Mgr Justyna Grondys



Promotor: prof. dr hab. inż. Barbara Rzeszotarska

Analiza konformacyjna amidów i estrów dehydrobutyryny


Słowa kluczowe dehydrobutyryna, dehydroaminokwasy, fomalid, aspartam, nizyna

Cele projektu:

Wcześnie zwrócono uwagę na strukturotwórcze cechy dehydroaminokwasów [1], wykorzystując je do modyfikacji peptydów. Przykładem są badania nad aspartamem, dipeptydem zawierającym ester metylowy fenyloalaniny, polegające na zastępowaniu tej reszty β-metylofenyloalaniną. Położenie łańcucha bocznego ma duże znaczenie, gdyż wpływa na oddziaływanie z receptorem smaku, a co za tym idzie na poczucie słodkości [2]. Zastosowanie dehydroaminokwasów umożliwia zablokowanie położenia podstawnika w pozycji Z lub E. Dehydroaminokwasy wykorzystywane są także do poprawiania właściwości farmakologicznych peptydów, gdyż zwiększają odporność białka na działanie enzymów, co umożliwia tworzenie nowej klasy inhibitorów enzymów [3], a obecność wiązania podwójnego zwiększa hydrofobowość łańcuchów bocznych aminokwasów [4,5].

Reszta dehydroaminokwasu została zidentyfikowana w znacznej liczbie naturalnych związków o różnorodnej aktywności biologicznej. Przeważnie są antybiotykami, fungicydami i toksynami. Część ma potencjalne właściwości przeciwnowotworowe. Są też inhibitorami, grupami prostetycznymi enzymów, alkoloidami oraz prohormonami [6]. Należy podkreślić, że dehydrobutyryna znajduje się w przeszło połowie z tych związków. Z opublikowanych badań niektórych biologicznie aktywnych peptydów wynika, że dehydroaminokwasy pełnią istotną rolę strukturotwórczą wpływając na przyjmowanie konformacji bioaktywnej [7,8].

Istotną metodą modyfikacji peptydów jest także zastępowanie wiązania amidowego wiązaniem estrowym. Połączenie dehydroaminokwasu i estru jest znane przyrodzie. Szczególnie ciekawym przykładem jest toksyna fomalid [9], która zawiera izomer E dehydrobutyryny. Izofomalid zawierający izomer Z nie wykazuje toksyczności.

Przedstawione powyżej przykłady dotyczą zasadniczo związków nowych, których właściwości są obecnie dopiero analizowane, a mechanizmy molekularnego działania ciągle poznawane. Poznanie właściwości konformacyjnych dehydrobutyryny, jako elementu strukturalnego wymienionych związków wniosłoby istotny wkład w poznanie zależności pomiędzy ich strukturą a aktywnością biologiczną. Może to umożliwić głębsze zrozumienie działania toksyn peptydowych czy nowych klas antybiotyków na poziomie molekularnym oraz bardziej racjonalne projektowanie nowych bioaktywnych peptydów charakteryzujących się lepszymi właściwościami.


Celem badań jest określenie preferencji konformacyjnych dehydrobutyryny oraz jej modyfikacji z wiązaniem estrowym, ze szczególnym uwzględnieniem wpływu izomerii Z/E łańcucha bocznego. Spodziewanym efektem jest opisanie nowych strukturalnych merów aminokwasowych użytecznych w projektowaniu bioaktywnych peptydów.


Planowane metody i narzędzia badawcze

Najprostszym układem aminokwasowym, w którym można badać oddziaływania krótkiego zasięgu, jest układ dwuamidowy, naśladujący aminokwas włączony w łańcuch peptydowy. Stosuje się go zarówno w typowych [10,11] jak i niestandardowych resztach aminokwasowych [12,13]. Ten prosty model umożliwia prawidłowe określenie podstawowych właściwości konformacyjnych badanej reszty aminokwasu, ponieważ oddziaływania krótkiego zasięgu są dominujące w procesie fałdowania, czyli zwijania się łańcucha peptydowego [14].

