطرق وفقًا للإجراءات الموضحة في أعمالنا السابقة .

اختبار تثبيط أكسيداز الزانثين (XO)

نشاط تثبيط أكسيداز الزانثين و تم تنفيذ ذلك وفقًا للطريقة الموصوفة من قبل كوستيتش وآخرون. ، مع تعديلات طفيفة. تم تحضير العينات عند سلسلة من التركيزات. 1.95 مل من محلول فوسفات 5 مللي مولار بدرجة حموضة 7.5 و تم إضافة محلول الإنزيم إلى الخلائط. بعد التحضين المسبق في لمدة 15 دقيقة، تم إضافة 1 مل من الركيزة. بعد 30 دقيقة، أضف 0.5 مل من حمض الهيدروكلوريك لإيقاف التفاعل، وتم تحديد الامتصاص الطيفي عند 295 نانومتر المرتبط بتكوين حمض البوليك.

التحليل الإحصائي

تم إجراء التحليل الإحصائي باستخدام برنامج GraphPad Prism8. تم استخدام تحليل التباين الأحادي (ANOVA) لتحديد الفرق المعنوي. تم تقديم البيانات الكمية كمتوسط. خطأ المعيار للمتوسط (SEM) و اعتُبر ذا دلالة إحصائية عالية.

النتائج والمناقشة الكيمياء

أولاً، بروتوكول التخليق لـ و تم إجراء المركبات وفقًا للمخطط 1. تم تخليق حمض الهيدرازيد الابتدائي (1) وفقًا للطريقة المبلغ عنها سابقًا. تم معالجة المركب (1) بـ في الإيثانول بوجود KOH كقاعدة عند درجة حرارة الغرفة للحصول على الملح البوتاسي الوسيط بعائد كمي. وبالتالي، فإن معالجة هذا الوسيط مع هيدرازين هيدرات تحت إعادة تدفق الإيثانول أدت إلى منتج نقي (Pyz-1) بعائد جيد. بعد ذلك، تم تحضير 2-(5-methyl-1H-pyrazole-3-carbonyl)-N-phenylhydrazine-1-carbothioamide (Pyz-2) بعائد ممتاز من خلال تكثيف هيدرازيد البيرازول (1) وإيزوسيانات الفينيل تحت إعادة تدفق الميثانول.
تم تأكيد الهياكل الجزيئية لـ Pyz-1 و Pyz-2 باستخدام وقياس الطيف الكتلي ESI-MS. طيف الرنين المغناطيسي النووي يظهر قمة مفردة عند 2.18 جزء في المليون مميزة لمجموعة الميثيل، وقمة مفردة عند 6.42 جزء في المليون بسبب البروتون في الموضع 3 من حلقة البيرازول. تتردد بروتونات العطرية لمجموعة الفينيل كمتعدد عند 6.92-7.44 جزء في المليون. تظهر بروتونات NH لمجموعة الكارباكساميد كثلاث قمم مفردة عند 8.02، 8.72 و9.74 جزء في المليون. القمة المفردة عند 12.99 جزء في المليون بسبب مجموعة NH من البيرازول. طيف الرنين المغناطيسي النووي ، يظهر إشارة عند 10.75 جزء في المليون مميزة للكربون من مجموعة، إشارة عند 105.97 جزء في المليون تميز الكربون الثالثي للبيرازول، تليها كربونات الجزء العطري التي تظهر بين 118.78 و 140.9 جزء في المليون. الكربونان الرباعيان للبيرازول يترددان عند 140.19 و 145.81 جزء في المليون. الإشارتان الملاحظتان عند 155.94 و 162.51 جزء في المليون تُنسبان إلى الاثنين مجموعات.
المخطط 1. المسار الاصطناعي لتحضير المركبات Pyz-1 وPyz-2.
ال طيف NMR لـ Pyz-2 يظهر خمسة خطوط مفردة عند 2.25، 5.89، 6.60، 13.09 و 13.66 جزء في المليون، وهو ما يميز الميثيل. من البيرازول، ومجموعات NH وSH، على التوالي. طيف الرنين المغناطيسي النووي -2، يظهر إشارة عند 10.69 جزء في المليون مرتبطة بالكربون من مجموعة CH 3، إشارة عند 05.08 جزء في المليون تميز الكربون الثانوي من البيرازول، تليها إشارتان للكربونات الرباعية من حلقة البيرازول، التي تظهر عند 138.64 و 139.90 جزء في المليون، والإشارتان المميزتان للكربونات 1،2،4-ترايزول تتردد عند 155.40 و 165.06 جزء في المليون.
تظهر طيف الكتلة (ESI) قمة مرتبطة بالأيونات الجزيئية عند و 197.0 مما يؤكد الهياكل المقترحة لـ و ، على التوالي.

النتائج الحاسوبية

الخصائص الإلكترونية
المعلمات الإلكترونية والديناميكية الحرارية هي وسيلة فعالة لشرح استقرار وتفاعل الجزيئات. الكميات الفيزيائية لـ Pyz-1 و Pyz-2 المحسوبة على مستوى نظرية B3LYP/6-311G++ (d,p) موضحة في الجدول 1، والهياكل المحسنة لأكثر المتوافقات استقرارًا لـ و مع ترقيم الذرات الموضح في الشكل 1.
تم حساب الطاقات الكلية للجزيئات المذكورة في العنوان لـ كـ – 889.560233 وحدة طاقة في الطور الغازي و – 889.580733 وحدة طاقة في الطور المذاب، ولـ Pyz-2 كـ – 960.268510 وحدة طاقة في الطور الغازي و – 960.287960 وحدة طاقة في الطور المذاب. يتم تقليل التفضيل الديناميكي الحراري والحركي مع إدخال الذوبان مما يؤدي إلى استقرار أعلى في الطور المائي مقارنة بالطور الغازي. الكمية من الحرارة اللازمة لزيادة درجة حرارة مادة ما بمقدار درجة واحدة تُعرف بسعة الحرارة، وتم حساب كميات Cv للمركبات كـ في الطور الغازي و في مرحلة الماء لـ و في الطور الغازي و في مرحلة الماء. يتم قياس عشوائية النظام كميًا بواسطة الإنتروبيا. القيم المحسوبة لـ و في مراحل الغاز والماء على التوالي مول ك، و و تعتبر هذه النتائج من الأصول الرئيسية في تطبيق مثل هذه الهياكل على الأنظمة البيولوجية.

تحليل FMO

في الكيمياء الحاسوبية، تعتبر طاقات وتوزيعات المدارات الجزيئية المتفاعلة (FMO) أوصافًا حيوية للتفاعلية. المدار الجزيئي الأعلى شغلاً (HOMO) والمدار الجزيئي الأدنى غير الشاغل (LUMO) لديهما
بيز-1 بيز-2
غاز ماء غاز ماء
طاقة (أو) – ٨٨٩.٥٦٠٢٣٣ – ٨٨٩٫٥٨٠٧٣٣ – 960.268510 – ٩٦٠٫٢٨٧٩٦٠
القطبية (au) 193.402 ٢٥٤.٧٤٩ ١٣٩.٣٢٩ ١٨٤٫٥٨٨
لحظة ثنائي القطب (D) 2.660 ٢.٩٩١ ٦.٥٨٥ 8.747
-889.292364 -889.313353 – ٩٦٠.١٠١٢٤٥ – ٩٦٠.١٢١٦٧٦
-889.360095 – ٨٨٩.٣٨١٦٦١ -960.155981 -960.173090
إثيرمال (كيلو كالوري/مول) 167.498 167.191 ١٠٤.٣٦٨ ١٠٣.٧٥٢
السيرة الذاتية ( ) 65.152 65.480 ٤٥٫٢٣٩ ٤٣.١٥٥
س (كال/molK) ١٤٢.٥٥٢ ١٤٣.٧٦٦ ١١٥.٢٠٣ ١٠٨.٢١٠
الجدول 1. طاقات الحالة الأساسية والمعلمات الديناميكية الحرارية لـ Pyz-1 و Pyz-2.
الشكل 1. الهياكل الجزيئية المحسّنة وتوزيعات كثافة FMO لـ (أ) Pyz-1 و (ب) Pyz-2.
أدوار هامة في الخصائص الكهربائية والإلكترونية والبصرية، والتفاعل الكيميائي والمواقع النشطة لمركب معين . طاقة HOMO تتناسب مع جهد التأين (I) وتصف حساسية الجزيئات لهجوم الإلكترونيات. . ترتبط طاقة LUMO بالألفة الإلكترونية (A) وتحدد استجابة الجزيء لهجوم النيوكليوفيل. يتم تقديم توضيح رسومي لـ HOMO و LUMO لـ Pyz-1 و Pyz-2 في الشكل 1. المرحلة الإيجابية ملونة بالأحمر، بينما المرحلة السلبية ملونة بالأزرق. كما هو موضح في الشكل 1، باستثناء مجموعات الميثيل ( )، فإن أعلى مدارات HOMO وأدنى مدارات LUMO لجزيئات Pyz-1 و Pyz-2 محلية بشكل رئيسي تقريبًا في جميع أنحاء الهياكل.
تحدد الفجوة الطاقية بين مدارات HOMO و LUMO الاستقرار الحركي للمركبات المذكورة. وبالتالي، فإن الجزيئات ذات الفجوة الطاقية الصغيرة تكون قابلة للاستقطاب بشكل كبير وغالبًا ما ترتبط بارتفاع التفاعل الكيميائي بالإضافة إلى انخفاض الاستقرار الحركي. . وفقًا للإشارات في الأدبيات والنتائج المبلغ عنها في الجدول 2، يمكن ملاحظة اتجاه طفيف نحو زيادة الفجوة الطاقية عند إدخال تأثير المذيب لكلا الجزيئين المذكورين مما يؤدي إلى انخفاض التفاعل في المرحلة المائية. علاوة على ذلك، تكشف الفجوة الطاقية أن Pyz-1 ( ) تظهر قيمة أقل مقارنة بـ Pyz-2 ( )، مما يشير إلى سهولة نقل الشحنات الجزيئية، وانخفاض الاستقرار الحركي وارتفاع التفاعل الكيميائي لـ Pyz-1.
Pyz-1 Pyz-2
غاز ماء غاز ماء
-6.150 -6.404 -6.102 -6.394
-1.032 -1.269 -0.937 -1.043
5.118 5.136 5.166 5.352
الجدول 2. و الطاقات عند مستوى B3LYP/6-311G(d,p).

وصف التفاعل

نظرًا لمجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات مثل البيولوجيا والكيمياء وتصميم الأدوية، فقد اكتسب تطوير أوصاف التفاعل الكيميائي زخمًا كبيرًا. . نظرية DFT المفاهيمية هي فرع متطور من DFT يتكون من اشتقاق المفاهيم والمبادئ ذات الصلة من كثافة الإلكترون من أجل جعل من الممكن فهم وتوقع الاتجاهات العامة في التفاعل الكيميائي لجزيء. . بهدف ذلك، تم حساب معلمات التفاعل الكيميائي الكمي للمركبات المذكورة وقيمها مذكورة في الجدول 3.
الصلابة العالمية تتعلق بمقاومة النقل الإلكتروني بين الجزيء وبيئته. تمثل الفجوة بين و طاقات المدارات وترتبط باستقرار الأنظمة الكيميائية. تظهر الجزيئات اللينة فجوة طاقية صغيرة وتكون أكثر تفاعلاً من الجزيئات الصلبة بسبب قدرتها على التبرع بالإلكترونات بسهولة إلى مستقبل. تظهر الحسابات أن أقل مقاومة للنقل الإلكتروني من Pyz-2 وبالتالي ستكون أكثر تفاعلاً. يجب ملاحظة أنه كلما كانت نسبة تغيير الطاقة إلى الحد الأقصى لقبول الشحنة ، فهذا يشير إلى أن الجزيء المعني مشبع بالإلكترونات وليس لديه ميل لنقل الشحنة. . وفقًا للقيم المدونة في الجدول 3، فإن قيم هي -1.795 eV و -1.761 eV لـ و على التوالي، مع قيمة قبول شحنة قصوى تبلغ حوالي 0.7 eV لكلا المركبين. توضح هذه القيم نقل الشحنة داخل الجزيئات المدروسة وقدرتها على التفاعل والارتباط بمواقع النشاط لـ -غلوكوزيداز و -أميلاز. علاوة على ذلك، تشير سلوكيات المركبات إلى ميل نحو الإلكتروتقديم بدلاً من الإلكتروقبول ( ).

