Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Калкитоксин
Kalkitoxin.svg
Имена
Название ИЮПАК
(2 R ) - N - [(3 S , 5 S , 6 R ) -7 - [(4 R ) -4-этенил-4,5-дигидро-1,3-тиазол-2-ил] -3, 5,6-триметилгептил] - N , 2-диметилбутанамид
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ChemSpider
UNII
  • InChI = 1S / C21H38N2OS / c1-8-16 (4) 21 (24) 23 (7) 11-10-15 (3) 12-17 (5) 18 (6) 13-20-22-19 (9- 2) 14-25-20 / ч9,15-19H, 2,8,10-14H2,1,3-7H3 / t15-, 16-, 17 +, 18-, 19- / м1 / с1
    Ключ: PHYRFZDJEDWWKT-UJWQCDCRSA-N
  • CC [C @@ H] (C) C (= O) N (C) CC [C @@ H] (C) C [C @ H] (C) [C @ H] (C) CC1 = N [ C @@ H] (CS1) C = C
Характеристики
C 21 H 38 N 2 O S
Молярная масса366,61  г · моль -1
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

Калкитоксин , токсин, полученный из цианобактерии Lyngbya majuscula , индуцирует опосредованный рецептором NMDA нейрональный некроз, блокирует потенциал-зависимые натриевые каналы и вызывает клеточную гипоксию, ингибируя комплекс цепи переноса электронов (ETC) 1.

Природные источники [ править ]

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

Структура и реакционная способность [ править ]

Калкитоксин - липопептидный токсин [4] с молекулярной массой 366.604 Да. [5] Его химическая формула - C 21 H 38 N 2 OS. [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 калкитоксин имеет четыре степени ненасыщенности . [6] Структура содержит 5 хиральных центров , один из которых связан с заместителем в тиазолиновом кольце, а четыре других - с метиновыми группами вдольалифатические углеродные цепи [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 это способствует токсичности калкитоксина. [7]

Шесть частичных структур, использованных для получения общей структуры калькитоксина

Определение структуры [ править ]

Структура из kalkitoxin был впервые определена характеризующими шесть частичных структур , которые впоследствии были связаны с получением общей структуры. [4] Это исследование в основном проводилось с помощью различных ЯМР- экспериментов. Структура (а) представляет собой втор-бутильную группу, на что указывает характерная деэкранировка ее центральной метиновой группы из-за соседнего карбонила . 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 цепочку из двух метиленовых групп, затем метиновой группы, несущей высокополевую метильную группу. Следующие две идентифицированные группы (d, e) являются идентичными и противоположными цепочками CH2-CH-CH3, однако метиленовые протоны левой группы испытывают большее деэкранирование из-за их близости к соседнему имину . Деэкранирование - это эффект, когда соседний электроотрицательный атом забирает электронную плотность из ядра данного атома, вызывая повышенный химический сдвиг, измеренный с помощью ЯМР.

Конечная частичная структура состоит из тиазолинового кольца с концевым алкеновым заместителем, как определено электронно-ионизационной масс-спектрометрией (EI-MS) и 13 C ЯМР . [4] Химические сдвиги атомов углерода в кольце, соседних с гетероатомами серы и азота, сравнивали с данными 13 C ЯМР для модельных соединений. Это позволило определить расположение этих гетероатомов в кольце и, следовательно, существование самого тиазолинового кольца. [8] После того, как эти частичные структуры были установлены, их связь была оценена с помощью спектроскопии HMBC , [4]метод 2D ЯМР, который позволяет определять значения гетероядерного J-взаимодействия для несмежных атомов углерода и протонов. Это позволяет определить пространственное соотношение конкретных атомов углерода и водорода в структуре.

Стереохимия [ править ]

Калкитоксин имеет пять хиральных центров , один из которых представляет собой кольцевой углерод, с которым координирован концевой алкен , а остальные четыре расположены у третичных атомов углерода вдоль алифатической цепи, происходящей от иминного азота. Общая стереохимия природного (+) - калькитоксина составляет 3R, 7R, 8S, 10S, 2′R. [6] Для этого определения используются значения 3 J CH с помощью вариации импульсной техники HSQMBC, типа спектроскопии HMBC и значения 3 J HH с помощью эксклюзивной корреляционной спектроскопии.(E.COSY). Эти методы используют ЯМР для оценки констант спин-спинового взаимодействия, которые напрямую связаны с двугранным углом 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 диастереотопных протона. Это позволяет определить относительную стереохимию C8 и C10 по отношению к протонам C9 посредством [[J-сопряжения \ 3J сопряжение]] значений, 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 озонировали и затем гидролизовали с получением цистеиновой кислоты из тиазолинового кольца и присоединенного концевого алкена. Анализ Марфея показал, что это производное аминокислоты было L-цистеиновой кислотой, 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 с помощью различий сдвига 13 C ЯМР , что выявило стереохимию природного (+) - калкитоксина как 3R, 7R, 8С, 10С, 2′Р. [6]