Mając na celu analizę wpływu obecności oraz położenia podstawnika w łańcuchu bocznym, postanowiono przeanalizować również właściwości dehydroalaniny i dehydrowaliny, dwóch najbliższych w stosunku do dehydrobutyryny dehydroaminokwasów w szeregu homologicznym, które nie wykazują jednocześnie izomerii Z/E.

Założono wobec tego badanie właściwości konformacyjnych następujących modeli (rysunek 1):

  • N’-metyloamidów N-acetylo-α,β-dehydroaminokwasów Ac-ΔXaa-NHMe, takich reszt aminokwasowych jak: dehydroalanina, (E)-dehydrobutyryna, (Z)-dehydrobutyryna, dehydrowalina.

  • estrów metylowych N-acetylo-α,β-dehydroaminokwasów Ac-ΔXaa-OMe, takich reszt aminokwasowych jak: dehydroalanina, (E)-dehydrobutyryna, (Z)-dehydrobutyryna, dehydrowalina.

Badania właściwości konformacyjnych peptydomimetyków są najczęściej oparte na połączeniu metod spektroskopowych oraz analizy rentgenowskiej z metodami obliczeniowymi [15], co pociąga za sobą konieczność zsyntezowania badanych modeli. W przypadku małych modeli, jak użyte w tej pracy, szybkość zmian konformacyjnych przewyższa niestety szybkość procesów relaksacyjnych, będących podstawą spektroskopii NMR [16], dlatego też nie jest ona używana w niniejszej pracy. W badaniach konformacyjnych zastosowano metody obliczeniowe, analizę rentgenowską oraz spektroskopię w podczerwieni. Preferencje konformacyjne wszystkich modeli badano metodami teoretycznymi w oparciu o diagramy Ramachandrana, będące zależnością energii molekuły od zmiany wartości kątów torsyjnych φ i ψ łańcucha głównego, przedstawioną w postaci powierzchni energii potencjalnej i zilustrowaną w postaci graficznej przypominającej ukształtowanie terenu. Powstały obraz powierzchni energii potencjalnej jest obrazem preferencji konformacyjnych badanej reszty aminokwasowej.



Wpływ realizacji projektu na wzrost innowacyjności gospodarki regionu poprzez zintensyfikowanie powiązań między nauką i przemysłem, w tym określenie możliwości zastosowania wyników badań w konkretnym sektorze bądź przedsiębiorstwie

Rolnictwo, przemysł olejarski, branża petrochemiczna, przetwórstwo spożywcze, piekarnictwo-cukiernictwo

Rzepak jest jedną z głównych roślin uprawnych Opolszczyzny. Grzyb Phoma lingan jest głównym pasożytem tej rośliny i powoduje obumieranie tkanek w wyniku czego łodyga osłabia się i zwęża w miejscu infekcji co jest przyczyną łamania się i wylegania roślin. W efekcie dochodzi do poważnych strat w plonie, a zatem i zysku z hektara. Wpływa to także na wzrost cen hurtowych rzepaku co wpływa na przemysł olejarski, a także na odbiorców olejów jadalnych – np. branżę przetwórstwa spożywczego czy piekarniczo-cukierniczą. W związku z narastającym obecnie zainteresowaniem biopaliwami, szczególnie estrami uzyskiwanymi z oleju rzepakowego, badania prowadzące do głębszego zrozumienia istoty działania toksyn, takich jak fomalid, pasożytniczych grzybów, wydają się mieć istotne znaczenie dla branży petrochemicznej. Nie zostanie to jednak osiągnięte bez wcześniejszego poznania wpływu poszczególnych elementów strukturalnych, w tym estrów dehydrobutyryny, na aktywność biologiczną toksyny.