خريطة الجهد الكهربائي الجزيئي (MEP)

الجهد الكهربائي الجزيئي هو تمثيل ثلاثي الأبعاد يسمح بتصور توزيع الشحنات، وتوقع التفاعل تجاه الهجمات الإلكترونيات والنيوكليوفيلية والقطبية النسبية لجزيء معين. . علاوة على ذلك، يتم استخدامه في عمليات التعرف البيولوجية وتقييم تفاعلات الروابط الهيدروجينية. يعتمد تصور MEP على رسم القيم على المنطقة التي تتوافق مع حدود الجزيء باستخدام انتقال اللون BWR (أزرق-أبيض-أحمر): الأحمر والأزرق والأبيض تمثل المناطق الأكثر إيجابية والأكثر سلبية والمحايدة على التوالي. . يتم عرض الخرائط ثلاثية الأبعاد لـ MEP للجزيئات المدروسة في الشكل 2.
تم ملاحظة قطبية عالية لجزيئات و . في الواقع، يمكننا أن نلاحظ أن منطقتين متميزتين تتشكلان: منطقة ناقصة إلكترونيًا تتشكل حول ذرات الهيدروجين على مجموعات الأمين بسبب ارتفاع كهرسلبية، مما يؤدي إلى قيمة قصوى من و على التوالي لـ
معامل Pyz-1 Pyz-2
I 6.150 6.102
A 1.032 0.937
-3.591 -3.520
5.118 5.165
1.260 1.199
0.104 0.085
4.091 4.178
0.702 0.681
-1.260 -1.199
-1795 -1761
الجدول 3. معلمات التفاعل الكيميائي الكمي لـ و في .
الشكل 2. سطح الجهد الكهربائي الجزيئي المحسوب (MEP) لـ Pyz-1 و Pyz-2.
و Pyz-2. تكشف هذه الملاحظات عن ميل قوي لجذب الذرات المشحونة سلبًا كهربائيًا والتصرف كمجموعة مانحة للروابط الهيدروجينية. علاوة على ذلك، بالنسبة لـ ، فإن القيم الدنيا العامة على السطح هي و بسبب أزواج الكيتون المعزولة. بينما، بالنسبة لـ ، فإن القيم الدنيا هي و بسبب أزواج النيتروجين المعزولة التي هي أكثر المواقع تفاعلاً لهجوم الإلكترونيات أثناء التفاعل. من خريطة MEP، يمكن استنتاج أن جزيئات Pyz-1 و لديها نشاط بيولوجي كبير وهي مفتاح التعرف على الأدوية في الأنظمة البيولوجية.

تحليل NBO

يمثل تحليل المدار الطبيعي (NBO) أداة حسابية لفهم وتفسير أكثر سهولة وملاءمة للحلول الحسابية لمعادلة شرودنجر في مفاهيم الترابط الكيميائي. . تتيح هذه الطريقة دراسة توزيع كثافة الإلكترون على الذرات وفي الروابط بطريقة فعالة. كما أنها توفر وسيلة ملائمة لفحص نقل الشحنة أو التفاعل التناسقي في الأنظمة الجزيئية. . جانب مفيد من طريقة NBO هو أنها توفر معلومات حول التفاعلات بين المساحات المدارية المملوءة (المانحة) (المدارات الترابطية أو الأزواج المنفردة) والفارغة (المدارات المضادة للترابط و/أو مدارات ريدبرغ) التي يمكن أن تحسن تحليل التفاعلات داخل الجزيئات. . يتم قياس قوة التفاعل بين المانحين الإلكترونين والمستقبلين الإلكترونين وبالتالي درجة التناسق للنظام بواسطة قيمة طاقة التفاعلات الفائقة. . كلما كانت هذه القيمة أكبر، كانت التفاعلات بين المانحين الإلكترونين والمستقبلين الإلكترونين أقوى وزادت درجة التناسق للنظام بأكمله.
لتقييم تفاعلات المانح-المستقبل، تم إجراء مصفوفة Fock من الدرجة الثانية. تم تقدير طاقة الاستقرار المرتبطة بـ التوزيع لكل مانح (i) ومستقبل (j) كما يلي:
حيث هو شغل المدار المانح (2 للغلاف المغلق، 1 للغلاف المفتوح)، هي العناصر القطرية (طاقات المدارات)، و هو عنصر مصفوفة NBO Fock غير القطرية.
بالنسبة لكلا المركبين، تم حساب أهم تحليلات التفاعل بين المدار NBO من نوع لويس المملوء (الترابط) والمدار NBO غير لويس غير المملوء (المضاد للترابط) وتم تقديم تفاعلات المانح-المستقبل التي لها طاقة استقرار فوق في الجدولين S1 و S2. يكشف فحص المانحين والمستقبلين المختلفين عن ثلاثة أنواع من LP المانحة، و ، ونوعين من المستقبلين و . في Pyz-2، تم ملاحظة مساهمة ملحوظة لطاقة الاستقرار بسبب تفاعل المدارات الجزيئية المملوءة والأزواج المنفردة LP(N13) مع المدار الجزيئي غير المملوء . الطاقة المزعجة لهذه التفاعلات هي على التوالي و ، مما يؤدي إلى نقل شحنة داخل الجزيء (ICT) يسبب استقرارًا عاليًا للمركب المدروس. تكشف طاقات التفاعل الأساسية المتعلقة بجزيء SM3 أن أهم تفاعلات المانح-المستقبل هي التفاعلات بين الزوج الإلكتروني المنفرد (LP) لذرات النيتروجين LP(N9) و LP(N1) إلى المستقبل المضاد للترابط و المدارات. تم الإبلاغ عن طاقات التفاعل للتفاعلات التناسقية المذكورة على أنها و على التوالي. تم تحديد التبرع الإلكتروني النسبي القوي من و و من الحلقة العطرية. هذه الظاهرة ناتجة عن التفاعلات الفائقة داخل الجزيء بين (C-C) و المدارات، مما يؤدي إلى ICT يسبب استقرار النظام.

الأنشطة البيولوجية

النشاط المضاد للسكري

تمت دراسة المركبات Pyz-1 و Pyz-2 في المختبر لفعالياتها المضادة للسكري ضد -غلوكوزيداز و إنزيمات الأميلاز. تم استخدام أكاربوز كدواء قياسي. نتائج -غلوكوزيداز و تم تلخيص نشاط مثبط الأميلاز – في الجدول 4. كما هو موضح في الجدول 4، المركب أظهر أقل نشاط ضد -غلوكوزيداز و -أميلاز مع قيم 279.0 و ، على التوالي. أظهرت Pyz-1 و Pyz-2 أداءً جيدًا -غلوكوزيداز و أنشطة مثبطات الأميلاز قيم من و ، و على التوالي، مقارنةً بـ Acarbose و ). أظهرت النتائج المستخلصة تثبيطًا ذا دلالة إحصائية عالية على -أميلاز -غليكوسيداز للمركبات المدروسة. وُجد أن التعديل الهيكلي للكربوهيدرازيد أدى إلى زيادة تثبيط الإنزيمات للمركبات Pyz-1 وPyz-2.
المركبات
-غلوكوسيداز -أميلاز
بيز-1
بيز-2
أكاربوز
الجدول 4. -غلوكوزيداز و أنشطة مثبطات الأميلاز و Pyz-2. القيم تمثل المتوسط الانحراف المعياري ( ).

نشاط مضادات الأكسدة

تم تحديد خصائص مضادات الأكسدة للمركبات المستهدفة باستخدام DPPH و ABTS، تجارب التقاط الجذور الحرة، قوة الاختزال (FRAP)، وتجارب أكسيداز الزانثين (XO). تم استخدام حمض الأسكوربيك (A.A) والألوبورينول كمعيار. تم تلخيص النتائج في الجدول 5.
لتحليل DPPH، نشاط مضادات الأكسدة لـ كان الأعلى حيث أن كانت القيمة هي الأدنى )، تليها مع قيمة لـ أظهرت المركبات Pyz-1 وPyz-2 قدرات معتدلة مضادة للأكسدة. بالنسبة لاختبار ABTS، أظهر المركب Pyz-2 نشاطًا قويًا في التخلص من الجذور الحرة مع قيمة لـ ، وهو أكثر بمقدار 3.88 مرة من ذلك يمتلك Pyz-2 نشاطًا مضادًا للأكسدة Comparable لنشاط A.A ). بالنسبة لقدرة القوة المخفضة (FRAP)، أظهر Pyz-2 أقصى قدرة تخفيض مع قيمة لـ إحصائيًا، قوة التخفيض لـ كان أقوى من A.A ). علاوة على ذلك، في طريقة، و عرضت نشاطًا جيدًا مضادًا للأكسدة مع قيم من و على التوالي، مقارنة بـ .
أظهرت نتائج التأثير المثبط على زانثين أوكسيداز للمركبات المذكورة في العنوان أن Pyz-1 أظهر نشاطًا كبيرًا في XO مع قيمة لـ . علاوة على ذلك، أظهر Pyz-2 أعلى نشاط مثبط لـ XO مع قيمة لـ ، مقارنةً بالألوبيورينول ( ).

دراسات الارتباط

التفاعل الرابط لـ و الليغاندات مع -أميلاز تمت دراسة -غلوكوزيداز بشكل إضافي من خلال إجراء تحليل تفاعل ربط باستخدام الحاسوب لفهم تفاعلاتها في موقع النشاط الإنزيمي. وبالمثل، تم ربط أكاربوز (ACA)، وهو نوع قياسي من أدوية السكري من النوع 2، كعنصر تحكم إيجابي. تم تحديد أكثر مواقع الربط احتمالاً للجزيئات التي تظهر أفضل تقارب ربط تجاه الإنزيم المستهدف. -أميلاز تم تجميع -غلوكوزيداز في الجدول 6 وتوضيحها في الأشكال 3 و 4.
كما هو ملاحظ من الجدول 6، فإن جميع قيم طاقات الربط سالبة، مما يثبت الأنظمة ويفضل التفاعلات بين البروتينات والليغاندات.
ضد هدف إنزيم الأميلاز )
من بين المركبات البديلة المقترحة حديثًا لعلاج السكري، و إظهار طاقات الربط لـ و على التوالي، وكلاهما أعلى من طاقة الربط للجزيء المرتبط الذي يقف عند .
الشكل 3 قدم الأحماض الأمينية المتفاعلة -أميلاز مع . تشمل بقايا الأحماض الأمينية المحيطة بالإنزيم Tyr198 وTrp268 وAla237 وLeu201 وLeu340. يتم تشكيل رابطتين هيدروجينيتين في Pyz-1- معقد الأميلاز – بين ذرة الهيدروجين من بقايا Tyr198 والأزواج الوحيدة من ذرة الأكسجين لمجموعة الكيتو وبين الأزواج الوحيدة من ذرة الأكسجين لمجموعة الكيتو من بقايا Trp268 وذرة الهيدروجين من مجموعة الأمين من Pyz-1 لمسافة Å و Åعلى التوالي. علاوة على ذلك، -سيغما و -تفاعلات الألكيل بين حلقة البنزين وبقايا الأحماض الأمينية، تم تعزيزها السقالة في Pyz-1- مجمع الأميلاز -ألفا. تفاعل جزيء Pyz-2 -أميلاز عن طريق إنشاء رابطة هيدروجينية تقليدية مع غلوتاميك 266 ( Å ) ورابطتين هيدروجين مع Trp268 (2.30 Å و 2.60 Å) (الشكل 3). هذا المركب يظهر أيضًا -كاتيون -كبريت، -ألكيل و التفاعلات مع Leu201 و His240 و Tyr198. بالنسبة للأكاربوز، الذي تم اختياره كمرجع، كشفت دراسة الربط عن مشاركة أربعة عشر حمضًا أمينيًا في التفاعلات الجزيئية، بما في ذلك خمسة روابط هيدروجينية مع الأحماض الأمينية Lys269 و Glu266 و Tyr198، ورابطتين كربون-هيدروجين مع الأحماض الأمينية Asn270 و Tyr268، بالإضافة إلى ثمانية تفاعلات من نوع فان دير فال مع الأحماض الأمينية Asp271 و Tyr295 و Arg234 و Ala237 و His240 و Leu340 و Lys239 و Glu194 (الشكل 3). تفاعلات غير مواتية بين المانحين والمانحين وبين المتقبلين والمتقبلين.
مركب IC50 (
DPPH ABTS فراپ إكس أو
بيز-1
بيز-2
حمض الأسكوربيك –
ألوبورينول – – – –
الجدول 5. أنشطة مضادات الأكسدة لـ و . القيم تمثل المتوسط الانحراف المعياري ( ).
الليغاندات -غلوكوزيداز (PDB=3A4A) -أميلاز (PDB: 2GJP)
الألفة (كيلو كالوري/مول) Rmsdl.b الألفة (كيلو كالوري/مول) Rmsdl.b
-5.3 0.000 -5.3 0.000
بيز-1 -5.7 0.000 -6.7 0.000
بيز-2 -4.3 0.000 -5.6 0.000
ACA -5.9 0.000 -6.2 0.000
الجدول 6. نتائج الربط ل affinity والـ RMSD لقيم الأوضاع المختلفة في 3A4A و 2GJP.
الشكل 3. الارتباط بين المركبات المرسومة (1، Pyz-1، Pyz-2 و Acarbose) و -أميلاز .
تُلاحظ أيضًا مع الحمض الأميني Asp333. فيما يتعلق بالمركب الارتباط بـ أدى الأميلاز إلى طاقة ربط قدرها .
ضد هدف إنزيم -غلوكوزيداز )
من الجدول 6، وُجد أن التحكم الإيجابي ACA كان الأكثر فعالية رابط -غلوكوزيداز، مما يشكل أكثر المركبات استقرارًا بأقل طاقة ) والتفاعل مع الأحماض الأمينية Pro467 وTrp468 وLys466 وAsp34 وTrp36 وPro82 من خلال روابط هيدروجينية قوية (مستقبلات الهيدروجين ومانحات الهيدروجين). كان ثاني أكثر الروابط فعالية هو بقيمة طاقة قدرها سبعة تفاعلات فان دير ووالس، اثنان التفاعلات ورابطة الكربون الهيدروجيني الواحدة استقرت Pyz-1- -مجمع الغلوكوزيداز (الشكل 4). وبالتالي، كانت البقايا التي تحقق تفاعلات فان der Waals هي Gln67 و Met70 و Arg413 و Trp468 و Glu408 و Tyr407 و Lys406. علاوة على ذلك، ساهمت بقايا الأحماض الأمينية مثل Trp36 و Tyr470 أيضًا في استقرار المجمع من خلال التفاعلات (الشكل 4). في Pyz-2 الأقل استقرارًا -معقد الغلوكوزيداز ( )، تم إنشاء العديد من التفاعلات بين الجزيئات بين البيرازول المرتبط والنشط الأحماض الأمينية -غلوكوسيداز، بما في ذلك الروابط الهيدروجينية الكلاسيكية، وتفاعلات فان دير فالس، -ألكيل و التفاعلات (الشكل 4). فيما يتعلق بالمركب طاقة الربط مع -غلوكوزيداز كان . بشكل عام، تم إجراء تحليل طاقة الربط في هذا القسم لكل ارتباط بين الروابط (أكاربوز، و ) و الـ -أميلاز تعطي جزيئات الماكرو -غلوكوزيداز معلومات قيمة للتنبؤ بالألفة مع البروتينات. يحدد هذا التحليل أي حمض أميني من البروتينات يتلامس مع الروابط المرسومة في الموقع النشط.