Связь структура-деятельность [ править ]

Зависимость структура-активность (SAR) молекулы является связь между структурными фрагментами в соединении, и как эти конкретные структуры непосредственно способствовать степени и характера молекулы биологической активности . Калкитоксин проявляет сильную цитотоксичность, действие которой зависит от полного тиазолинового кольца. [9] Аналоги калкитоксина, лишенные полного тиазолинового кольца, проявляют примерно 1000-кратное снижение токсичности для линий солидных опухолевых клеток. [9]Это указывает на то, что тиазолиновая кольцевая структура является важным компонентом механизма цитотоксичности калькитоксина. 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 раковых креветок, аналогами, которые испытали наименее значительную потерю активности, были эпимеры на C8 или 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 (+) - калькитоксина на C10 более эффективен, чем эпимер на C8. [7] Кроме того, удаление метильной группы C10 оказывает меньшее влияние на эффективность, чем эпимеризация C7, поддерживая 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 крайнего левого сегмента молекулы, которые являются критическими для биоактивности. Наконец, замена третичного амида на вторичный амид устраняет любую наблюдаемую токсичность, поэтому эта структура имеет решающее значение в механизме токсичности калкитоксина. [7]

Синтез [ править ]

Wu et al. синтез [ править ]

Эта попытка была первым полным синтезом (+) - калькитоксина и служила цели определения специфической стереохимии природного калкитоксина. [6] Этот синтез начался со спирта, имеющего надлежащую хиральность по C8 и C10, обнаруженного в (+) - калкитоксине, и нес бета-группу диметилфенилсилокси (DPSO), расположенную в положении бета по отношению к C8, и концевой алкен, расположенный в положении альфа по отношению к C10. Гидроборирование этого алкена дает полученный спирт, который превращается в азид , который является положением, в котором (R) -2-метилмасляная кислота соединяется с образованием втор-бутильной группы и амидной группы . Амид впоследствииметилированный , завершающий третичный амид, который, как было показано, имеет решающее значение для токсичности калькитоксина. [7] O-десилилирование и окисление полученного спирта дают акцептор для реакции Хорнера-Уодсворта-Эммонса , в которой карбонил и альфа- метилированный фосфонат реагируют с образованием алкена. В этом случае к молекуле лигировали бета- кетофосфонат, несущий вспомогательную группу, производную (R) - фенилглицина . Эта группа теряется при асимметричном сопряженном добавлении(R) -аминоспирта, который через две стадии циклодегидратации с использованием протокола взаимного превращения оксазолина в тиазолин Wipf дает тиазолиновое кольцо. [6]

White et al. синтез [ править ]

Второй полный синтез (+) - калькитоксина состоял всего из 16 стадий и дал общий выход 3% . [10] Главный аспект, которым это отличается от первого полного синтеза (+) - калкитоксина, заключается в том, что вместо использования реакции Хорнера-Уодсворта-Эммонса для лигирования фосфоната, несущего 4-фенил-2-оксазолидинон, медноорганический конъюгат добавление реакции использовали вместо. [10] Это было сделано специально путем соединения медьорганического соединения с 4-фенил-2-оксазолидиноном, несущим (S) -N- транскротонильную группу, посредством 1,4- нуклеофильного присоединения.к α, β-ненасыщенности кротонильной группы. Этот метод имеет преимущество, поскольку он обеспечивает стереоселективность полученной 1,3-диметильной конфигурации во время более широкого последовательного введения метильных заместителей в хиральных центрах C7, C8 и C10.

