Кальцитоксин
| |
| Имена | |
|---|---|
| Предпочтительное название ИЮПАК
(2R ) -N - {( 3S , 5S ,6R ) -7-[(4R ) -4-этенил-4,5-дигидро-1,3-тиазол-2-ил]-3, 5,6-триметилгептил} -N ,2-диметилбутанамид | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
| ХимическийПаук | |
ПабХим CID
|
|
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
| Характеристики | |
| С 21 Ч 38 Н 2 О С | |
| Молярная масса | 366.61 g·mol −1 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Калькитоксин , токсин , полученный из цианобактерии Lyngbya majuscula , индуцирует NMDA-рецептором некроз нейронов, опосредованный , блокирует потенциал-зависимые натриевые каналы и вызывает клеточную гипоксию путем ингибирования комплекса электрон-транспортной цепи (ETC) 1.
Природные источники
[ редактировать ]Калькитоксин — ихтиотоксин , выделенный из цианобактерии Lyngbya majuscula. [ 1 ] который охватывает участки кораллового рифа. [ 2 ] Обычно образует мини-цветки. [ 2 ] и производит несколько метаболитов, таких как кальцитоксин, курацин-А и антиллатоксин . [ 1 ] Калькитоксин был обнаружен и очищен недалеко от побережья Кюрасао. [ 1 ] и Пуэрто-Рико. [ 3 ]
Структура и реакционная способность
[ редактировать ]Кальцитоксин – липопептидный токсин. [ 4 ] с молекулярной массой 366,604Да. [ 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, что приводит к тому, что кальцитоксин имеет четыре степени ненасыщенности . [ 6 ] В структуре присутствуют 5 хиральных центров , один из которых обусловлен заместителем тиазолинового кольца, а остальные четыре — метиновыми группами вдоль алифатической углеродной цепи. [ 7 ] которые представляют собой третичные атомы углерода, несущие три одинарные углеродные связи и одну водородную связь. Четыре метильные группы (каждая в метинхиральном центре), общая стереохимия структуры и N-метиловая группа способствуют токсичности кальцитоксина. [ 7 ]
Определение структуры
[ редактировать ]Структура кальцитоксина была сначала определена путем характеристики шести частичных структур, которые впоследствии были соединены для получения полной структуры. [ 4 ] Это исследование в основном проводилось с помощью различных экспериментов ЯМР . Структура (а) представляет собой втор-бутильную группу, на что указывает характерное деэкранирование ее центральной метиновой группы из-за соседнего карбонила . Структура (b) содержит эту карбонильную группу и соседний третичный метилированный атом азота, образующий третичную амидную группу. Поскольку это третичный амид, он существует в смеси цис/транс, которая лежит в основе двух конформаций кальцитоксина. Структура (c) представляет собой цепочку из двух метиленовых групп, затем метиновой группы, несущей метильную группу в сильном поле. левой группы Следующие две идентифицированные группы (d,e) являются идентичными и противоположными цепочками CH2-CH-CH3, однако метиленовые протоны испытывают большее деэкранирование из-за их близости к соседнему имину . Деэкранирование — это эффект, когда соседний электроотрицательный атом отбирает электронную плотность из данного ядра атома, вызывая увеличение химического сдвига , измеренного с помощью ЯМР.
Окончательная частичная структура состоит из тиазолинового кольца с концевым алкеновым заместителем, как определено с электронной ионизацией масс-спектрометрией (EI-MS) и 13 С ЯМР . [ 4 ] Химические сдвиги атомов углерода кольца, прилегающих к гетероатомам серы и азота, сравнивались с 13 Данные ЯМР 1С модельных соединений. Это позволило определить расположение этих гетероатомов в кольце, а затем и существование самого тиазолинового кольца. [ 8 ] После установления этих частичных структур их связность оценивалась с помощью спектроскопии HMBC . [ 4 ] метод 2D-ЯМР, который позволяет определять значения гетероядерной J-связи для несмежных атомов углерода и протонов. Это позволяет определить пространственное соотношение конкретных атомов углерода и водорода внутри структуры.