تحليل ADME-T

في هذه الدراسة، دراسة حسابية لـ و تم إجراء ذلك لتحديد المساحة السطحية وغيرها من الخصائص الفيزيائية والكيميائية وفقًا لتوجيهات قاعدة ليبينسكي. اقترح ليبينسكي أن
الشكل 4. الارتباط بين المركبات المرسومة (1، Pyz-1، Pyz-2 و Acarbose) و -غلوكوزيداز (PDB:3A4A).
من المرجح أن يكون امتصاص المركب أفضل إذا حقق الجزيء ثلاثة على الأقل من القواعد الأربعة التالية: (i) مجموعات مانحة للهيدروجين ; (ii) مجموعات مستقبلات HB ; (iii) الوزن الجزيئي أقل من 500 ; (iv) أقل من 5. كما هو موضح في الجدول 7، فإن المركبين (Pyz-1 وPyz-2) يلتزمان بجميع قواعد ليبينسكي. يحتوي Pyz-1 وPyz-2 على عدد من مجموعات قبول الروابط الهيدروجينية 3 و2 فقط و4 و3 مانحات للروابط الهيدروجينية، على التوالي. أيضًا، الأوزان الجزيئية أقل من 500 و أقل من 5 وجميع هذه القيم تتوافق مع قواعد ليبينسكي.
أيضًا، ملفات ADMET لـ و تم تقييمها أولياً لتحليل إمكانياتها لتصبح مرشحة جيدة للأدوية. كما هو موضح في الجدول 7، البداية قيم من و هي 1.447 و 0.245 على التوالي، مما يشير إلى أن توزيع المركبات المذكورة يبقى ثابتًا حتى pH 6.0، ثم يبدأ في التغير مع تكوين الأنواع المشحونة. من ناحية أخرى، قيم من وتم تقدير قيم Pyz-1 وPyz-2 بـ 1.044 و0.64 على التوالي، مما يشير إلى أن المركبات المذكورة قد تكون قابلة للاختراق قليلاً للحواجز البيولوجية في النظام الفسيولوجي، وبالتالي لا تزال تتمتع بالدهون التي تعتبر مثالية في مرحلة امتصاص الأمعاء. تُظهر قيمة PSA لـ Pyz-1 وPyz-2 المقدرة بـ 98.91 و88.31 على التوالي، نفاذية منخفضة للحواجز البيولوجية المختلفة، مع ميل طفيف لبروتينات البلازما المقدرة بـ و .
عند النظر إلى قيم المعلمات المحسوبة، نجد أن هذه القيم ضمن المعايير الموصى بها. وبالتالي، يمكننا أن نستنتج أن جزيئات العنوان تتمتع بخصائص قابلة للاستخدام كدواء وأن تطبيقها كدواء نظري آمن.

الخاتمة

في الختام، تم تخليق مشتقات جديدة من البيرازول Pyz-1 وPyz-2، وتمت دراستها وتقييمها من حيث أنشطتها المضادة للسكري ومضادات الأكسدة. تم تقييم Pyz-1 وPyz-2 في المختبر من حيث أنشطتها المضادة للسكري ومضادات الأكسدة. بالنسبة لنتيجة النشاط المضاد للسكري، و أظهر قوة -غلوكوزيداز و مثبط الأميلاز. بالنسبة لنتائج النشاط المضاد للأكسدة، المركب أظهرت نشاطًا ممتازًا مما يدل على أن المركبات ذات العنوان لديها قدرات كبيرة كمضادات للأكسدة وكمخمدات للجذور الحرة. في اختبار أكسيداز الزانثين، Pyz-1 و
معامل بيز-1 بيز-2
الوزن الجزيئي (غرام/مول) 259.26 196.23
الدهون المحبة (LogP) 1.044 0.64
مانحو الروابط الهيدروجينية ٤ ٣
مستقبلات الروابط الهيدروجينية ٣ 2
مساحة السطح القطبي (Psa) ٩٨.٩١ ٨٨.٣١
التوزيع عند الرقم الهيدروجيني 7.4 (لوغ د) 1.447 0.245
ربط البروتينات البلازمية (Ppb) ٢٩.٣٢٪ 30.68%
سمية الفم الحادة في الجرذان 0.026 0.008
نفاذية كاكو-2 -5.303 0.023
مثبط Cyp1a2 0.028 0.083
ركيزة Cyp1a2 0.334 0.054
مثبط Cyp2c19 0.034 0.059
ركيزة Cyp2c19 0.052 0.038
مثبط Cyp2c9 0.019 0.91
ركيزة Cyp2c9 0.908 0.001
مثبط Cyp2d6 0.003 0.147
ركيزة Cyp2d6 0.282 0.012
مثبط Cyp3a4 0.011 0.101
ركيزة Cyp3a4 0.045 0.023
الجدول 7. ملف ADMET لـ Pyz-1 و Pyz-2.
أظهر Pyz-2 قدرة مثبطة ملحوظة مع قيم و ، على التوالي. أيضًا، تحسين الهيكل الجزيئي، الخصائص الإلكترونية والديناميكية الحرارية لـ و من خلال حسابات DFT دعمت الأنشطة المضادة للسكري ومضادات الأكسدة للمركبات المذكورة. ومع ذلك، ونتيجة لنتائج الربط، وُجد أن المركب لديه نشاط أعلى. مع درجة ربط ضد -غلوكوزيداز و ضد -أميلاز. كانت الملفات الشخصية المتوقعة لـ ADMET للمركبات المذكورة متوافقة مع قواعد ليبينسكي، ويمكننا أن نستنتج أن Pyz-1 وPyz-2 تتمتعان بخصائص قابلة للاستخدام كأدوية. تشجع هذه النتائج الواعدة على مزيد من دراسة الأنشطة المضادة للسكري ومضادات الأكسدة للمركبات المذكورة من خلال قياس سمّيتها. وبالتالي، فإن الدراسات المتقدمة على الكائنات الحية جارية وسيتم نشرها في مكان آخر.

توفر البيانات

جميع البيانات التي تم توليدها أو تحليلها خلال هذه الدراسة مدرجة في هذه المقالة المنشورة وملفات المعلومات التكميلية الخاصة بها.
تاريخ الاستلام: 9 أكتوبر 2023؛ تاريخ القبول: 3 يناير 2024
نُشر على الإنترنت: 15 يناير 2024

