Калкитоксин - Kalkitoxin

Калкитоксин
Kalkitoxin.svg
Имена
Название ИЮПАК
(2р)-N-[(3S,5S,6р)-7-[(4р) -4-этенил-4,5-дигидро-1,3-тиазол-2-ил] -3,5,6-триметилгептил] -N, 2-диметилбутанамид
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ChemSpider
UNII
Характеристики
C21ЧАС38N2ОS
Молярная масса366.61 г · моль−1
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

Калкитоксин, а токсин полученный из цианобактерии Lyngbya majuscula, побуждает Рецептор NMDA опосредованный нейрональный некроз, блоки напряжение-зависимые натриевые каналы, и вызывает клеточную гипоксию, подавляя электронная транспортная цепь (ETC) комплекс 1.

Природные источники

Калкитоксин - это ихтиотоксин, полученный из цианобактерии Lyngbya majuscula [1] который охватывает участки кораллового рифа.[2] Обычно образует мини-цветы.[2] и производит несколько метаболитов, таких как калкитоксин, курацин-А и антиллатоксин.[1] Калкитоксин был обнаружен и очищен недалеко от побережья Кюрасао.[1] и Пуэрто-Рико.[3]

Структура и реакционная способность

Калкитоксин - это липопептид токсин [4] с молекулярной массой 366.604 Да.[5] Его химическая формула - C21ЧАС38N2ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ.[6] Структура содержит две двойные связи, 2,4-дизамещенную тиазолиновую кольцевую систему и дополнительную карбонильную группу.[6] Каждая из этих четырех групп обеспечивает определенную степень ненасыщенности, в результате чего калькитоксин имеет четыре степени ненасыщенности.[6] В составе 5 хиральные центры, один из которых связан с заместителем тиазолинового кольца, а другие четыре - с метиновые группы вдоль алифатический углеродная цепь[7] которые представляют собой третичные атомы углерода, несущие три одинарные углеродные связи и одну водород. Четыре метильные группы (каждая в метиновом хиральном центре), общая стереохимия структуры и N-метильная группа - все вносят свой вклад в токсичность калкитоксина.[7]

Шесть частичных структур, используемых для получения общей структуры калькитоксина

Определение структуры

В структура Калькитоксина сначала определяли путем характеристики шести частичных структур, которые впоследствии были соединены, чтобы получить общую структуру.[4] Это расследование в основном проводилось с помощью различных ЯМР эксперименты. Структура (а) представляет собой втор-бутил группа, обозначенная характеристикой устранение защиты своего центрального группа метина из-за соседнего карбонил. Структура (b) содержит эту карбонильную группу и соседний третичный метилированный атом азота, составляющий третичный амид группа. Поскольку это третичный амид, он существует в смеси цис / транс, которая лежит в основе двух конформаций калькитоксина. Структура (c) представляет собой строку из двух метилен группы, затем метиновая группа, несущая высокополевую метильную группу. Следующие две идентифицированные группы (d, e) являются идентичными и противоположными цепочками CH2-CH-CH3, однако метиленовая группа левой группы протоны испытать больше устранение защиты, из-за их близости к соседним я добываю. Дешилдинг - это эффект ближайшего электроотрицательный вывод атома электронная плотность от данного ядра атома, вызывая повышенное химический сдвиг как измерено ЯМР.

Окончательная частичная структура состоит из тиазолин кольцо с клеммой алкен заместитель, как определено электронная ионизация масс-спектрометрии (EI-MS) и 13C ЯМР.[4] Химические сдвиги кольцевых углеродов, соседних с серой и азотом. гетероатомы сравнивали с 13Данные C ЯМР модельных соединений. Это позволило определить расположение этих гетероатомов в кольце, а затем и существование самого тиазолинового кольца.[8] После создания этих частичных структур их связность была оценена через HMBC спектроскопия,[4] метод 2D ЯМР, позволяющий определять гетероядерные J-муфта значения для несмежных атомов углерода и протонов. Это позволяет определить пространственное соотношение конкретных атомов углерода и водорода в структуре.