Стереохимия
[ редактировать ]Калькитоксин имеет пять хиральных центров , один из которых представляет собой углерод кольца, с которым координирован концевой алкен , а остальные четыре расположены у третичных атомов углерода вдоль алифатической цепи, происходящей от иминного азота. Общая стереохимия природного (+)-кальцитоксина равна 3R,7R,8S,10S,2'R. [ 6 ] Для этого определения, 3 Значения J CH с помощью вариации импульсного метода HSQMBC, разновидности спектроскопии HMBC и 3 J HH Значения по данным 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 при C7, C8 и C10. Поскольку C7 и C8 являются соседними стереоцентрами, эти методы позволили немедленно определить их относительную стереохимию, однако C10 отделен от C8 C9, который несет два диастереотопических протона. Это позволяет определить относительную стереохимию C8 и C10 по отношению к протонам C9 посредством [[J-связывания \ 3 J-сочетание]] для того, чтобы связать относительную стереохимию C8 с C10. Эти методы позволили получить относительную стереохимию 7R, 8S, 10S для стереоцентров алифатических цепей. [ 6 ] Стереохимию при C3 определяли с помощью анализа Марфея, в котором соединение озонировали и впоследствии гидролизовали с получением цистеиновой кислоты из тиазолинового кольца и присоединенного концевого алкена. Анализ Марфея показал, что это производное аминокислоты представляет собой L-цистеиновую кислоту, что указывает на абсолютную стереохимию R в положении C3. [ 6 ] Абсолютную стереохимию общей молекулы определяли путем синтеза возможных конфигураций уже определенных относительных хиральностей и сравнения их с природным калькитоксином с помощью 13 ЯМР 1С Различия в сдвигах , показывающие, что стереохимия природного (+)-кальцитоксина представляет собой 3R,7R,8S,10S,2'R. [ 6 ]
Отношения структура-деятельность
[ редактировать ]Отношения структура -активность (SAR) молекулы — это связь между структурными фрагментами молекулы внутри соединения и то, как эти конкретные структуры напрямую влияют на степень и характер биологической активности . Калькитоксин проявляет сильную цитотоксичность которой зависит от полного тиазолинового кольца. , действие [ 9 ] Аналоги калькитоксина, лишенные полного тиазолинового кольца, демонстрируют примерно 1000-кратное снижение токсичности в отношении клеточных линий солидных опухолей. [ 9 ] Это указывает на то, что кольцевая структура тиазолина является важнейшим компонентом механизма цитотоксичности кальцитоксина. Необходимость стереохимии, проявляющаяся в природном (+)-кальцитоксине, уменьшается при движении к хиральным центрам в ядре молекулы, в то время как более концевые хиральные центры и амидная метильная группа становятся все более важными для токсичности. [ 7 ] В исследовании, в котором оценивалась токсичность кальцитоксина и различных аналогов в отношении артемии, аналогами, которые испытали наименее значительную потерю эффективности, были эпимеры либо на уровне C8, либо на уровне C10. [ 7 ] Это указывает на то, что хиральность C8 и C10 в природном (+)-кальцитоксине наименее критична для токсической биологической активности. Очевидно, что хиральность C10 менее критична, чем хиральность C8, поскольку эпимер (+)-кальцитоксина в положении C10 более эффективен, чем эпимер в положении C8. [ 7 ] Более того, удаление метильной группы C10 оказывает меньшее влияние на эффективность, чем эпимеризация C7, что подтверждает тенденцию снижения корреляции SAR в основных хиральных центрах алифатической цепи. [ 7 ] Эпимеризация в C3, точке присоединения концевого алкена к тиазолиновому кольцу, еще больше снижает эффективность кальцитоксина, что согласуется с тиазолиновым кольцом и общей конформацией крайнего левого сегмента молекулы, имеющей решающее значение для биологической активности. Наконец, замена третичного амида вторичным амидом устраняет любую наблюдаемую токсичность, поэтому эта структура имеет решающее значение в механизме токсичности кальцитоксина. [ 7 ]