References

  1. Chatterjee, S., Khunti, K. & Davies, M. J. Type 2 diabetes. The Lancet 389, 2239-2251 (2017).
  2. Ademiluyi, A. O. & Oboh, G. Soybean phenolic-rich extracts inhibit key-enzymes linked to type 2 diabetes ( -amylase and a-glucosidase) and hypertension (angiotensin I converting enzyme) in vitro. Exp. Toxicol. Pathol. 65, 305-309 (2013).
  3. Gao, Z. et al. Automatic interpretation and clinical evaluation for fundus fluorescein angiography images of diabetic retinopathy patients by deep learning. British J. Ophthalmol. 107, 1852-1858 (2023).
  4. Yang, Y. Y., Shi, L. X., Li, J. H., Yao, L. Y. & Xiang, D. X. Piperazine ferulate ameliorates the development of diabetic nephropathy by regulating endothelial nitric oxide synthase. Mol. Med. Rep. 19, 2245-2253 (2019).
  5. Chen, J. et al. Bone marrow stromal cell-derived exosomal circular RNA improves diabetic foot ulcer wound healing by activating the nuclear factor erythroid 2-related factor 2 pathway and inhibiting ferroptosis. Diabetes Med. 1, e15031 (2023).
  6. Pai, Y. W. et al. Glycaemic control for painful diabetic peripheral neuropathy is more than fasting plasma glucose and glycated haemoglobin. Diabetes Metab. 47, 101158 (2021).
  7. Chen, Y., Tan, S., Liu, M. & Li, J. LncRNA TINCR is downregulated in diabetic cardiomyopathy and relates to cardiomyocyte apoptosis. Scand. Cardiovasc. J. 52, 335-339 (2018).
  8. Wang, H., Yang, T., Wu, J., Chen, D. & Wang, W. Unveiling the Mystery of SUMO-activating enzyme subunit 1: A groundbreaking biomarker in the early detection and advancement of hepatocellular carcinoma. Transplant. Proc. 1, 945-951 (2023).
  9. Asmat, U., Abad, K. & Ismail, K. Diabetes mellitus and oxidative stress-A concise review. Saudi Pharm. J. 24, 547-553 (2016).
  10. Araki, E. & Nishikawa, T. Oxidative stress: A cause and therapeutic target of diabetic complications. J. Diabetes Investig. 1, 90-96 (2010).
  11. Matough, F. A., Budin, S. B., Hamid, Z. A., Alwahaibi, N. & Mohamed, J. The role of oxidative stress and antioxidants in diabetic complications. Sultan Qaboos Univ. Med. J. 12, 5 (2012).
  12. Karrouchi, K. et al. Synthesis and pharmacological activities of pyrazole derivatives: A review. Molecules 23, 134 (2018).
  13. Bennani, F. E. et al. Overview of recent developments of pyrazole derivatives as an anticancer agent in different cell line. Bioorg. Chem. 97, 103470 (2020).
  14. Karrouchi, K. et al. Synthesis, X-ray structure, vibrational spectroscopy, DFT, biological evaluation and molecular docking studies of (E)-N’-(4-(dimethylamino) benzylidene)-5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide. J. Mol. Struct. 1219, 128541 (2020).
  15. Chaudhary, M. et al. Chloro and bromo-pyrazole curcumin Knoevenagel condensates augmented anticancer activity against human cervical cancer cells: design, synthesis, in silico docking and in vitro cytotoxicity analysis. J. Biomol. Struct. Dyn. 38, 200-218 (2020).
  16. Tighadouini, S. et al. Synthesis, crystal structure, DFT studies and biological activity of (Z)-3-(3-bromophenyl)-1-(1, 5-dimethyl-1 H-pyrazol-3-yl)-3-hydroxyprop-2-en-1-one. Chem. Central J. 12, 1-11 (2018).
  17. Karrouchi, K. et al. Synthesis, a-glucosidase inhibition, anticancer, DFT and molecular docking investigations of pyrazole hydrazone derivatives. Polycycl. Aromat. Compd. 1, 1-20 (2022).
  18. Karrouchi, K. et al. Synthesis, characterization, free-radical scavenging capacity and antioxidant activity of novel series of hydrazone, 1, 3, 4-oxadiazole and 1, 2, 4-triazole derived from 3, 5-dimethyl-1H-pyrazole. Lett. Drug Des. Discov. 16, 712-720 (2019).
  19. Abu-Melha, S. et al. Clean grinding technique: A facile synthesis and in silico antiviral activity of hydrazones, pyrazoles, and pyrazines bearing thiazole moiety against SARS-CoV-2 main protease (Mpro). Molecules 25, 4565 (2020).
  20. Pogaku, V., Krishna, V. S., Sriram, D., Rangan, K. & Basavoju, S. Ultrasonication-ionic liquid synergy for the synthesis of new potent anti-tuberculosis 1, 2, 4-triazol-1-yl-pyrazole based spirooxindolopyrrolizidines. Bioorg. Med. Chem. Lett. 29, 1682-1687 (2019).
  21. Karrouchi, K. et al. Synthesis, crystal structure, DFT, -glucosidase and -amylase inhibition and molecular docking studies of (E)-N’-(4-chlorobenzylidene)-5-phenyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide. J. Mol. Struct. 1245, 131067 (2021).
  22. Mortada, S. et al. Synthesis, spectroscopic and DFT studies of 5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide N-glycoside as potential anti-diabetic and antioxidant agent. J. Mol. Struct. 1267, 133652 (2022).
  23. Karrouchi, K. et al. Synthesis, X-ray, spectroscopy, molecular docking and DFT calculations of (E)-N’-(2, 4-dichlorobenzylidene)-5-phenyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide. J. Mol. Struct. 1228, 129714 (2021).
  24. Lee, C., Yang, W. & Parr, R. G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B 37, 785 (1988).
  25. Becke, A. D. A new mixing of Hartree-Fock and local density-functional theories. J. Chem. Phys. 98, 1372-1377 (1993).
  26. Krishnan, R. B. J. S., Binkley, J. S., Seeger, R. & Pople, J. A. Self-consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions. J. Chem. Phys. 72, 650-654 (1980).
  27. McLean, A. D. & Chandler, G. S. Contracted Gaussian basis sets for molecular calculations. I. Second row atoms, Z=11-18. J. Chem. Phys. 72, 5639-5648 (1980).
  28. Kainat, S. et al. Theoretical modeling of B12N12 nanocage for the effective removal of paracetamol from drinking water. Computation 11, 183 (2023).
  29. Shahab, M. et al. Structure based virtual screening and molecular simulation study of FDA-approved drugs to inhibit human HDAC6 and VISTA as dual cancer immunotherapy. Sci. Rep. 13, 14466 (2023).
  30. Ali, Q. et al. Theoretical insight of ciprofloxacin removal from water using boron nitride (B12N12) nanocage. Surf. Interfaces. 31, 101982 (2022).
  31. Cances, E., Mennucci, B. & Tomasi, J. A new integral equation formalism for the polarizable continuum model: Theoretical background and applications to isotropic and anisotropic dielectrics. J. Chem. Phys. 107, 3032-3041 (1997).
  32. Cossi, M., Barone, V., Cammi, R. & Tomasi, J. Ab initio study of solvated molecules: a new implementation of the polarizable continuum model. Chem. Phys. Lett. 255, 327-335 (1996).
  33. Barone, V., Cossi, M. & Tomasi, J. Geometry optimization of molecular structures in solution by the polarizable continuum model. J. Comput. Chem. 19, 404-417 (1998).
  34. Lu, T. & Chen, F. Multiwfn: a multifunctional wavefunction analyzer. J. Comput. Chem. 33, 580-592 (2012).
  35. Humphrey, W., Dalke, A. & Schulten, K. VMD: Visual molecular dynamics. J. Mol. Graph. 14, 33-38 (1996).
  36. Reed, A. E., Curtiss, L. A. & Weinhold, F. Intermolecular interactions from a natural bond orbital, donor-acceptor viewpoint. Chem. Rev. 88, 899-926 (1988).
  37. Reed, A. E., Weinstock, R. B. & Weinhold, F. Natural population analysis. J. Chem. Phys. 83, 735-746 (1985).
  38. F. Weinhold, J. E. Carpenter, The natural bond orbital Lewis structure concept for molecules, radicals, and radical ions. In The Structure of Small Molecules and Ions (pp. 227-236) (Springer, Boston, MA, 1988).
  39. Parthasarathi, R., Subramanian, V., Roy, D. R. & Chattaraj, P. K. Electrophilicity index as a possible descriptor of biological activity. Bioorg. Med. Chem. 12, 5533-5543 (2004).
  40. Chattaraj, P. K. & Giri, S. Electrophilicity index within a conceptual DFT framework. Phys. Chem. 105, 13-39 (2009).
  41. Islam, N., Kaya, S. (Eds.). Conceptual Density Functional Theory and Its Application in the Chemical Domain (CRC Press, 2018).
  42. Frisch, M. E., Trucks, G. W., Schlegel, H. B., Scuseria, G. E., Robb, M. A., Cheeseman, J. R. et al. **Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.
  43. Dennington, R., Keith, T., & Millam, J. GaussView, version 5 (2009).
  44. Morris, G. M. et al. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility. J. Comput. Chem. 30, 2785-2791 (2009).
  45. Systemes, D. BIOVIA Discovery Studio Visualizer 2016. San Diego, CA: Dassault Systemes, 2016.
  46. Schrodinger, L. L. C. The PyMOL molecular graphics system. Version, 1(5) (2010).
  47. Ahmed, A. et al. Novel adamantyl clubbed iminothiazolidinones as promising elastase inhibitors: design, synthesis, molecular docking, ADMET and DFT studies. RSC Adv. 12, 11974-11991 (2022).
  48. Karrouchi, K. et al. Experimental and computational interaction studies of (E)-N’-benzylidene-5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide with -glucosidase and -amylase enzymes: A detailed structural, spectroscopic, and biophysical study. Polycycl. Aromat. Compd. 43, 1812-1832 (2023).
  49. Pillai, R. R. et al. Synthesis, spectroscopic characterization, reactive properties by DFT calculations, molecular dynamics simulations and biological evaluation of Schiff bases tethered 1, 2, 4-triazole and pyrazole rings. J. Mol. Struct. 1177, 47-54 (2019).
  50. Kostić, D. A. et al. Xanthine oxidase: Isolation, assays of activity, and inhibition. J. Chem. 2015, 1-9 (2015).
  51. Arivazhagan, M., Manivel, S., Jeyavijayan, S. & Meenakshi, R. Vibrational spectroscopic (FTIR and FT-Raman), first-order hyperpolarizablity, HOMO, LUMO, NBO, Mulliken charge analyses of 2-ethylimidazole based on Hartree-Fock and DFT calculations. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 1, 493-501 (2015).
  52. Karelson, M., Lobanov, V. S. & Katritzky, A. R. Quantum-chemical descriptors in QSAR/QSPR studies. Chem. Rev. 96, 1027-1044 (1996).
  53. Streitwieser, A. & Salzberg, H. W. Molecular orbital theory for organic chemists. J. Electrochem. Soc. 109, 116 (1962).
  54. Chattaraj, P. K., Nath, S., Maiti, B. Reactivity Descriptors 295-322. (Marcel Dekker, New York, 2003).
  55. El-Hadki, H. et al. Theoretical Study of Reaction Between Nitrilimine and 1,4 oxazine 2 Carboxylate by MP2 and DFT Methods. Oriental J. Chem. 34, 2992 (2018).
  56. Parr, R. G., Szentpály, L. V. & Liu, S. Electrophilicity index. J. Am. Chem. Soc. 1, 1922-1924 (1999).
  57. Luque, F. J., López, J. M. & Orozco, M. Perspective on “Electrostatic interactions of a solute with a continuum. A direct utilization of ab initio molecular potentials for the prevision of solvent effects”. Theor. Chem. Acc. 1, 343-345 (2000).
  58. El Hadki, A. et al. Removal of oxytetracycline by graphene oxide and boron-doped reduced graphene oxide: A combined density function theory, molecular dynamics simulation and experimental study. FlatChem. 27, 100238 (2021).
  59. Weinhold, F., Landis, C. R. & Glendening, E. D. What is NBO analysis and how is it useful?. Int. Rev. Phys. Chem. 1, 399-440 (2016).
  60. Weinhold, F. & Landis, C. R. Natural bond orbitals and extensions of localized bonding concepts. Chem. Educ. Res. Pract. 1, 91-104 (2001).
  61. Agwupuye, J. A. et al. Electronic structure investigation of the stability, reactivity, NBO analysis, thermodynamics, and the nature of the interactions in methyl-substituted imidazolium-based ionic liquids. J. Mol. Liq. 337, 116458 (2021).
  62. Yu, Z. et al. Insights from molecular dynamics simulations and steered molecular dynamics simulations to exploit new trends of the interaction between HIF-1a and p300. J. Biomol. Struct. Dyn. 38, 1-12 (2020).
  63. Lipinski, C. A., Lombardo, F., Dominy, B. W. & Feeney, P. J. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 4-17 (2012).
  64. Xiong, G. et al. ADMETlab 2.0: An integrated online platform for accurate and comprehensive predictions of ADMET properties. Nucl. Acids Res. 49, W5-W14 (2021).
  65. van Breemen, R. B. & Li, Y. Caco-2 cell permeability assays to measure drug absorption. Expert. Opin. Drug Metab. Toxicol. 1, 175-185 (2005).
  66. Prabakaran, G., Manivarman, S. & Bharanidharan, M. Catalytic synthesis, ADMET, QSAR and molecular modeling studies of novel chalcone derivatives as highly potent antioxidant agents. Mater. Today: Proc. 48, 400-408 (2022).
  67. Fettach, S. et al. Biological, toxicological and molecular docking evaluations of isoxazoline-thiazolidine-2, 4-dione analogues as new class of anti-hyperglycemic agents. J. Biomol. Struct. Dyn. 41, 1072-1084 (2021).
  68. Fettach, S. et al. Synthesis, -glucosidase and -amylase inhibitory activities, acute toxicity and molecular docking studies of thiazolidine-2, 4-diones derivatives. J. Biomol. Struct. Dyn. 1, 1-12 (2021).

شكر وتقدير

يود المؤلفون أن يعبروا عن امتنانهم لجامعة الملك سعود، الرياض، المملكة العربية السعودية، لدعمها العمل من خلال مشروع دعم الباحثين رقم (RSPD2024R740).

مساهمات المؤلفين

تصور، س.م؛ المنهجية، س.م وك.ك؛ البرمجيات، إ.هـ.هـ؛ الموارد، أ.ع؛ الحصول على التمويل، م.أ.ب؛ التحليل الرسمي، ح.م وي.أ؛ إعداد المسودة الأصلية، ك.ك، س.م، م.أ.ب وإ.هـ.هـ؛ التصور، س.ر وأ.م؛ الكتابة – المراجعة والتحرير، ك.ك؛ الإشراف، م.أ وم.إ.أ.ف. جميع المؤلفين قرأوا ووافقوا على النسخة المنشورة من المخطوطة.