Другой 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 при первом полном синтезе, так что кето-вспомогательный фрагмент можно было превратить в карбоновую кислоту 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 восстановительного расщепления связи вспомогательной группы до первичного спирта и окисления до соответствующего альдегида, реакция Виттига с использованием илида, несущего метоксигруппу, с получениеменоловым эфиром , гидролизом до альдегида и, наконец, окислением с образованием карбоновой кислоты. [10]

Balieu et al. синтез [ править ]

Этот синтез отличается тем, что он использует подход к синтезу « конвейера », в отличие от традиционного итеративного подхода к синтезу, применявшегося в предыдущих синтезах, который обычно требует взаимных превращений функциональных групп и повторных очисток для удлинений алифатических цепей, таких как тот, который обнаружен в калькитоксине. . Этот новый подход достигается за счет использования регулируемого реагентами удлинения цепи сложного эфира бороновой кислоты [11], который основан на спонтанной 1,2-миграции после образования промежуточного соединения, включающего недавно добавленный строительный блок литиированного сложного эфира бензоата . [12]

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

Цели [ править ]

Калкитоксин может активировать рецептор NMDA . [1] Он также блокирует потенциал-управляемые натриевые каналы [13] и комплекс 1 транспортной цепи электронов (ETC). [13] Остается неизвестным, как именно калкитоксин связывается с потенциал-управляемыми натриевыми каналами. 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 калкитоксина и дельтаметрина схожи. [13]

Способ действия [ править ]

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

Калкитоксин вызывает замедленный нейрональный некроз в гранулярных клетках мозжечка крысы. [1] Этот нейрональный некроз оказался опосредованным рецептором NMDA . [1] Эти рецепторы обычно активируются глутаматом и другими эксайтотоксическими соединениями и могут вызывать некроз нейронов. [1] Пока неизвестно, вызывает ли токсин некроз напрямую или через высвобождение эксайтотоксических соединений. [1]

Во-вторых, калкитоксин блокирует потенциал-управляемые натриевые каналы , тем самым подавляя высвобождение Ca 2+, которое обычно происходит при активации потенциал-управляемых натриевых каналов, в зависимости от концентрации. [13] Было показано, что высвобождение кальция вызывает выработку лактатдегидрогеназы (ЛДГ). [13] Количество ЛДГ является мерой гибели нервных клеток. [13] В присутствии калькитоксина также происходит зависимое от концентрации ингибирование гибели нейрональных клеток и выработки ЛДГ (9). Механизм этого торможения до сих пор неизвестен. [13]

В-третьих, калькитоксин блокирует комплекс 1 транспортной цепи электронов (ETC), [2] один из белковых комплексов, участвующих в митохондриальном дыхании. [2] Блокируя комплекс 1 ETC, калкитоксин сильно подавляет активацию индуцируемого гипоксией фактора -1 (HIF-1). [2] HIF-1 - это фактор транскрипции, который усиливает экспрессию генов, повышающих доступность кислорода, а также генов, снижающих потребление кислорода. [2] Ингибирование HIF-1, который является одним из основных эффектов калькитоксина, таким образом, вызывает клеточную гипоксию.

Токсичность [ править ]

Калкитоксин ихтиотоксичен для золотой рыбки ( Carassius auratus , LC 50 : 700 нм) и водных ракообразных креветок ( Artemia salina , LC 50 : 150–180 нм [7] ). [14] Также было показано, что калкитоксин оказывает замедленное нейротоксическое действие на гранулярные клетки мозжечка крыс (LC 50 : 3,86 нМ). [2]

Терапевтические исследования [ править ]

