Agnieszka Macedowska-Capiga – V rok studiów



N’-metyloamidy N-acetylo-N-metylo-α,β-dehydroaminokwasów – synteza i konformacja

Promotor: prof. dr hab. inż. Barbara Rzeszotarska

Słowa kluczowe: N-metylo-α,β-dehydroaminokwas, izomeryzacja cis/trans, mikrocystyna, nodularyna, tentoksyna, cyjanobakterie


Cele projektu:

Aby zrozumieć zależność między strukturą a aktywnością biologiczną istotną rolę odgrywają badania modyfikowanych peptydów, zawierających nietypowe elementy strukturalne. Takimi elementami mogą być niestandardowe aminokwasy, np. -dehydroaminokwasy, które znane są w naturze [Givol 1970, Stonard 1980, Schmidt 1988, Culvenor 1989, Smith 1991, Jung 1991, Loiseau 2002], i które modyfikują zarówno łańcuch główny, jak i boczny peptydu. Hybrydyzacja sp2 atomów węgla w pozycji  i  oraz możliwość sprzężenia -elektronowego pomiędzy wiązaniem podwójnym C=C a flankowymi wiązaniami amidowymi decydują o konformacyjnych właściwościach reszt dehydroaminokwasowych i czynią z nich atrakcyjne narzędzie w badaniach konformacyjnych [Pietrzyński 1995, Chauhan 1996, Singh 1996, Crisma 1999, Ramagopal 2001, Palmer 1992, Vijayaraghavan 2003] oraz w modyfikacjach biologicznej aktywności peptydów [English 1979, Fisher 1981, Imazu 1988, Joshi 2003].

Jedną z istotnych metod modyfikacji peptydów jest także N-alkilowanie wiązania peptydowego. Szczególnie znane naturze N-metylowanie [Corbaz 1957, Shemyakin 1963, Bevan 1970, Ruegger 1976, Jolad 1977, Pettit 1989], jest potężnym narzędziem modyfikacji aktywności biologicznej peptydu poprawiając takie jego farmakologiczne właściwości jak stabilność biologiczna, aktywność, selektywność i lepsza przyswajalność [Bovy 1990, Cody 1997, Gilon 2003].

Wydaje się zatem obiecujące zbadanie preferencji konformacyjnych połączenia w jednej cząsteczce -dehydroaminokwasu z metylowanym N-końcowym wiązaniem peptydowym (MeXaa).

W przeciwieństwie do wcześniej badanych C-metylowanych--dehydroaminokwasów (XaaNMe), N-metylowane--dehydro-aminokwasy (MeXaa) znane są naturze, konstytuując małe cykliczne peptydy. N-metylodehydrofenyloalanina (MePhe) występuje w tentoksynie [Fulton 1965], cyklicznym tetrapeptydzie, fitotoksynie, która wywołuje chlorozę wielu wyższych roślin [Durbin 1977]. N-metylodehydroalanina występuje w wytwarzanym przez Chromobacterium sp. QS3666 cyklicznym heptapetydzie inhibitując białko Gq/11 i tym samym zakłócając wewnątrzkomórkowe składowanie wapnia [Taniguchi 2003]. Jest ona także podstawowym elementem mikrocystyn, cyklicznych heptapeptydów. N-Metylodehydrobutyryna jest z kolei podstawowym elementem nodularyn, cyklicznych peptapeptydów. Szczególnie dwa ostatnie przykłady są istotne, ponieważ zarówno mikrocystyny jak i nodularyny stanowią najważniejszą grupę bardzo silnych hepatotoksyn wytwarzanych przez cyjanobakterie (sinice), zamieszkujące wody słodkie i słonawe, i które stanowią przez to duże zagrożenie dla zwierząt i ludzi, szczególnie w czasie tzw. zakwitu wód [Dawson 1998, Łukomska 2002]. Przynajmniej w przypadku mikrocystyn i nodularyn wiadomo, że występowanie N-metylodehydroaminokwasu nie jest niezbędne w zachowaniu toksyczności tych związków [Łukomska 2002, Lindvall 1997]. Oznacza to jednak, że będą miały wpływ na preferencje konformacyjne cyklicznych peptydów, w których skład wchodzą.