المصالح المتنافسة

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد إضافية متاحة علىhttps://doi.org/10.1038/s41598-024-51290-6.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى K.K.
معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة علىwww.nature.com/reprints.
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح إذا ما تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلف(ون) 2024
  1. مختبر علم الأدوية والسموم، فريق بحث التحليل البيوفارماوي والسموم، كلية الطب والصيدلة، جامعة محمد الخامس، الرباط، المغرب. مختبر الكيمياء التحليلية والبروماطولوجيا، فريق صياغة ومراقبة جودة المنتجات الصحية، كلية الطب والصيدلة، جامعة محمد الخامس في الرباط، الرباط، المغرب. CERNE2D: مختبر الطيفية، النمذجة الجزيئية، المواد، النانومواد، المياه والبيئة (LS3MN2E)، كلية العلوم، جامعة محمد الخامس، الرباط، المغرب. معهد المواد المكثفة والنانوساينس، الكيمياء الجزيئية، المواد والتحفيز (IMCN/MOST)، جامعة لوفان الكاثوليكية، 1348 لوفان-لا-نوف، بلجيكا. قسم الكيمياء الصيدلانية، كلية الصيدلة، جامعة الملك سعود، 11451 الرياض، المملكة العربية السعودية. المختبر المركزي لعلم الدم، مستشفى ابن سينا، كلية الطب والصيدلة، جامعة محمد الخامس، الرباط، المغرب. مختبر الكيمياء التطبيقية والبيئة (LCAE)، كلية العلوم، جامعة محمد الأول، 60000 وجدة، المغرب. مختبر الكيمياء الطبية، كلية الطب والصيدلة، جامعة محمد الخامس، الرباط، المغرب. ساهم هؤلاء المؤلفون بالتساوي: أزلراب مصرار ومي ال عباس فوزي. البريد الإلكتروني:خالد.كروشي@um5s.net.ma

Journal: Scientific Reports, Volume: 14, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-51290-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38225280
Publication Date: 2024-01-15

Synthesis, structural characterizations, in vitro biological evaluation and computational investigations of pyrazole derivatives as potential antidiabetic and antioxidant agents

Salma Mortada , Khalid Karrouchi , El Hadki Hamza , Afaf Oulmidi , Mashooq Ahamd Bhat , Hassane Mamad , Youssra Aalilou , Smaail Radi , M’hammed Ansar , Azlarab Masrar & My El Abbes Faouzi

In this study, a two pyrazole derivatives; 2-(5-methyl-1H-pyrazole-3-carbonyl)-N-phenylhydrazine-1-carboxamide (Pyz-1) and 4-amino-5-(5-methyl-1H-pyrazol-3-yl)-4H-1,2,4-triazole-3-thiol (Pyz-2) were synthesized and characterized by , and mass spectrometry. A complete molecular structures optimization, electronic and thermodynamic properties of Pyz-1 and Pyz-2 in gas phase and aqueous solution were predicted by using hybrid B3LYP method with the 6-311++G** basis sets. Pyz-1 and Pyz-2 were evaluated in vitro for their anti-diabetic, antioxidant and xanthine oxidase inhibition activities. For anti-diabetic activity, Pyz-1 and Pyz-2 showed a potent -glucosidase and -amylase inhibition with values of and , respectively, compared to Acarbose . In xanthine oxidase assay, Pyz-1 and Pyz-2 exhibited remarkable inhibitory ability with values and , respectively. The result of antioxidant activities showed that the title compounds have considerable antioxidant and radical scavenger abilities. In addition, molecular docking simulation was used to determine the binding modes and energies between the title compounds and -glucosidase and -amylase enzymes.
Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is characterized by high blood glucose levels, which can lead to major complications such as cardiovascular disease, neuropathy, retinopathy and kidney disease . The disease affects 4.9 million people worldwide, with of diabetes cases attributable to T2DM. It is one of the most common public health problems . Controlling postprandial hyperglycemia in T2DM by inhibiting dietary carbohydrate digestion ( -amylase and -glucosidase) is considered one of the most effective therapeutic approaches for lowering
blood glucose levels. Thus, -amylase and -glucosidase are two enzymes essential for breaking down and degrading dietary carbohydrates such as starch in the digestive tract into simple monosaccharides, in particular, glucose, which passes into the bloodstream after absorption. Consequently, enzymatic inhibition of -amylase and -glucosidase can suppress carbohydrate digestion, delay glucose absorption and, consequently, lead to a reduction in blood glucose levels . On the other hand, several chronic diseases such as T2DM have been related to oxidative stress which entails the production of reactive oxygen species (ROS) such as the hydroxyl radical , hydrogen peroxide and superoxide anion radical . On other hand, the increase of malondialdehyde (MDA) concentration by lipid peroxidation in pancreatic tissue of diabetic animal models confirmed the role of ROS in the pathogenesis and progression of diabetes. Thus, in vivo animal studies have shown that potent inhibition of oxidative stress by specific anti-oxidants under experimental diabetic conditions has shown preventive effects on the progression of diabetic complications . Therefore, it would be very beneficial to develop new compounds with both anti-diabetic and antioxidant activities to minimize adverse effects.
Indeed, pyrazole constitute a large class of heterocycles which can be explored for the development of new drug substances. An extensive study of this class has demonstrated that pyrazole can be present in various known drugs of different classes with different therapeutic activities . In the last few years, pyrazole chemistry and its derivatives have attracted considerable interest due to their broad spectrum of biological activities, such as antidiabetic , antibacterial , antioxidant and analgesic , anticancer , antiviral and antituberculosis agents . Considering the biological and pharmacological properties of these derivatives, it is essential to study their electronic and structural properties to know the influence of the different groups on their biological properties . For this purpose, computational approaches are known for their efficiency and accuracy when it comes to predict and understand the properties of novel synthesized organic molecules . In continuation of our efforts to develop new potential anti-diabetic and antioxidant agents , we report herein the synthesis and characterization of two pyrazole derivatives and as new potent antiadiabetic and antioxidant agents. The molecular geometry and electronic characters of these molecules were explored by using DFT calculations. Thus, the title compounds were evaluated in vitro for their -glucosidase and -amylase enzymes inhibitory. Antioxidant activities of and were determined by DPPH, ABTS, FRAP, radical scavenging activity assays and Xanthine Oxidase (XO) inhibition assay. In addition, molecular docking and ADMET studies were also performed.

Experimental

Reagents and instruments

Chemical reagents (Methanol, Ethanol, Phenyl isocyante, Potassium hydroxide, hydrazine hydrate, Carbon disulfide and Hydrochloric acid) were purchased from Fluka, Sigma and Aldrich chemicals. Melting points were measured using a Buchi B-545 digital capillary melting point apparatus. TLC with silica gel 60 F254 were used to check the reactions. The IR spectra were recorded by using Perkin-Elmer VERTEX 70 FT-IR spectrometer covering field . The NMR and NMR spectra were recorded using JNM-ECZ500R/S1 FT NMR SYSTEM (JEOL) ( ) spectrometer by using dry deuterated DMSO as solvent. The Mass spectra were obtained using an API 3200 LC/MS/MS spectrometer.

Chemistry

Procedure for the synthesis of 2-(5-methyl-1H-pyrazole-3-carbonyl)-N-phenylhydrazine-1-carboxamide (Pyz-1) 5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide (1) was synthesized according the previously reported method . Phenyl isocyanate ( ) was added dropwise to a solution of 5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide (1) ( ) in methanol ( 20 ml ), and the mixture was refluxed for 8 h . The solid was filtered and recrystallized from ethanol to afford pure product (Pyz-1). White solid; Yield ; FT-IR (ATR, ): 3129-3295 (NH), 2934-3000 (CH), 1703, 1650 (C=O), 1602 (C=N); H NMR: ( 500 MHz , DMSO pyrazole , NMR: ( ): 10.82, 105.06, 118.87, 122.31, 129.18, 140.17, 140.27, 145.89, 156.04, 162.61. ESI-HRMS: calcd. for : 258.1102, found 258.0986 .
Procedure for the synthesis of 4-amino-5-(5-methyl-1H-pyrazol-3-yl)-4H-1,2,4-triazole-3-thiol (Pyz-2)
To an ice cooled solution of 5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide (1) ( ) and , 3.75 mmol ) in absolute ethanol ( 15 mL ), was added ( ) dropwise, and the mixture was stirred at room temperature for 12 h . The separated solid was filtered and washed with ethanol. The obtained pyrazole-potassium salt was used in the next reaction without further purification. To a solution of the pyrazole carbodthionate ( ) in ethanol ( 10 ml ) was added hydrazine hydrate ( 1 ml ) and the mixture was refluxed for 8 h . The completion of the reaction was monitored by TLC. The reaction mixture was diluted with cold water and neutralized with concentrated HCl . The solid was filtered and recrystallized from ethanol to afford pure product (Pyz-2). White solid; Yield , ), 2732 (SH); NMR: ( ): , , CHpyrazole), 13.09 ( ), 13.66 ( ); NMR: ( ): 10.71, 105.08, 138.78, 139.97, 145.46, 165.17; ESI-HRMS: calcd. for , found 197.0586.

Computational details

Two series of calculations were conducted in an attempt to deduce and interpret the experimental data. First, The DFT computations were carried out in order to gather information regarding the reactivity of the synthesized compounds. Then, a molecular docking simulation was used to determine the binding modes and
energies between the compounds ( and ) and -glucosidase and -amylase enzymes. A complete molecular structures optimization was performed using the B3LYP hybrid functional in conjunction with the basis set in order to determine the respective total energy and the most stable gasphase geometry. Throughout the geometry optimization, no symmetry constraints were imposed. The absence of imaginary frequencies in the calculation of the vibrational modes indicates that these structures correspond to real local minima on the potential energy surface. The effects of water as a solvent were examined using a self-consistent reaction field (SCRF) based on the polarizable continuum model (PCM) of the Thomasi group via a single-point calculation of the optimized geometries performed in the phase gas. Molecular electrostatic potential (MEP) surfaces were obtained using the Multiwfn program at the same level of theory. The obtained results were visualized using the VMD 1.9 software . Gaussian NBO Version was used to perform the natural bond orbital (NBO) calculations. To analyze and evaluate the tendency of the drug for charge transfer processes and drug-receptor interactions , several theoretical reactivity parameters based on the conceptual density functional theory (CDFT) . All calculations were performed using the Gaussian09 suite of program and GaussView graphical interface .

Molecular docking

To investigate possible binding modes of selected chemical entities, a docking simulation employing the AutodockVina v1.5.6 was carried out targeting the -glucosidase and -amylase enzyme active sites . Pyz-1, Pyz-2 and Acarbose structures have been designed by using ChemDraw softaware package and were optimized using the molecular building module implemented in ChemDraw. Thus, crystal structure of -glucosidase (PDB Id: 3A4A) and -amylase (PDB Id: 2GJP) were downloaded from the PDB database (https://www.rcsb.org/pdb). Potential binding sites of -amylase and -glucosidase were identified using Discovery Studio software , based on the receptor structure without prior introduction of the ligand. The preparation of the binding site geometry was performed using AutoGrid, employing a grid with multiple points defined by coordinates ( ) = (20, 20, 20), with a grid spacing of Å. The different interactions within the protein-ligand complexes were analyzed using the Discovery 2016 Studio Visualizer and PyMol molecular graphing system . Pharmacokinetic and pharmacodynamic parameters of and were computed by means of the ADMETLab2.0 server .

Biology

-Glucosidase and -amylase inhibitory assays
The -glucosidase and -amylase inhibitory activities of compounds and were determined using the method described in our previous works .

Antioxidant activities

The antioxidant activities of the title compound were determined in vitro by DPPH, ABTS, FRAP and hydrogen peroxide activity ( ) methods according to the procedures described in our previous works .

Xanthine oxidase inhibition assay (XO)

The xanthine oxidase inhibitory activity of and was performed following the method described by Kostić et al. , with minor modifications. The samples were prepared at series of concentrations. 1.95 ml of 5 mM phosphate buffer pH 7.5 and of enzyme solution was added to the mixtures. After pre-incubation at for 15 min .1 ml of substrate was added. After 30 min add 0.5 ml of HCl to stop the reaction the absorbance was determined spectrophotometrically at 295 nm associated with uric acid formation.

Statistical analysis

Statistical analyze was performed using GraphPad Prism8 program. One-way ANOVA was used to determine the significant difference. Quantitative data were presented as mean standard error of the mean (SEM) and was considered statistically highly significant.