Słodziki, w tym aspartam, są masowo stosowane w produktach spożywczych. Jednakże przemysł przetwórczy i piekarniczo-cukierniczy wymaga użycia podwyższonej temperatury i środowiska kwaśnego, czego efektem jest często utrata słodkości. Dlatego też badania mogące w przyszłości doprowadzić do powstania nowych klas słodzików są bardzo ważne dla tych branż.

Przemysł mleczarski

Przemysł mleczarski na Opolszczyźnie stanowi jedną z ważniejszych gałęzi gospodarki (Zott Opole, OSM Brzeg, OSM Głubczyce, OSM „Gomi’ Grodków, SMRŚI w Kadłubie, OSM Olesno, OSM Prudnik). Do konserwacji produktów mleczarskich używana jest nizyna. Nizyna jest dehydropeptydowym antybiotykiem, którego to struktura i mechanizm działania może być lepiej poznany w wyniku przeprowadzonych badań.

Przemysł farmaceutyczny

Wiele nowych biologicznie aktywnych związków zawiera w swojej strukturze dehydrobutyrynę, dlatego też znajomość jej właściwości konformacyjnych, wniosłaby istotny wkład w poznanie zależności pomiędzy ich strukturą a aktywnością biologiczną. Związki te mają potencjalnie duże znaczenie praktyczne, jako nowe prekursory leków przeciwnowotworowych oraz nowych klasy antybiotyków, na które nie są uodpornione szczepy bakterii stwarzające duże problemy w leczeniu szpitalnym.



Literatura

1. G. Pietrzyński, B. Rzeszotarska Polish J. Chem. 1995, 69, 1595-1614.

2. A. Avenoza, M. París, M. Peregrina, M. Alías, López M, J. Garcia, C. Cativiela Tetrahedron 2002, 58, 4889-4905.

3. V.S. Chauhan, J. Ratanmani Biopolymers (Peptide Science) 1996, 40, 105-119.

4. M.L. English, C.H. Stammer Peptides, Wrocław University Press 1979, pp 557, Wrocław.

5. R.M. Joshi, V.S. Chauhan Methods of Organic Chemistry (Houben-Weyl) Tom E22c Synthesis of Peptides and Peptidomimetics. Georg Thieme Verlag 2003, pp 636, Stuttgart.

6. B. Rzeszotarska, Z. Kubica, J. Tarnawski Post Biochem. 1987, 33, 533-5360.

7. J. Łukomska, F. Kasprzykowski, L. Łankiewicz, Z. Grzonka Wiadomości chemiczne 2002, 1-2: 56-82.

8. D.H. Rich, P.K. Bhatnagar J. Am. Chem. Soc. 1978, 2212-2218 oraz 2218-2224.

9. M. Pedras, C. Biesenthal Plant Cell Reports 2000, 19, 1135-1138.

10. I. Hudáky, R. Kissb, A. Perczel J. Mol. Struc. (Theochem) 2004, 675, 177-183.

11. R. Vargas, J. Garza, B.P. Hay, D.A. Dixon J. Phys. Chem. 2002, 106, 3213-3218.

12. S. Lee, T. Kanmera, H. Aoyagi, N. Izumiya Int. J. Pept. Protein Res. 2002, 13, 207-217.

13. M. Thormann, H.S. Hofmann J. Mol. Struc. (Teochem) 1998, 431, 79–96.

14. G.A. Chasse, A.M. Rodriguez, M.L. Mak, E. Deretey, A. Perczel, C.P. Sosa, R.D. Enriz, I.G. Csizmadia J. Mol. Struct. Theochem 2001, 537, 319-361.

15. C. Toniolo, M. Goodman Methods of Organic Chemistry (Houben-Weyl) Tom E22c Synthesis of Peptides and Peptidomimetics. Georg Thieme Verlag 2003, pp 215, Stuttgart.

16. O. Jardetzky Biochem. Biophys. Acta 1980, 621, 227-232.




dol