Синтез
[ редактировать ]Ву и др. синтез
[ редактировать ]Эта попытка стала первым полным синтезом (+)-кальцитоксина и послужила цели установления специфической стереохимии природного кальцитоксина. [ 6 ] Этот синтез начался со спирта, имеющего правильную хиральность по C8 и C10, обнаруженного в (+)-кальцитоксине, и несшего диметилфенилсилокси (ДФСО) группу, расположенную бета по отношению к C8, и концевой алкен, расположенный 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 впоследствии метилируется , образуя третичный амид, который, как было показано, имеет решающее значение для токсичности кальцитоксина. [ 7 ] O-Десилилирование и окисление полученного спирта образуют акцептор для реакции Хорнера-Уодсворта-Эммонса , в которой карбонил и альфа- метилированный фосфонат реагируют с образованием алкена. бета-кетофосфонат, несущий (R) -фенилглицина группу, производную вспомогательную В этом случае к молекуле лигировали . Эта группа теряется при асимметричном конъюгатном присоединении (R)-аминоспирта, который в результате двух стадий циклодегидратации с использованием протокола взаимного превращения оксазолина-тиазолина Випфа образует тиазолиновое кольцо. [ 6 ]
Уайт и др. синтез
[ редактировать ]Второй общий синтез (+)-кальцитоксина состоял всего из 16 стадий и дал общий выход 3% . [ 10 ] Основным аспектом, которым этот метод отличается от первого полного синтеза (+)-кальцитоксина, является то, что вместо использования реакции Хорнера-Уодсворта-Эммонса для лигирования фосфоната, несущего 4-фенил-2-оксазолидинон, присоединения медьорганического конъюгата использовалась реакция . вместо этого используется. [ 10 ] Это было сделано, в частности, путем соединения медьорганических соединений с 4-фенил-2-оксазолидиноном, несущим (S)-N-транскротонильную группу , посредством 1,4- нуклеофильного присоединения к α,β-ненасыщенности кротонильной группы. Преимущество этого метода заключается в том, что он обеспечивает стереоселективность образующейся 1,3-диметиловой конфигурации при более крупном последовательном введении метильных заместителей в хиральные центры C7, C8 и C10.
Еще одним различием между этими двумя синтезами является количество атомов углерода, отделяющих кето-вспомогательную группу от хирального центра при C7. Эта группа была отделена одним углеродом от C7 при первом полном синтезе, поэтому кето-вспомогательная группа могла быть преобразована в карбоновую кислоту в ожидании присоединения аминоспирта сразу после этого. [ 6 ] В этом синтезе эта кето-вспомогательная группа непосредственно примыкает к C7, что требует гомологации одного углерода перед построением тиазолинового кольца. Это было достигнуто за счет восстановительного расщепления связи вспомогательной группы до первичного спирта и окисления до соответствующего альдегида, реакции Виттига с использованием илида, несущего метоксигруппу, для получения енолового эфира , гидролиза до альдегида и, наконец, окисления с образованием карбоновой кислоты. [ 10 ]
Балье и др. синтез
[ редактировать ]Этот синтез отличается тем, что он использует подход синтеза « сборочного конвейера », в отличие от обычного итеративного синтетического подхода, использованного в предыдущих синтезах, который обычно требует взаимопревращений функциональных групп и повторяющихся очисток для удлинения алифатических цепей, таких как тот, который обнаружен в кальцитоксине. . Этот новый подход достигается за счет использования контролируемого реагентом удлинения цепи сложного эфира бороновой кислоты. [ 11 ] который основан на спонтанной 1,2-миграции после образования промежуточного соединения, включающего недавно добавленный литированный строительный блок сложного эфира бензоата . [ 12 ]