Results and discussion Chemistry

First, the synthesis protocol of and compounds was performed according to Scheme 1. The starting hydrazide acid (1) was synthesized according the previously reported method . The compound (1) was treated with in ethanol in the presence of KOH as base at room temperature to afford the intermediate potassium salt in quantitative yield. Thus, treatment of this intermediate with hydrazine hydrate under ethanol reflux afforded a pure product (Pyz-1) in good yield. Subsequently, 2-(5-methyl-1H-pyrazole-3-carbonyl)-N-phenylhydrazine-1-carbothioamide (Pyz-2) was prepared in excellent yield by condensation of pyrazole hydrazide (1) and phenyl isocyanate under reflux of methanol.
The molecular structures of Pyz-1 and Pyz-2 were confirmed by using and ESI-MS spectrometry. The NMR spectrum of shows a singlet at 2.18 ppm characteristic of methyl group, a singlet at 6.42 ppm due to the proton in position 3 of the pyrazole ring. Aromatic protons of phenyl group resonate as multiplet at 6.92-7.44 ppm. The NH protons of carboxamide group appear as three singlets at 8.02, 8.72 and 9.74 ppm . The singlet at 12.99 ppm due to the NH group of pyrazole. The NMR spectrum of , shows a signal at 10.75 ppm characteristic to carbon of the group, a signal at 105.97 ppm characteristic to the tertiary carbon of pyrazole, followed by the carbons of the aromatic part which appear between 118.78 and 140.9 ppm . The two quaternary carbons of pyrazole resonate at 140.19 and 145.81 ppm . The two signals observed at 155.94 and 162.51 ppm are attributed to the two groups.
Scheme 1. Synthetic route for preparation of compounds Pyz-1 and Pyz-2.
The NMR spectrum of Pyz-2 shows five singlet at 2.25, 5.89, 6.60, 13.09 and 13.66 ppm characteristic of methyl, of pyrazole, NH and SH groups, respectively. The NMR spectrum of -2, shows a signal at 10.69 ppm associated with the carbon of the CH 3 group, a signal at 05.08 ppm characteristic of the tertiary carbon of the pyrazole, followed by two signals of the quaternary carbons of pyrazole ring, which appear at 138.64 and 139.90 ppm , and the two characteristic signals of carbons 1,2,4-triazole resonate at 155.40 and 165.06 ppm .
The mass spectra (ESI) show a peak related to the molecular ions at and 197.0 thus confirming the proposed structures of and , respectively.

Computational results

Electronic properties
Electronic and thermodynamic parameters are an effective way to explain the stability and reactivity of molecules. The physical quantities of Pyz-1 and Pyz-2 calculated at B3LYP/6-311G++ (d,p) level of theory are given in Table 1, the optimized structures of the most stable conformer of and with the numbering of atoms are shown in Fig. 1.
The total energies of title molecules have been calculated for as – 889.560233 au in gas phase and – 889.580733 au in solvated phase and for Pyz-2 as – 960.268510 au in gas phase and – 960.287960 au in solvated phase. The thermodynamic and kinetic preferability is reduced with the introduction of solvation resulting in higher stability in aqueous phase relative to the gas phase. The quantity of heat needed to increase a substance’s temperature by one degree is referred to as the heat capacity, the Cv quantities of the compounds were computed as in gas phase and in water phase for and in gas phase and in water phase. The randomness of the system is quantitatively measured by the entropy. The computed values for and in gas and water phases are respectively molK , and and . These findings are a major asset in the application of such structures to biological systems.

FMO’s analysis

Within computational chemistry, the energies and allocations of FMO’s are imperative reactivity descriptors. The highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) have
Pyz-1 Pyz-2
Gas Water Gas Water
Energy (au) – 889.560233 – 889.580733 – 960.268510 – 960.287960
Polarizability (au) 193.402 254.749 139.329 184.588
Dipole Moment (D) 2.660 2.991 6.585 8.747
-889.292364 -889.313353 – 960.101245 – 960.121676
-889.360095 – 889.381661 -960.155981 -960.173090
Ethermal (Kcal/mol) 167.498 167.191 104.368 103.752
Cv ( ) 65.152 65.480 45.239 43.155
S (cal/molK) 142.552 143.766 115.203 108.210
Table 1. Ground state energies and thermodynamical parameters of Pyz-1 and Pyz-2.
Figure 1. Optimized molecular structures and FMO’s density distributions of (a) Pyz-1 and (b) Pyz-2.
significant roles in the electrical, electronic, optical properties, chemical reactivity and active sites of a given compound . The HOMO’s energy is proportional to the ionization potential (I) and describes the molecules sensitivity to electrophile attack . The energy of LUMO is linked to the electron affinity (A) and defines the molecule’s response to nucleophilic attack. A graphical illustration of the HOMO and LUMO for Pyz-1 and Pyz2 is presented in Fig. 1. The positive phase is colored red, whereas the negative phase is colored blue. As shown in Fig. 1, with the exception of the methyl ( ) groups, the highest HOMO and lowest LUMO orbitals of the Pyz-1 and Pyz-2 molecules are mainly localized almost throughout the structures.
The energy difference between the HOMO and LUMO orbitals determines the kinetic stability of the title compounds. Thus, molecules with a small energy gap are highly polarizable and are usually associated with high chemical reactivity as well as low kinetic stability . According to the indications in the literature and the results reported in Table 2, a slight trend towards an increase in the energy gap can be observed when introducing the solvent effect for both titled molecules resulting in a lower reactivity in the aqueous phase. Furthermore, the energy gap reveals that Pyz-1 ( ) exhibits a lower value compared to Pyz-2 ( ), indicating easy molecular charge transfers, low kinetic stability and high chemical reactivity for Pyz-1.
Pyz-1 Pyz-2
Gas Water Gas Water
-6.150 -6.404 -6.102 -6.394
-1.032 -1.269 -0.937 -1.043
5.118 5.136 5.166 5.352
Table 2. and energies at B3LYP/6-311G(d,p) level.

Reactivity descriptors

Due to their wide range of applications in fields such as biology, chemistry and drug design, the development of chemical reactivity descriptors has gained considerable momentum . Conceptual DFT theory is a developed branch of DFT which consists in deriving relevant concepts and principles from the electron density in order to make it possible to understand and predict the overall trends in chemical reactivity of a molecule . With this aim, quantum chemical reactivity parameters have been calculated for the title compounds and their values are reported in Table 3.
Global hardness is related to the resistance to electronic transfer between a molecule and its environment. It represents the gap between the and orbital energies and is associated with the stability of chemical systems. Soft molecules exhibit a small energy gap and are more reactive than hard ones because of their ability to easily donate electrons to an acceptor. The calculations show that is less resistant to electronic transfer than Pyz-2 and therefore would be more reactive. It should be noted that whenever the ratio of energy change to maximum charge acceptance , this indicates that the molecule under consideration is electron-saturated and has no predisposition for charge transfer . According to the tabulated values in Table 3, the values are -1.795 eV and -1.761 eV for and , respectively, with a maximum charge acceptance value of approximately 0.7 eV for both compounds. These values clarify the intramolecular charge transfer within the studied compounds and their ability to interact and bind to the active sites of -glucosidase and -amylase enzymes. Furthermore, the compounds’ behavior suggests a tendency toward electrodonation rather than electroacceptance ( ).

Molecular electrostatic potential (MEP) map

Molecular electrostatic potential is a three-dimensional representation allowing the visualization of charge distributions, the prediction of reactivity towards electrophilic and nucleophilic attacks and the relative polarity of a given molecule . Moreover, it is used in biological recognition processes and to evaluate hydrogen bonding interactions. The visualization of the MEP relies on the mapping of the values onto the area corresponding to the boundaries of the molecule using the BWR (BlueWhite-Red) color transition: red, blue and white representing the regions of most positive, most negative and neutral electrostatic potential respectively . The 3D maps of the MEP of the investigated molecules are displayed in Fig. 2.
A high polarity is noted for and molecules. Indeed, we can notice that two distinct regions are formed: an electronically deficient region formed around the hydrogen atoms on the amine groups due to their high electronegativity, leading to a maximum value of and respectively for
Parameter Pyz-1 Pyz-2
I 6.150 6.102
A 1.032 0.937
-3.591 -3.520
5.118 5.165
1.260 1.199
0.104 0.085
4.091 4.178
0.702 0.681
-1.260 -1.199
-1795 -1761
Table 3. Quantum chemical reactivity parameters of and in .
Figure 2. Computed molecular electrostatic potential surface (MEP) of Pyz-1 and Pyz-2.
and Pyz-2. These observations reveal a strong tendency to attract negatively charged atoms electrostatically and to act as a hydrogen bond donor group. Furthermore, For , the overall minimum values on the surface are and due to the isolated pairs of ketone groups. Whereas, for the minimum values are and owing to isolated pairs of nitrogen atoms which are the most reactive sites for electrophilic attack during the interaction. From the MEP map, it can be derived that Pyz-1 and molecules have significant biochemical activity and are key to drug recognition in biological systems.

NBO analysis

Natural bond orbital (NBO) analysis represents a computational tool for a more understandable and user-friendly interpretation of the computational solutions of the Schrödinger equation in chemical bonding concepts . This approach allows studying the distribution of electron density on atoms and in bonds in an efficient way. It also provides a convenient way to examine charge transfer or conjugate interaction in molecular systems . A useful aspect of the NBO method is that it provides information about the interactions of both filled (donor) orbital spaces (bonding orbitals or solitary pairs) and empty (anti-bonding and/or Rydberg orbitals) that could improve the analysis of intra-inter molecular interactions . The strength of the interaction between electron donors and electron acceptors and thus the degree of conjugation of the system is measured by the value of the energy of hyperconjugal interactions, . The larger this value, the stronger the interaction between electron donors and electron acceptors and the greater the degree of conjugation of the whole system.
To assess the donor-acceptor interactions, the second-order Fock matrix was performed. The stabilization energy associated with the delocalization for each donor (i) and acceptor (j) is estimated as:
where is the donor orbital occupancy ( 2 for closed-shell, 1 for openshell), are diagonal elements (orbital energies), and is the off-diagonal NBO Fock matrix element.
For both compounds, the most important interaction analyses between the occupied Lewis-type NBO orbital (bonding) and the unoccupied non-Lewis-type NBO orbital (anti-bonding) have been calculated and donor-acceptor interactions having a stabilization energy above are presented in Table S1 and S2. Inspection of different donors and acceptors reveals three types of donor’s LP, and , and two types of acceptors and . In Pyz-2, a remarkable stabilization energy contribution was noticed due to the interaction of filled molecular orbitals and lone pairs LP(N13) with unfilled molecular orbital. The perturbative energy for these interactions are respectively and , which result in an important intramolecular charge transfer (ICT) causing a high stabilization of the investigated compound. The essential interaction energies related to SM3 molecule reveal that the most relevant donor-acceptor interactions are the interactions between the lone electron pair (LP) of the nitrogen atoms LP(N9) and LP(N1) to the anti-bonding acceptor and orbitals. The interaction energies reported for the mentioned conjugative interactions are and respectively. The relatively strong electron donor donation from the , and of the aromatic ring are identified. This phenomenon results from intramolecular hyperconjugative interactions between the (C-C) and orbitals, which lead to an ICT causing stabilization of the system.

Biological activities

Antidiabetic activity

Compounds Pyz-1 and Pyz-2 were studied in vitro for their antidiabetic activities against -glucosidase and -amylase enzymes. Acarbose was used standard drug. The results of -glucosidase and -amylase inhibitory activity are summarized in Table 4. As shown in the Table 4, compound showed the lowest activity against -glucosidase and -amylase with values of 279.0 and , respectively. Pyz-1 and Pyz-2 exhibited good -glucosidase and -amylase inhibitory activities with values of and , and , respectively, compared to Acarbose and ). The obtained results showed a highly significant inhibition on -amylase and -glycosidase for the studied compounds. It was found that structural modification of carbohydrazide resulted in increased enzymatic inhibition for compounds Pyz-1 and Pyz-2.
Compounds
-Glucosidase -Amylase
Pyz-1
Pyz-2
Acarbose
Table 4. -glucosidase and -amylase inhibitory activities of and Pyz-2. Values represent mean standard deviation ( ).

Antioxidant Activity

The antioxidant properties of the target compounds were determined by using DPPH, ABTS, free radical scavenging, reducing power (FRAP), and Xanthine Oxidase (XO) assays. Ascorbic acid (A.A) and allopurinol were used as a standard. The results are summarized in Table 5.
For DPPH assay, the antioxidant activity of was the highest as its value was the lowest ), followed by with value of . Pyz-1 and Pyz-2 exhibited moderate antioxidant capacities. For ABTS assay, compound Pyz-2 exhibited the potent scavenging activity with value of , which is 3.88 -fold more than that . Pyz-2 has an antioxidant activity comparable to that of A.A ( ). For the reducing power ability (FRAP), Pyz-2 displayed the maximum reducing power with value of . Statistically, the reducing power of was stronger than A.A ( ). Moreover, in method, and displayed a good antioxidant activity with values of and , respectively, compared to .
The results inhibitory effect on xanthine oxidase of title compounds, showed that Pyz-1 exhibited a considerable XO activity with value of . Furthermore, Pyz-2 manifested the highest XO inhibitory activity with value of , compared to Allopurinol ( ).