Многие усилия по открытию терапевтических лекарств от рака сосредоточены на скрининге новых биомолекул, произведенных и выделенных из различных растений и животных. [15] Эти изолированные молекулы подвергаются скринингу с помощью анализов in vitro для измерения их эффектов в стандартизированных парадигмах, разработанных для выбора желаемого терапевтического эффекта. Калкитоксин был первоначально выделен из Lyngbya majuscula в качестве попытки собрать новые молекулы для тестирования в качестве противоопухолевых или противогрибковых агентов. [4] В одном из первых тестов на селективную цитотоксичность калкитоксина к опухолям использовался 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 либо нетвердых опухолевых клеток, таких как клетки лейкемии, либо нормальные клетки. Этот тест дал многообещающие результаты, поскольку калкитоксин 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 комплекса 1 митохондриальной цепи переноса электронов . [2] Это вызывает ингибирование индуцированной гипоксией активации HIF-1 , которая имеет решающее значение при раке солидных опухолей, поскольку гипоксия стимулирует ангиогенез опухоли , что приводит к ухудшению стадий заболевания и повышению устойчивости к лечению. HIF-1 представляет собой фактор транскрипции, который индуцирует экспрессию генов, способствующих доступности кислорода и уменьшающих потребление кислорода, действие которых противодействует клеточной гипоксии . [16]Следовательно, ингибирующая способность калькитоксина HIF-1 позиционирует его как потенциально многообещающую молекулу для противодействия прогрессированию некоторых видов солидного рака путем блокирования пролиферативного ответа опухоли на гипоксию. Предостережение к многообещающим антипролиферативным свойствам калкитоксина связано с его нейротоксическим действием. В концентрациях, сравнимых с теми, которые необходимы для избирательной цитотоксичности опухоли, калкитоксин вызывает гибель клеток при нанесении на нейроны гранул мозжечка (CGN) крысы в культуре. [2] Калкитоксин действует как агонист рецептора N-метил-D-аспартата (NMDA) и индуцирует цитотоксичность в культивируемых CGN крыс в отсроченные моменты времени. [1] Следовательно, этот эффект необходимо учитывать при рассмотрении возможности использования калкитоксина или его химических производных в качестве терапевтического средства.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч 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. DOI : 10.1016 / s0041-0101 (99) 00108-7 . PMID  10482399 .
  2. ^ Б с д е е г ч 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. DOI : 10.3390 / md13031552 . PMC 4377999 . PMID 25803180 .  
  3. ^ Nogle и Gerwick (2003). «Разнообразные вторичные метаболиты из пуэрториканской коллекции Lyngbya Majuscula». Журнал натуральных продуктов . 66 (2): 217–20. DOI : 10.1021 / np020332c . PMID 12608852 . 
  4. ^ Б с д е е Wu, M. (1997). Новые биоактивные вторичные метаболиты морской цианобактерии Lyngbya majuscule, Диссертация (MS) . Государственный университет Орегона - через https://www.researchgate.net/publication/33818310_Novel_bioactive_secondary_metabolites_from_the_marine_cyanobacterium_Lyngbya_majuscula .
  5. ^ Королевское химическое общество 2015. «ChemSpider Kalkitoxin» .
  6. ^ a b c d e f g h i j Wu; и другие. (2000). «Структура, синтез и биологические свойства калкитоксина, нового нейротоксина из морской цианобактерии Lyngbya majuscule». Журнал Американского химического общества . 122 (48): 12041–12042. DOI : 10.1021 / ja005526y .
  7. ^ Б с д е е г ч я Умезава; и другие. (2011). «Синтез и биологическая активность калкитоксина и его аналогов». Журнал органической химии . 77 (1): 357–70. DOI : 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. (1990-06-01). «Связь структура-активность лиссоклинамидов: цитотоксические циклические пептиды из асцидии Lissoclinum patella». Журнал медицинской химии . 33 (6): 1634–1638. DOI : 10.1021 / jm00168a016 . PMID 2342056 . 
  9. ^ a b 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. DOI : 10.1039 / B404205K . PMID 15254638 . 
  10. ^ a b c d Уайт, Джеймс Д.; Ли, Чанг-Сун; Сюй, Цин (2003). «Полный синтез (+) - калькитоксина». Химические коммуникации . 0 (16): 2012–2013. DOI : 10.1039 / B306124H .
  11. ^ Бернс; и другие. (2014). «Высокоточный синтез на конвейере для молекул с заданными формами» . Природа . 513 (7517): 183–188. DOI : 10,1038 / природа13711 . PMC 4167605 . PMID 25209797 .  
  12. ^ a b c Балье; и другие. (2015). «К идеальности: синтез (+) - калкитоксина и (+) - гидроксифтиоцерановой кислоты путем синтеза на конвейере». Журнал Американского химического общества . 137 (13): 4398–4403. DOI : 10.1021 / ja512875g . PMID 25625684 . 
  13. ^ Б с д е е г ч LePage; и другие. (2005). «Нейротоксический липопептид калкитоксин взаимодействует с чувствительными к напряжению натриевыми каналами в нейронах гранул мозжечка». Письма токсикологии . 158 (2): 133–9. DOI : 10.1016 / j.toxlet.2005.03.007 . PMID 16039402 . 
  14. Перейти ↑ Sarma, TA (2012). Справочник по цианобактериям . CRC Press. п. 539. ISBN. 9781578088003.
  15. ^ де Боно; и другие. (2003). «Будущее цитотоксической терапии: селективная цитотоксичность, основанная на биологии, является ключевым моментом» . Исследование рака груди . 5 (3): 154–9. DOI : 10.1186 / bcr597 . PMC 165009 . PMID 12793897 .  
  16. ^ Semenza, GL Чувствительность к кислороду, факторы, вызывающие гипоксию, и патофизиология заболеваний. Анну. Преподобный Патол. 2014, 9, 47–71.