Planowane metody i narzędzia badawcze:

Najprostszym układem aminokwasowym, w którym można badać oddziaływania krótkiego zasięgu, jest układ dwuamidowy, naśladujący aminokwas włączony w łańcuch peptydowy. Założono wobec tego badanie właściwości konformacyjnych modeli Ac-(Me)Xaa-NHMe takich reszt aminokwasowych jak: N-metylodehydroalanina, (Z)-N-metylodehydrobutyryna, (E)-N-metylodehydrobutyryna, (Z)-N-metylodehydrofenyloalanina, (E)-N-metylodehydrofenyloalanina; które będzie wykonywane następującymi metodami:

  1. Synteza modeli do badań,

  2. Badanie konformacji w ciele stałym (dyfrakcja promieni Roentgena),

  3. Badanie konformacji w roztworze w rozpuszczalnikach o różnej polarności
    z wykorzystaniem metod spektroskopii w podczerwieni i magnetycznego rezonansu jądrowego,

  4. Badanie preferencji konformacyjnych metodami obliczeniowymi (ab initio i DFT),

  5. Porównanie preferencji konformacyjnych obliczonych z danymi eksperymentalnymi.


Innowacyjność oraz przydatność dla rozwoju regionu:

Badania teoretyczne właściwości konformacyjnych oraz analiza rentgenowska N-metylodehydroalaniny, pierwszej w szeregu homologicznym N-metyodehydroaminokwasów, wykazały, że reszta ta posiada odmienne właściwości konformacyjne niż jej niemetylowany analog, dehydroalanina oraz nasycony analog, N-metyloalanina. N-metylodehydroalanina posiada bardzo dużą swobodę konformacyjną, jest giętka [Macedowska 2006], przez co może lepiej dopasowywać się np. do miejsc aktywnych enzymów. Ponadto N-metylodehydroaminokwasy wykazują znaczną tendencje do przyjmowania konfiguracji cis metylowanego wiązania amidowego [Siodłak 2007, 2008]. Preferencje konformacyjne N-metylodehydroaminokwasów nie zostały wcześniej badane, a wydaje się, że ich właściwości będą mogły zostać wykorzystane do modyfikacji biologicznej aktywności peptydów oraz że w przyszłości znajdą również zastosowanie w tzw. bibliotekach kombinatoryjnych – metodzie wyszukiwania aktywnych biologicznie elementów strukturalnych.

Problem zakwitu cyjanobakterii powszechnie znany jest na świecie. Zanotowano przypadki śmiertelne zatrucia toksynami produkowanymi przez te organizmy. W latach 1994 oraz 2001–2005 masowe zakwity cyjanobakterii (sinic) na Morzu Bałtyckim spowodowały okresowe zamykanie kąpielisk w rejonie Trójmiasta [Mazur-Marzec 2006]. Zakwit sinic jest przyczyną wielu przypadków zatrucia zwierząt lądowych, zwłaszcza psów wypuszczanych podczas spaceru po plaży [Carmichael 2001, Mazur & Pliński 2003]. Symptomy zatrucia obserwuje się w ciągu paru godzin od kontaktu z toksynami wytwarzanymi przez sinice, a niektóre zwierzęta umierają na skutek krwotoku z wątroby [Nehring 1993].

Problem zakwitu wód jest także naszym regionalnym problemem. Znane na naszym terenie Jeziora Turawskie są zaliczane do najpiękniejszych sztucznych zbiorników w kraju. Są bardzo atrakcyjnym rejonem turystycznym. Jednak od lat najbardziej znanym problemem związanym z funkcjonowaniem zbiornika Turawskiego jest tzw. „zakwit wód” będący wynikiem obecności zbyt wielu związków organicznych w wodzie, głównie związków azotowych i fosforowych, pochodzących z nawozów sztucznych i detergentów. W takiej sytuacji, w jeziorze zaczynają się intensywnie rozwijać, takie organizmy jak glony czy sinice, wśród których dominują Microcistis aeruginosa i Anabena flos-aquae. Kontakt z wodą
w czasie zakwitu może powodować: wysypkę, gorączkę, wymioty, biegunkę
i zapalenie wątroby. W związku z czym, kąpieliska zostają zamykane, a najbardziej cierpi na tym turystyka [www.szczedrzyk.ozimek.net.pl].


LITERATURA CYTOWANA

Bevan K, Davies JS, Hall MJ, Hassall CH, Morton RB, Phillips DA, Ogihara Y, Thomas WA. (1970) Experientia; 26: 122.

Bovy PR, O'Neal JM, Olins GM, Patton DR, McMohan EG, Palomo M, Koepke JP, Salles KS, Trapani AJ, Smits GJ, McGraw DE, Hutton WC. (1990) J. Med. Chem.; 33: 1477.

Carmichael WW, Human and Ecological Risk Assessment 2001, 7, 1393.

Chauhan VS, Ratanmani J. (1996) Biopolymers (Peptide Science); 40: 105.

Cody WL, He JX, Reily MD, Hallen SJ, Walker DM, Reyner EL, Stewart BH, Doherty AM. (1997) J. Med. Chem.; 40: 2228.

Corbaz R, Ettlinger L, Gäumann E, Keller-Schierlein W, Kradolfer F, Neipp L, Prelog V, Reusser P, Zähner H. (1957) Helv. Chim. Acta; 23: 199.