Docking studies

The binding interaction of the and ligands with -amylase and -glucosidase was further examined by performing an in silico binding interaction analysis to understand their interactions at the enzymes active site. Similarly, Acarbose (ACA), a standard type 2 antidiabetic drug, was docked as a positive control. The most probable docking positions of ligands exhibiting the best binding affinity towards targeted enzyme -amylase and -glucosidase are grouped in Table 6 and illustrated in Figs. 3 and 4.
As noted from Table 6, all values of binding energies are negative which stabilize the systems and favor interactions between the proteins and the ligands.
Against -amylase enzyme target ( )
Among the newly suggested alternative compounds for treating diabetes, and demonstrate binding energies of and , respectively, both higher than the binding energy of ligand , which stands at .
Figure 3 presented the interacted amino acid residues of -amylase with . The surrounding amino acid residues of the enzyme included Tyr198, Trp268, Ala237, Leu201 and Leu340. Two hydrogen bonds are formed in Pyz-1- -amylase complex between hydrogen atom of Tyr198 residue and lone pairs of oxygen atom of keto group and between lone pairs of oxygen atom of keto group of Trp268 residue and hydrogen atom of amin group of Pyz-1 for a distance of Å and Å respectively. Furthermore, the -sigma and -Alkyl interactions between benzene ring and amino acids residues, consolidated the scaffold in the Pyz-1- -amylase complex. Pyz-2 molecule interacted -amylase by establishing a conventional hydrogen bond with Glu266 ( Å ) and two hydrogen bonds with Trp268 (2.30 Å and 2.60 Å) (Fig. 3). This compound also exhibits -cation, -Sulfur, -Alkyl and interactions with Leu201, His240 and Tyr198. For acarbose, selected as a reference, the binding study revealed the involvement of fourteen amino acids in the molecular interactions, including five hydrogen bonds with the amino acids Lys269, Glu266 and Tyr198, two carbon hydrogen bonds with Asn270 and Tyr268 amino acids as well as eight Van der Waals type interactions with Asp271, Tyr295, Arg234, Ala237, His240, Leu340, Lys239 and Glu194 amino acids (Fig. 3). Unfavorable donor-donor and acceptor-acceptor interactions
Compound IC50 (
DPPH ABTS FRAP XO
Pyz-1
Pyz-2
Ascorbic acid –
Allopurinol – – – –
Table 5. Antioxidant activities of and . Values represent mean standard deviation ( ).
Ligands -glucosidase (PDB=3A4A) -amylase (PDB: 2GJP)
Affinity (Kcal/mol) Rmsdl.b Affinity (Kcal/mol) Rmsdl.b
-5.3 0.000 -5.3 0.000
Pyz-1 -5.7 0.000 -6.7 0.000
Pyz-2 -4.3 0.000 -5.6 0.000
ACA -5.9 0.000 -6.2 0.000
Table 6. Docking results of the binding affinity and RMSD values of different poses in 3A4A and 2GJP.
Figure 3. Binding between the docked compounds (1, Pyz-1, Pyz-2 and Acarbose) and -amylase .
are also observed with the amino acid Asp333. Regarding compound , the affinity with -amylase resulted in a binding energy of .
Against -glucosidase enzyme target ( )
From the Table 6, the positive control ACA was found to be most effective -glucosidase binder, thus forming the most stable complex with the lowest energy ( ) and interacting with Pro467, Trp468, Lys466, Asp34, Trp36 and Pro82 amino acids via strong hydrogen bonds (H-acceptor and H-donor). The second-most effective binder was with an energy value of . Seven Van der Waals interactions, two interactions and a single carbon hydrogen bond stabilized the Pyz-1- -glucosidase complex (Fig. 4). Thus, the residues realizing Van der Waals interactions were Gln67, Met70, Arg413, Trp468, Glu408, Tyr407 and Lys406. Furthermore, amino acid residues such as Trp36 and Tyr470 also made a contribution to the stability of the complex through interactions (Fig. 4). In the less stable Pyz-2- -glucosidase complex ( ), numerous intermolecular interactions were established between the docked pyrazole and the active -glucosidase amino acids, including classical hydrogen bond, Van der Waals interactions, -Alkyl and interactions (Fig. 4). Concerning compound , the binding energy with -glucosidase was . In general, the binding energy analysis performed in this section for each coupling between the ligands (Acarbose, and ) and the -amylase and -glucosidase macromolecule gives valuable information for predicting the affinity with the proteins. This analysis identifies which amino acid of proteins is in contact with the docked ligands in the active site.

ADME-T analysis

In this study, a computational study of and was conducted to determine the surface area and other physicochemical properties according to the directions of Lipinski’s rule . Lipinski suggested that the
Figure 4. Binding between the docked compounds (1, Pyz-1, Pyz-2 and Acarbose) and -glucosidase (PDB:3A4A).
absorption of a compound is more likely to be better if the molecule achieve at least three out of four of the following rules: (i) HB donor groups ; (ii) HB acceptor groups ; (iii) M . Wt less than 500 ; (iv) less than 5. As shown in Table 7, the two compounds (Pyz-1 and Pyz-2) obey all Lipinski’s rules. Pyz-1 and Pyz-2 have a number of hydrogen-bonding acceptor groups 3 and 2 and only 4 and 3 hydrogen-bonding donors, respectively. Also, molecular weights are less than 500 and less than 5 and all these values agree with Lipinski’s rules.
Also, ADMET profiles of and were preliminary assessed to analyze their potentials to build up as good medication candidates . As shown in Table 7, the initial values of and are 1.447 and 0.245 , respectively, thereby suggesting that the distribution of the title compounds remains constant up to pH 6.0 , and then starts to vary with the formation of charged species. On the other hand, the values of and Pyz-2 are 1.044 and 0.64, respectively, suggest that the title compounds may be slightly permeable to the biological barriers of physiological system, thus still having lipophilicity considered ideal in the intestinal absorption phase. The PSA value of Pyz-1 and Pyz-2 estimated at 98.91 and 88.31, respectively, shows a low permeability to the different biological barriers, with a slight affinity for plasma proteins evaluated at and .
Looking at the calculated parameter values, we find that these values are within the recommended standard. Thus, we can conclude that the molecules of the title had characteristics of drugability and their application as a theoretical drug is safe.

Conclusion

In conclusion, two novel pyrazole derivatives Pyz-1 and Pyz-2 were synthesized, characterized and evaluated for their antidiabetic and antioxidant activities. Pyz-1 and Pyz-2 were evaluated in vitro for their anti-diabetic, antioxidant activities. For anti-diabetic activity result, and showed a potent -glucosidase and -amylase inhibition. For antioxidant activity results, compound showed excellent activity that the title compounds have considerable antioxidant and radical scavenger abilities. In xanthine oxidase assay, Pyz-1 and
Parameter Pyz-1 Pyz-2
Molecular Weight (g/mol) 259.26 196.23
Lipophilicity (LogP) 1.044 0.64
H-bond donors 4 3
H-bond acceptors 3 2
Polar Surface Area (Psa) 98.91 88.31
Distribution At Ph 7.4 (Logd) 1.447 0.245
Plasma Protein Binding (Ppb) 29.32% 30.68%
Rat Acute Oral Toxicity 0.026 0.008
Caco-2 Permeability -5.303 0.023
Cyp1a2 Inhibitor 0.028 0.083
Cyp1a2 Substrate 0.334 0.054
Cyp2c19 Inhibitor 0.034 0.059
Cyp2c19 Substrate 0.052 0.038
Cyp2c9 Inhibitor 0.019 0.91
Cyp2c9 Substrate 0.908 0.001
Cyp2d6 Inhibitor 0.003 0.147
Cyp2d6 Substrate 0.282 0.012
Cyp3a4 Inhibitor 0.011 0.101
Cyp3a4 Substrat 0.045 0.023
Table 7. ADMET profile of Pyz-1 and Pyz-2.
Pyz-2 exhibited remarkable inhibitory ability with values and , respectively. Also, molecular structure optimization, electronic and thermodynamic properties of and through DFT calculations supported the antidiabetic and antioxidant activities of the title compounds. However, as docking results it was found to have higher activity of compound with a docking score of against -glucosidase and against -amylase. The predicted ADMET profiles of the title compounds were in line with Lipinski’s rules and we can conclude that Pyz-1 and Pyz-2 had drugability characteristics. These promising results encourage further study of the antidiabetic and antioxidant activities of the title compounds by measuring their toxicity. Thus, advanced in vivo studies are in progress and will be published elsewhere.

Data availability

All data generated or analyzed during this study are included in this published article and its supplementary information files.
Received: 9 October 2023; Accepted: 3 January 2024
Published online: 15 January 2024