Стереохимия

Калкитоксин имеет пять хиральные центры, одним из которых является кольцевой углерод, к которому вывод алкен координируется, а остальные четыре встречаются у третичных атомов углерода вдоль алифатический цепочка, происходящая из я добываю азот. Общая стереохимия природного (+) - калькитоксина составляет 3R, 7R, 8S, 10S, 2′R.[6] Для этого определения, 3JCH значений вариацией импульсной техники HSQMBC, тип HMBC спектроскопия, и 3JHH значения по эксклюзивная корреляционная спектроскопия (E.COSY). Эти методы используют ЯМР для оценки констант спин-спинового взаимодействия, которые напрямую связаны с двугранный угол анализируемых атомов, что позволяет определить хиральность. Это было использовано для определения стереохимии хиральных центров на C7, C8 и C10. Поскольку C7 и C8 являются соседними стереоцентрами, эти методы позволили немедленно определить их относительную стереохимию, однако C10 отделен от C8 на C9, который несет два диастереотопный протоны. Это позволяет определить относительную стереохимию C8 и C10 по отношению к протонам C9 через [[J-связь 3J сопряжение]], чтобы связать относительную стереохимию C8 и C10. Эти методы дали относительную стереохимию 7R, 8S, 10S для стереоцентров алифатических цепей.[6] Стереохимию в C3 определяли анализом Марфея, в котором соединение было озонированный и впоследствии гидролизованный чтобы получить цистеиновая кислота от тиазолинового кольца и присоединенного концевого алкена. Анализ Марфея показал это аминокислота производным была L-цистеиновая кислота, что указывает на абсолютную стереохимию R у C3.[6] Абсолютная стереохимия всей молекулы была определена путем синтеза возможных конфигураций уже определенных относительных хиральностей и сравнения их с природным калкитоксином через 13C ЯМР сдвиг различия, показывающие, что стереохимия природного (+) - калькитоксина является 3R, 7R, 8S, 10S, 2′R.[6]

Отношения структура-деятельность

В взаимосвязь структура-деятельность (SAR) молекулы - это связь между структурными части внутри соединения, и как эти конкретные структуры напрямую влияют на степень и характер молекулы биологическая активность. Калкитоксин обладает мощным цитотоксичность который опирается на полную тиазолин кольцо для его действия.[9] Аналоги калкитоксина, лишенные полного тиазолинового кольца, проявляют примерно 1000-кратное снижение токсичности по отношению к линиям солидных опухолевых клеток.[9] Это указывает на то, что тиазолиновая кольцевая структура является важным компонентом механизма цитотоксичности калкитоксина. Необходимость стереохимии природного (+) - калкитоксина уменьшается, двигаясь к хиральным центрам в ядре молекулы, в то время как более концевые хиральные центры и амидная метильная группа становятся все более решающими для токсичности.[7] В исследовании, в котором оценивалась токсичность калькитоксина и различных аналогов против рачных креветок, аналоги, которые испытали наименее значительную потерю активности, были эпимеры либо на C8, либо на C10.[7] Это указывает на то, что хиральность C8 и C10 в природном (+) - калкитоксине наименее критична для токсической биологической активности. Очевидно, что хиральность C10 менее критична, чем C8, потому что эпимер (+) - калкитоксина на C10 более мощный, чем эпимер на C8.[7] Кроме того, удаление метильной группы C10 оказывает меньшее влияние на эффективность, чем удаление эпимеризация C7, подтверждая тенденцию к снижению корреляции SAR в основных хиральных центрах алифатической цепи.[7] Эпимеризация в C3, месте присоединения концевого алкена к тиазолиновому кольцу, дополнительно снижает эффективность калькитоксина, что согласуется с тиазолиновым кольцом и общей конформацией самого левого сегмента молекулы, которые являются критическими для биологической активности. Наконец, замена третичного амида на вторичный амид устраняет любую наблюдаемую токсичность, поэтому эта структура имеет решающее значение в механизме токсичности калкитоксина.[7]

Синтез

Ву и другие. синтез

Эта попытка была первым полным синтезом (+) - калкитоксина и служила цели выведения специфических стереохимия природного калькитоксина.[6] Этот синтез начался с алкоголь несущие надлежащие хиральность у C8 и C10, обнаруженных в (+) - калкитоксине, и несет диметилфенилсилокси (DPSO) группу, расположенную бета по отношению к C8, и концевой алкен позиционируется альфа как C10. Гидроборация этого алкена дает в результате спирт, который превращается в азид, которое является положением, в котором (R) -2-метилмасляная кислота соединяется с образованием втор-бутил группа и амидная группа. Амид впоследствии метилированный, завершая третичный амид, который, как было показано, имеет решающее значение для токсичности калькитоксина.[7] О-десилилирование и окисление полученного спирта производят акцептор для Реакция Хорнера-Уодсворта-Эммонса, при этом карбонил и альфа-метилированный фосфонат реакция с образованием алкена. В этом случае бета-кетофосфонат, несущий (R) -фенилглицин -полученный вспомогательный группа была лигирована к молекуле. Эта группа теряется в асимметричных сопряженное сложение (R) -аминоспирта, который через две стадии циклодегидратации с использованием протокола взаимного превращения оксазолина в тиазолин Wipf дает тиазолиновое кольцо.[6]