Crisma M, Formaggio F, Toniolo C, Yoshikawa T, Wakamiya T. (1999) J. Am. Chem. Soc.; 121: 3272.

Culvenor CCJ, Edgar EJ, Mackay MF, Gorst-Allman CP, Marasas WFO, Steyn PS, Vleggaar R, Wessels PL. (1989) Tetrahedron; 45: 2351.

Dawson RM. (1998) Toxicon; 36: 953.

Durbin RD, Uchytil TF. (1977) Phytopathology; 67: 602.

English ML, Stammer CH. (1979) [w:] Peptides 1978; (red. Siemion IZ, Kupryszewski G.); Wrocław University Press: Wrocław, str. 557.

Fisher GH, Berryer P, Ryan JW, Chauhan VS, Stammer CH. (1981) Arch. Biochem. Biophys.; 211: 269.

Fulton ND, Bollenbacher K, Templeton GE. (1965) Phytopathology; 55: 49.

Gilon C, Dechantsreiter MA, Burkhart F, Friedler A, Kessler H. (2003) [w:] Houben-Weyl, Methods of Organic Chemistry, Tom E22c, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, str. 260.

Givol IL, Abeles RH. (1970) J. Biol. Chem.; 245: 327.

Imazu S, Shimohigashi Y, Kodama H, Sakaguchi K, Waki M, Kato T, Izumiya N. (1988) Int. J. Pept. Protein Res.; 32: 298.

Jolad SD, Hoffman JJ, Torrance SJ, Wiedhopf RM, Cole JR, Arora SK, Bates RB, Gargiulo RL, Kriek GR. (1977) J. Am. Chem. Soc.; 99: 8040.

Joshi RM, Chauhan VS. (2003) [w:] Methods of Organic Chemistry (Houben-Weyl) Tom E22c Synthesis of Peptides and Peptidomimetics (red. Goodman M. Felix A., Toniolo C.) Georg Thieme Verlag, Stuttgart, str. 636.

Jung G. (1991) Angew. Chem. Int. Engl. Ed.; 103: 1067.

Lindvall MK, Pikho PM, Koskinen AMP. (1997) J. Biol. Chem.; 272: 5087.

Loiseau N, Cavelier F, Noel J-P, Gomis J-M. (2002) J. Peptide Sci.; 8: 335.

Łukomska J, Kasprzykowski F, Łankiewicz L, Grzonka Z. (2002) Wiadomości Chemiczne; 56: 57.

Macedowska A, Siodłak D, Rzeszotarska B, Acta Biochimica Polonica 2006, 53, 227.

Mazur-Marzec H, Wiedza i życie, 2006, 2, 62.

Mazur H, Pliński M, Oceanologia 2003, 45, 305.

Nehring S, J. Plankton Research 1993, 15, 867.

Palmer DE, Pattaroni Ch, Nunami K, Chadha RK, Goodman M, Wakamiya T, Fukase K, Horimoto S, Kitazawa M, Fujita H, Kubo A, Shiba T. (1992) J. Am. Chem. Soc.; 114: 5634.

Pettit GR, Kamano Y, Dufresne C, Cerny RL, Schmidt JM. (1989) J. Org. Chem.; 54: 6005.

Pietrzyński G, Rzeszotarska R. (1995) Polish J. Chem.; 69: 1595.

Ramagopal UA, Ramakumar S, Sahal D, Chauhan VS. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.; 98: 870.

Ruegger A, Kuhn M, Lichti H, Loosli H-R, Huguenin R, Quiquerez C, von Wartburg A. (1976) Helv. Chim. Acta; 59: 1075.

Siodłak D., Macedowska-Capiga A., Ejsmont K., Zaleski J., Rzeszotarska B.: (2007) Z Kristallogr. 222: 297.

Siodłak D., Macedowska-Capiga A., Grondys J., Paczkowska K., Rzeszotarska B.: (2008) J. Mol. Struct. (Theochem) 851: 100.

Schmidt U, Lieberknecht A, Wild J. (1988) Synthesis; 159.

Shemyakin MM, Ovchinnikov YA, Ivanov VT, Kiryushun AA, Zhdanov G, Ryabova ID. (1963) Experientia; 19: 56.

Singh TP, Kaur P. (1996) Prog. Biophys. Mol. Biol.; 66: 141.

Smith MJ, Kim D, Horenstein B, Nakanishi K. (1991) Acc. Chem. Res.; 24: 117.

Stonard RJ, Anderson RJ. (1980) J. Org. Chem.; 45: 3687.

Taniguchi M, Suzumura K, Nagai K, Kawasaki T, Saito T, Takasaki J, Suzuki K, Fujita S, Tsukamoto S. (2003) Tetrahedron; 59: 4533.

Vijayaraghavan R, Makkar J, Kumar P, Dey S, Singh TP. (2003) J. Mol. Struct.; 654: 103.






dol