References

  1. Chatterjee, S., Khunti, K. & Davies, M. J. Type 2 diabetes. The Lancet 389, 2239-2251 (2017).
  2. Ademiluyi, A. O. & Oboh, G. Soybean phenolic-rich extracts inhibit key-enzymes linked to type 2 diabetes ( -amylase and a-glucosidase) and hypertension (angiotensin I converting enzyme) in vitro. Exp. Toxicol. Pathol. 65, 305-309 (2013).
  3. Gao, Z. et al. Automatic interpretation and clinical evaluation for fundus fluorescein angiography images of diabetic retinopathy patients by deep learning. British J. Ophthalmol. 107, 1852-1858 (2023).
  4. Yang, Y. Y., Shi, L. X., Li, J. H., Yao, L. Y. & Xiang, D. X. Piperazine ferulate ameliorates the development of diabetic nephropathy by regulating endothelial nitric oxide synthase. Mol. Med. Rep. 19, 2245-2253 (2019).
  5. Chen, J. et al. Bone marrow stromal cell-derived exosomal circular RNA improves diabetic foot ulcer wound healing by activating the nuclear factor erythroid 2-related factor 2 pathway and inhibiting ferroptosis. Diabetes Med. 1, e15031 (2023).
  6. Pai, Y. W. et al. Glycaemic control for painful diabetic peripheral neuropathy is more than fasting plasma glucose and glycated haemoglobin. Diabetes Metab. 47, 101158 (2021).
  7. Chen, Y., Tan, S., Liu, M. & Li, J. LncRNA TINCR is downregulated in diabetic cardiomyopathy and relates to cardiomyocyte apoptosis. Scand. Cardiovasc. J. 52, 335-339 (2018).
  8. Wang, H., Yang, T., Wu, J., Chen, D. & Wang, W. Unveiling the Mystery of SUMO-activating enzyme subunit 1: A groundbreaking biomarker in the early detection and advancement of hepatocellular carcinoma. Transplant. Proc. 1, 945-951 (2023).
  9. Asmat, U., Abad, K. & Ismail, K. Diabetes mellitus and oxidative stress-A concise review. Saudi Pharm. J. 24, 547-553 (2016).
  10. Araki, E. & Nishikawa, T. Oxidative stress: A cause and therapeutic target of diabetic complications. J. Diabetes Investig. 1, 90-96 (2010).
  11. Matough, F. A., Budin, S. B., Hamid, Z. A., Alwahaibi, N. & Mohamed, J. The role of oxidative stress and antioxidants in diabetic complications. Sultan Qaboos Univ. Med. J. 12, 5 (2012).
  12. Karrouchi, K. et al. Synthesis and pharmacological activities of pyrazole derivatives: A review. Molecules 23, 134 (2018).
  13. Bennani, F. E. et al. Overview of recent developments of pyrazole derivatives as an anticancer agent in different cell line. Bioorg. Chem. 97, 103470 (2020).
  14. Karrouchi, K. et al. Synthesis, X-ray structure, vibrational spectroscopy, DFT, biological evaluation and molecular docking studies of (E)-N’-(4-(dimethylamino) benzylidene)-5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide. J. Mol. Struct. 1219, 128541 (2020).
  15. Chaudhary, M. et al. Chloro and bromo-pyrazole curcumin Knoevenagel condensates augmented anticancer activity against human cervical cancer cells: design, synthesis, in silico docking and in vitro cytotoxicity analysis. J. Biomol. Struct. Dyn. 38, 200-218 (2020).
  16. Tighadouini, S. et al. Synthesis, crystal structure, DFT studies and biological activity of (Z)-3-(3-bromophenyl)-1-(1, 5-dimethyl-1 H-pyrazol-3-yl)-3-hydroxyprop-2-en-1-one. Chem. Central J. 12, 1-11 (2018).
  17. Karrouchi, K. et al. Synthesis, a-glucosidase inhibition, anticancer, DFT and molecular docking investigations of pyrazole hydrazone derivatives. Polycycl. Aromat. Compd. 1, 1-20 (2022).
  18. Karrouchi, K. et al. Synthesis, characterization, free-radical scavenging capacity and antioxidant activity of novel series of hydrazone, 1, 3, 4-oxadiazole and 1, 2, 4-triazole derived from 3, 5-dimethyl-1H-pyrazole. Lett. Drug Des. Discov. 16, 712-720 (2019).
  19. Abu-Melha, S. et al. Clean grinding technique: A facile synthesis and in silico antiviral activity of hydrazones, pyrazoles, and pyrazines bearing thiazole moiety against SARS-CoV-2 main protease (Mpro). Molecules 25, 4565 (2020).
  20. Pogaku, V., Krishna, V. S., Sriram, D., Rangan, K. & Basavoju, S. Ultrasonication-ionic liquid synergy for the synthesis of new potent anti-tuberculosis 1, 2, 4-triazol-1-yl-pyrazole based spirooxindolopyrrolizidines. Bioorg. Med. Chem. Lett. 29, 1682-1687 (2019).
  21. Karrouchi, K. et al. Synthesis, crystal structure, DFT, -glucosidase and -amylase inhibition and molecular docking studies of (E)-N’-(4-chlorobenzylidene)-5-phenyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide. J. Mol. Struct. 1245, 131067 (2021).
  22. Mortada, S. et al. Synthesis, spectroscopic and DFT studies of 5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide N-glycoside as potential anti-diabetic and antioxidant agent. J. Mol. Struct. 1267, 133652 (2022).
  23. Karrouchi, K. et al. Synthesis, X-ray, spectroscopy, molecular docking and DFT calculations of (E)-N’-(2, 4-dichlorobenzylidene)-5-phenyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide. J. Mol. Struct. 1228, 129714 (2021).
  24. Lee, C., Yang, W. & Parr, R. G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys. Rev. B 37, 785 (1988).
  25. Becke, A. D. A new mixing of Hartree-Fock and local density-functional theories. J. Chem. Phys. 98, 1372-1377 (1993).
  26. Krishnan, R. B. J. S., Binkley, J. S., Seeger, R. & Pople, J. A. Self-consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions. J. Chem. Phys. 72, 650-654 (1980).
  27. McLean, A. D. & Chandler, G. S. Contracted Gaussian basis sets for molecular calculations. I. Second row atoms, Z=11-18. J. Chem. Phys. 72, 5639-5648 (1980).
  28. Kainat, S. et al. Theoretical modeling of B12N12 nanocage for the effective removal of paracetamol from drinking water. Computation 11, 183 (2023).
  29. Shahab, M. et al. Structure based virtual screening and molecular simulation study of FDA-approved drugs to inhibit human HDAC6 and VISTA as dual cancer immunotherapy. Sci. Rep. 13, 14466 (2023).
  30. Ali, Q. et al. Theoretical insight of ciprofloxacin removal from water using boron nitride (B12N12) nanocage. Surf. Interfaces. 31, 101982 (2022).
  31. Cances, E., Mennucci, B. & Tomasi, J. A new integral equation formalism for the polarizable continuum model: Theoretical background and applications to isotropic and anisotropic dielectrics. J. Chem. Phys. 107, 3032-3041 (1997).
  32. Cossi, M., Barone, V., Cammi, R. & Tomasi, J. Ab initio study of solvated molecules: a new implementation of the polarizable continuum model. Chem. Phys. Lett. 255, 327-335 (1996).
  33. Barone, V., Cossi, M. & Tomasi, J. Geometry optimization of molecular structures in solution by the polarizable continuum model. J. Comput. Chem. 19, 404-417 (1998).
  34. Lu, T. & Chen, F. Multiwfn: a multifunctional wavefunction analyzer. J. Comput. Chem. 33, 580-592 (2012).
  35. Humphrey, W., Dalke, A. & Schulten, K. VMD: Visual molecular dynamics. J. Mol. Graph. 14, 33-38 (1996).
  36. Reed, A. E., Curtiss, L. A. & Weinhold, F. Intermolecular interactions from a natural bond orbital, donor-acceptor viewpoint. Chem. Rev. 88, 899-926 (1988).
  37. Reed, A. E., Weinstock, R. B. & Weinhold, F. Natural population analysis. J. Chem. Phys. 83, 735-746 (1985).
  38. F. Weinhold, J. E. Carpenter, The natural bond orbital Lewis structure concept for molecules, radicals, and radical ions. In The Structure of Small Molecules and Ions (pp. 227-236) (Springer, Boston, MA, 1988).
  39. Parthasarathi, R., Subramanian, V., Roy, D. R. & Chattaraj, P. K. Electrophilicity index as a possible descriptor of biological activity. Bioorg. Med. Chem. 12, 5533-5543 (2004).
  40. Chattaraj, P. K. & Giri, S. Electrophilicity index within a conceptual DFT framework. Phys. Chem. 105, 13-39 (2009).
  41. Islam, N., Kaya, S. (Eds.). Conceptual Density Functional Theory and Its Application in the Chemical Domain (CRC Press, 2018).
  42. Frisch, M. E., Trucks, G. W., Schlegel, H. B., Scuseria, G. E., Robb, M. A., Cheeseman, J. R. et al. **Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2016.
  43. Dennington, R., Keith, T., & Millam, J. GaussView, version 5 (2009).
  44. Morris, G. M. et al. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility. J. Comput. Chem. 30, 2785-2791 (2009).
  45. Systemes, D. BIOVIA Discovery Studio Visualizer 2016. San Diego, CA: Dassault Systemes, 2016.
  46. Schrodinger, L. L. C. The PyMOL molecular graphics system. Version, 1(5) (2010).
  47. Ahmed, A. et al. Novel adamantyl clubbed iminothiazolidinones as promising elastase inhibitors: design, synthesis, molecular docking, ADMET and DFT studies. RSC Adv. 12, 11974-11991 (2022).
  48. Karrouchi, K. et al. Experimental and computational interaction studies of (E)-N’-benzylidene-5-methyl-1H-pyrazole-3-carbohydrazide with -glucosidase and -amylase enzymes: A detailed structural, spectroscopic, and biophysical study. Polycycl. Aromat. Compd. 43, 1812-1832 (2023).
  49. Pillai, R. R. et al. Synthesis, spectroscopic characterization, reactive properties by DFT calculations, molecular dynamics simulations and biological evaluation of Schiff bases tethered 1, 2, 4-triazole and pyrazole rings. J. Mol. Struct. 1177, 47-54 (2019).
  50. Kostić, D. A. et al. Xanthine oxidase: Isolation, assays of activity, and inhibition. J. Chem. 2015, 1-9 (2015).
  51. Arivazhagan, M., Manivel, S., Jeyavijayan, S. & Meenakshi, R. Vibrational spectroscopic (FTIR and FT-Raman), first-order hyperpolarizablity, HOMO, LUMO, NBO, Mulliken charge analyses of 2-ethylimidazole based on Hartree-Fock and DFT calculations. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 1, 493-501 (2015).
  52. Karelson, M., Lobanov, V. S. & Katritzky, A. R. Quantum-chemical descriptors in QSAR/QSPR studies. Chem. Rev. 96, 1027-1044 (1996).
  53. Streitwieser, A. & Salzberg, H. W. Molecular orbital theory for organic chemists. J. Electrochem. Soc. 109, 116 (1962).
  54. Chattaraj, P. K., Nath, S., Maiti, B. Reactivity Descriptors 295-322. (Marcel Dekker, New York, 2003).
  55. El-Hadki, H. et al. Theoretical Study of Reaction Between Nitrilimine and 1,4 oxazine 2 Carboxylate by MP2 and DFT Methods. Oriental J. Chem. 34, 2992 (2018).
  56. Parr, R. G., Szentpály, L. V. & Liu, S. Electrophilicity index. J. Am. Chem. Soc. 1, 1922-1924 (1999).
  57. Luque, F. J., López, J. M. & Orozco, M. Perspective on “Electrostatic interactions of a solute with a continuum. A direct utilization of ab initio molecular potentials for the prevision of solvent effects”. Theor. Chem. Acc. 1, 343-345 (2000).
  58. El Hadki, A. et al. Removal of oxytetracycline by graphene oxide and boron-doped reduced graphene oxide: A combined density function theory, molecular dynamics simulation and experimental study. FlatChem. 27, 100238 (2021).
  59. Weinhold, F., Landis, C. R. & Glendening, E. D. What is NBO analysis and how is it useful?. Int. Rev. Phys. Chem. 1, 399-440 (2016).
  60. Weinhold, F. & Landis, C. R. Natural bond orbitals and extensions of localized bonding concepts. Chem. Educ. Res. Pract. 1, 91-104 (2001).
  61. Agwupuye, J. A. et al. Electronic structure investigation of the stability, reactivity, NBO analysis, thermodynamics, and the nature of the interactions in methyl-substituted imidazolium-based ionic liquids. J. Mol. Liq. 337, 116458 (2021).
  62. Yu, Z. et al. Insights from molecular dynamics simulations and steered molecular dynamics simulations to exploit new trends of the interaction between HIF-1a and p300. J. Biomol. Struct. Dyn. 38, 1-12 (2020).
  63. Lipinski, C. A., Lombardo, F., Dominy, B. W. & Feeney, P. J. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 4-17 (2012).
  64. Xiong, G. et al. ADMETlab 2.0: An integrated online platform for accurate and comprehensive predictions of ADMET properties. Nucl. Acids Res. 49, W5-W14 (2021).
  65. van Breemen, R. B. & Li, Y. Caco-2 cell permeability assays to measure drug absorption. Expert. Opin. Drug Metab. Toxicol. 1, 175-185 (2005).
  66. Prabakaran, G., Manivarman, S. & Bharanidharan, M. Catalytic synthesis, ADMET, QSAR and molecular modeling studies of novel chalcone derivatives as highly potent antioxidant agents. Mater. Today: Proc. 48, 400-408 (2022).
  67. Fettach, S. et al. Biological, toxicological and molecular docking evaluations of isoxazoline-thiazolidine-2, 4-dione analogues as new class of anti-hyperglycemic agents. J. Biomol. Struct. Dyn. 41, 1072-1084 (2021).
  68. Fettach, S. et al. Synthesis, -glucosidase and -amylase inhibitory activities, acute toxicity and molecular docking studies of thiazolidine-2, 4-diones derivatives. J. Biomol. Struct. Dyn. 1, 1-12 (2021).

Acknowledgements

The authors are grateful to King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia for funding the work through the Researchers Supporting Project number (RSPD2024R740).

Author contributions

Conceptualization, S.M.; methodology, S.M. and K.K.; software, E.H.H.; resources, A.O.; funding acquisition, M.A.B.; formal analysis, H.M. and Y.A.; writing-original draft preparation, K.K., S.M., M.A.B and E.H.H.; Visualization, S.R. and A.M.; writing-review and editing, K.K.; supervision, M.A. and M.E.A.F. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Additional information

Supplementary Information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/ 10.1038/s41598-024-51290-6.
Correspondence and requests for materials should be addressed to K.K.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024
  1. Laboratory of Pharmacology and Toxicology, Biopharmaceutical and Toxicological Analysis Research Team, Faculty of Medicine and Pharmacy, Mohammed V University, Rabat, Morocco. Laboratory of Analytical Chemistry and Bromatology, Team of Formulation and Quality Control of Health Products, Faculty of Medicine and Pharmacy, Mohammed V University in Rabat, Rabat, Morocco. CERNE2D: Laboratory of Spectroscopy, Molecular Modelling, Materials, Nanomaterials, Water and Enviroment (LS3MN2E), Faculty of Sciences, Mohammed V University, Rabat, Morocco. Institute of Condensed Matter and Nanosciences, Molecular Chemistry, Materials and Catalysis (IMCN/MOST), Université Catholique de Louvain, 1348 Louvain-la-Neuve, Belgium. Department of Pharmaceutical Chemistry, College of Pharmacy, King Saud University, 11451 Riyadh, Saudi Arabia. Central Laboratory of Hematology, Ibn Sina Hospital, Faculty of Medicine and Pharmacy, Mohammed V University, Rabat, Morocco. Laboratoire de Chimie Appliquée et Environnement (LCAE), Faculté des Sciences, Université Mohammed I, 60000 Oujda, Morocco. Laboratory of Medicinal Chemistry, Faculty of Medicine and Pharmacy, Mohammed V University, Rabat, Morocco. These authors contributed equally: Azlarab Masrar and My El Abbes Faouzi. email: khalid.karrouchi@um5s.net.ma