белый и другие. синтез

Второй общий синтез (+) - калкитоксина состоял всего из 16 стадий и дал общий результат в 3%. урожай.[10] Основным аспектом, который отличается от первого полного синтеза (+) - калкитоксина, является то, что вместо использования Реакция Хорнера-Уодсворта-Эммонса перевязать фосфонат несущий 4-фенил-2-оксазолидинон, добавление медноорганического конъюгата вместо этого использовалась реакция.[10] Это было сделано специально путем соединения медьорганических соединений с 4-фенил-2-оксазолидиноном, несущим (S) -N-транс-кротонил группа через 1,4-нуклеофильное присоединение к α, β-ненасыщенности кротонильной группы. Этот метод выгоден тем, что позволяет стереоселективность образующейся 1,3-диметильной конфигурации во время более широкого последовательного введения метильных заместителей в хиральных центрах C7, C8 и C10.

Еще один момент отклонения между этими двумя синтезами - это количество атомов углерода, отделяющих кето-вспомогательную группу от хирального центра у C7. Эта группа была отделена одним атомом углерода от C7 в первом полном синтезе, поэтому кето-вспомогательный фрагмент можно было превратить в карбоновая кислота в ожидании добавления аминоспирта сразу после этого.[6] В этом синтезе эта кето-вспомогательная группа находится непосредственно рядом с C7, что требует гомологации с одним углеродом перед построением тиазолинового кольца. Это было достигнуто за счет редуктивного разрыв связи вспомогательной группы до первичного спирта и окисления до соответствующего альдегида, Реакция Виттига с использованием илида, несущего метоксигруппу, для получения енольный эфир, гидролиз к альдегид и наконец окисление для производства карбоновой кислоты.[10]

Balieu и другие. синтез

Этот синтез отличается тем, что требует "сборочная линия "подход к синтезу, в отличие от традиционного итеративного подхода к синтезу, использованного в предыдущих синтезах, который обычно требует взаимопревращений функциональных групп и повторяющихся очищения за алифатический удлинения цепи, такие как тот, который содержится в калькитоксине. Этот новый подход достигается за счет использования регулируемого реагентами удлинения цепи боронового эфира,[11] который основан на спонтанной 1,2-миграции после образования промежуточного соединения, включающего вновь добавленный литиированный бензоат сложный эфирный строительный блок.[12]

Это позволяет контролировать хиральность при каждом добавлении путем выбора хиральности каждого добавляемого бензоатного эфира. Кроме того, это позволяет избежать повторяющихся стадий взаимного преобразования и очистки, обычно требуемых для повторяющихся удлинений цепи, что увеличивает выход и эффективность, а также снижает трудозатраты. В этом синтезе использовалась эта методика за счет получения основной алифатической цепи в виде единственного большого фрагмента и связывания этого фрагмента с хиральной втор-бутильной группой, несущей карбоновую кислоту.[12] Противоположная амино тиоэфир фрагмент был синтезирован отдельно, а затем присоединен и впоследствии циклизованный следуя процедуре, разработанной White et al.[10] В целом, для этого синтеза требуется всего 7 шагов, если исходная серия омологации считается за одну стадию.[12]

Цели

Калкитоксин может активировать Рецептор NMDA.[1] Он также блокирует напряженно-управляемый натриевый канал[13] и электронная транспортная цепь (ETC) комплекс 1.[13] Остается неизвестным, как именно калкитоксин связывается с потенциалзависимым натриевым каналом. Нейротоксин sit 1 и 2 были исключены как возможные сайты связывания, тогда как сайт нейротоксина 7 был предложен как сайт связывания для калкитоксина.[4] Это вероятно, потому что есть ингибирование канала калькитоксином, когда присутствует дельтаметрин, который имеет положительные аллостерические эффекты.[13] Это может быть связано с тем, что молекулярные детерминанты связывания у калкитоксина и дельтаметрина схожи.[13]

Способ действия

Этот рисунок иллюстрирует два различных взаимодействия калкитоксина с рецепторами в глутаматергическом синапсе и то, как эти два взаимодействия противоположны на уровне выживаемости нейронов.

Калкитоксин вызывает замедленный нейрональный некроз мозжечка гранулярные клетки крысы.[1] Этот нейрональный некроз оказался NMDA-рецептор опосредованный.[1] Эти рецепторы обычно активируются глутамат и другие эксайтотоксические соединения и могут вызывать некроз нейронов.[1] Пока не известно, вызывает ли токсин некроз напрямую или через высвобождение эксайтотоксических соединений.[1]

Во-вторых, калкитоксин блокирует напряжение-управляемые натриевые каналы, тем самым ингибируя Ca2+ высвобождение, которое обычно происходит при активации потенциалозависимого натриевого канала, в веществе, зависящем от концентрации.[13] Было показано, что высвобождение кальция вызывает лактатдегидрогеназа (LDH) производство.[13] Количество ЛДГ является мерой гибели нервных клеток.[13] В присутствии калькитоксина также происходит зависимое от концентрации ингибирование гибели нейрональных клеток и продукции ЛДГ (9). Механизм этого торможения до сих пор неизвестен.[13]

В-третьих, калькитоксин блокирует электронная транспортная цепь (ETC) комплекс 1,[2] один из белковых комплексов, участвующих в митохондриальном дыхании.[2] Блокируя комплекс 1 ETC, калкитоксин сильно подавляет фактор, индуцируемый гипоксией -1 (HIF-1) активация.[2] HIF-1 - это фактор транскрипции, который усиливает экспрессию генов, повышающих доступность кислорода, а также генов, снижающих потребление кислорода.[2] Таким образом, ингибирование HIF-1, которое является одним из основных эффектов калькитоксина, вызывает клеточную гипоксию.

Токсичность

Калкитоксин ихтиотоксичен для золотых рыбок (Карассиус ауратус, LC50: 700нМ) и водным ракообразным креветкам (Артемия салина, LC50: 150-180 нм [7]).[14] Также было показано, что калкитоксин замедляет нейротоксическое действие на гранулярные клетки мозжечка крысы (LC50: 3,86 нм).[2]

Терапевтические исследования

Многие усилия по открытию противораковых лекарств сосредоточены на скрининге новых биомолекул, произведенных и выделенных из различных растений и животных.[15] Эти изолированные молекулы подвергаются скринингу через анализы in vitro для измерения их эффектов в стандартизированных парадигмах, разработанных для выбора желаемого терапевтического эффекта. Калкитоксин был первоначально выделен из Lyngbya majuscula как попытка собрать новые молекулы для тестирования в качестве противоопухолевых или противогрибковых агентов.[4] Один из первых тестов калкитоксина, селективного к опухолям цитотоксичность использовали анализ in vitro для проверки селективности солидной опухоли в отношении ранее продемонстрированной цитотоксичности калкитоксина против линии клеток толстой кишки человека HCT-116.[9] В этом анализе измеряли степень дифференциальной цитотоксичности калькитоксина и различных аналогичных структур, наблюдая дифференциальную цитотоксичность в отношении клеток солидных опухолей и любых нетвердых опухолевых клеток, таких как лейкемия клетки или нормальные клетки. Этот тест дал многообещающие результаты, поскольку калькитоксин проявлял предпочтительную цитотоксичность в условиях теста на клетки солидной опухоли (клетки толстой кишки 38 и HCT-116) по сравнению с нетвердой опухолью и нормальными клеточными условиями.[9]

Калкитоксин оказывает этот цитотоксический эффект за счет ингибирования митохондриальный электрон-транспортная цепь комплекс 1.[2] Это вызывает торможение гипоксия -индуцированный HIF-1 активация, которая имеет решающее значение при раке солидных опухолей, поскольку гипоксия приводит опухолевый ангиогенез, что приводит к ухудшению стадий заболевания и повышению устойчивости к лечению. HIF-1 - это фактор транскрипции который вызывает экспрессию генов, способствующих доступности кислорода и снижению потребления кислорода, действие которых противодействует клеточному гипоксия.[16] Следовательно, ингибирующая способность калькитоксина HIF-1 позиционирует его как потенциально многообещающую молекулу для противодействия прогрессированию некоторых видов солидных опухолей путем блокирования пролиферативного ответа опухоли на гипоксию. Предостережение к многообещающим антипролиферативным свойствам калкитоксина связано с его нейротоксическим действием. В концентрациях, сопоставимых с теми, которые необходимы для избирательной цитотоксичности опухоли, калкитоксин вызывает гибель клеток при применении на крысах. нейроны гранул мозжечка (CGN) в культуре.[2] Калкитоксин действует как N-метил-D-аспартат (NMDA) рецептор агонист, и вызывает цитотоксичность в культивируемых крысах CGNs в отсроченные моменты времени.[1] Следовательно, этот эффект необходимо принимать во внимание при рассмотрении использования калкитоксина или его химических производных в качестве терапевтического средства.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я Берман; и другие. (1999). «Антиллатоксин и калкитоксин, ихтиотоксины из тропической цианобактерии Lyngbya majuscula, вызывают различные временные паттерны нейротоксичности, опосредованной рецептором NMDA». Токсикон. 37 (11): 1645–8. Дои:10.1016 / s0041-0101 (99) 00108-7. PMID  10482399.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я Морган; и другие. (2015). «Калкитоксин подавляет ангиогенез, нарушает клеточную гипоксическую передачу сигналов и блокирует митохондриальный транспорт электронов в опухолевых клетках». Морские препараты. 13 (3): 1552–1568. Дои:10.3390 / md13031552. ЧВК  4377999. PMID  25803180.
  3. ^ Ногл и Гервик (2003). «Разнообразные вторичные метаболиты из пуэрториканской коллекции Lyngbya Majuscula». Журнал натуральных продуктов. 66 (2): 217–20. Дои:10.1021 / np020332c. PMID  12608852.
  4. ^ а б c d е ж Ву М. (1997). Новые биоактивные вторичные метаболиты морской цианобактерии Lyngbya majuscule, Диссертация (M.S.). Университет штата Орегон - через https://www.researchgate.net/publication/33818310_Novel_bioactive_secondary_metabolites_from_the_marine_cyanobacterium_Lyngbya_majuscula.
  5. ^ Королевское химическое общество 2015. «ХимСайдер Калкитоксин».
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j Ву; и другие. (2000). «Структура, синтез и биологические свойства калкитоксина, нового нейротоксина из морской цианобактерии Lyngbya majuscule». Журнал Американского химического общества. 122 (48): 12041–12042. Дои:10.1021 / ja005526y.
  7. ^ а б c d е ж грамм час я Умедзава; и другие. (2011). «Синтез и биологическая активность калкитоксина и его аналогов». Журнал органической химии. 77 (1): 357–70. Дои:10.1021 / jo201951s. PMID  22111947.
  8. ^ Хокинс, Клиффорд Дж .; Лавин, Мартин Ф .; Маршалл Карен А., Карен А.; Ван ден Бренк, Анна Л .; Уоттерс, Дайан Дж. (01.06.1990). «Взаимосвязь структура-активность лиссоклинамидов: цитотоксические циклические пептиды из асцидии Lissoclinum patella». Журнал медицинской химии. 33 (6): 1634–1638. Дои:10.1021 / jm00168a016. PMID  2342056.
  9. ^ а б c d Уайт, Джеймс Д .; Сюй, Цин; Ли, Чанг-Сун; Валериот, Фредерик А (2004). «Полный синтез и биологическая оценка (+) - калкитоксина, цитотоксического метаболита цианобактерии Lyngbya majuscula». Органическая и биомолекулярная химия. 2 (14): 2092–2102. Дои:10.1039 / B404205K. PMID  15254638.
  10. ^ а б c d Уайт, Джеймс Д; Ли, Чанг-Сун; Сюй, Цин (2003). «Полный синтез (+) - калькитоксина». Химические коммуникации. 0 (16): 2012–2013. Дои:10.1039 / B306124H.
  11. ^ Ожоги; и другие. (2014). «Высокоточный синтез на конвейере для молекул с заданными формами». Природа. 513 (7517): 183–188. Дои:10.1038 / природа13711. ЧВК  4167605. PMID  25209797.
  12. ^ а б c Балье; и другие. (2015). «На пути к идеальности: синтез (+) - калькитоксина и (+) - гидроксифтиоцерановой кислоты путем синтеза на конвейере». Журнал Американского химического общества. 137 (13): 4398–4403. Дои:10.1021 / ja512875g. PMID  25625684.
  13. ^ а б c d е ж грамм час LePage; и другие. (2005). «Нейротоксический липопептид калкитоксин взаимодействует с чувствительными к напряжению натриевыми каналами в нейронах гранул мозжечка». Письма токсикологии. 158 (2): 133–9. Дои:10.1016 / j.toxlet.2005.03.007. PMID  16039402.
  14. ^ Сарма, Т. (2012). Справочник по цианобактериям. CRC Press. п. 539. ISBN  9781578088003.
  15. ^ де Боно; и другие. (2003). «Будущее цитотоксической терапии: избирательная цитотоксичность, основанная на биологии, является ключевым моментом». Исследование рака груди. 5 (3): 154–9. Дои:10.1186 / bcr597. ЧВК  165009. PMID  12793897.
  16. ^ Семенца, Г.Л.Зондирование кислорода, факторы, вызывающие гипоксию, и патофизиология заболеваний. Анну. Преподобный Патол. 2014, 9, 47–71.