Это позволяет контролировать хиральность при каждом добавлении, выбирая хиральность каждого добавленного эфира бензойной кислоты. Кроме того, это позволяет избежать повторяющихся стадий взаимного превращения и очистки, обычно необходимых для удлинения повторяющихся цепей, что увеличивает выход и эффективность и снижает трудозатраты. В этом синтезе была использована эта методика путем получения основной алифатической цепи в виде одного большого фрагмента и соединения этого фрагмента с хиральной втор-бутильной группой, несущей карбоновую кислоту. [ 12 ] Противоположный аминотиоэфирный фрагмент синтезировали отдельно, а затем присоединяли и впоследствии циклизовали по методике, разработанной White et al. [ 10 ] Всего для этого синтеза требуется всего 7 шагов, если исходную серию омологации считать за один шаг. [ 12 ]
Опубликовано в журнале Nature: Бернс М., Эссафи С., Бэйм Дж. и др. Конвейерный синтез органических молекул индивидуальной формы. Природа 513, 183–188 (2014). https://doi.org/10.1038/nature13711
Цели
[ редактировать ]Калькитоксин может активировать рецептор NMDA . [ 1 ] Он также блокирует потенциалзависимый натриевый канал. [ 13 ] и комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТС) 1. [ 13 ] Остается неизвестным, как именно кальцитоксин связывается с потенциалзависимым натриевым каналом. Сайты нейротоксина 1 и 2 были исключены как возможные сайты связывания, тогда как сайт нейротоксина 7 предполагается как сайт связывания кальцитоксина. [ 4 ] Это вполне вероятно, поскольку в присутствии дельтаметрина, обладающего положительными аллостерическими эффектами, происходит ингибирование канала калькитоксином. [ 13 ] Это может быть связано с тем, что молекулярные детерминанты связывания кальцитоксина и дельтаметрина схожи. [ 13 ]
Способ действия
[ редактировать ]
Калькитоксин вызывает замедленный некроз нейронов в зернистых клетках мозжечка крыс. [ 1 ] Оказалось, что этот некроз нейронов опосредован NMDA-рецептором . [ 1 ] Эти рецепторы обычно активируются глутаматом и другими эксайтотоксичными соединениями и могут вызывать некроз нейронов. [ 1 ] Пока неизвестно, вызывает ли токсин некроз напрямую или через высвобождение эксайтотоксичных соединений. [ 1 ]
Во-вторых, кальцитоксин блокирует потенциалзависимые натриевые каналы , тем самым ингибируя Ca. 2+ высвобождение, которое обычно происходит при активации потенциалзависимого натриевого канала, в зависимости от концентрации. [ 13 ] Было показано, что высвобождение кальция индуцирует выработку лактатдегидрогеназы (ЛДГ). [ 13 ] Количество ЛДГ является мерой гибели нейронов. [ 13 ] В присутствии кальцитоксина также происходит зависимое от концентрации ингибирование гибели нейронов и продукции ЛДГ (9). Механизм этого ингибирования до сих пор неизвестен. [ 13 ]
В-третьих, калькитоксин блокирует комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТС) 1, [ 2 ] один из белковых комплексов, участвующих в дыхании митохондрий. [ 2 ] Блокируя комплекс ETC 1, кальцитоксин мощно ингибирует активацию индуцируемого гипоксией фактора -1 (HIF-1). [ 2 ] HIF-1 представляет собой 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 кальцитоксина, вызывает клеточную гипоксию.
Токсичность
[ редактировать ]Калькитоксин ихтиотоксичен для золотых рыбок ( Carassius auratus , LC 50 : 700 нМ) и водных ракообразных артемий ( Artemia salina , LC 50 : 150-180 нМ). [ 7 ] ). [ 14 ] Также было показано, что калькитоксин оказывает отсроченное нейротоксическое действие на гранулярные клетки мозжечка крыс (LC 50 : 3,86 нМ). [ 2 ]
Терапевтические исследования
[ редактировать ]Многие усилия по поиску лекарств для лечения рака сосредоточены на скрининге новых биомолекул, полученных 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 отбора желаемого терапевтического эффекта. Калькитоксин был первоначально выделен из Lyngbya majuscula в попытке собрать новые молекулы для тестирования в качестве противоопухолевых или противогрибковых средств. [ 4 ] В одном из первых тестов селективной цитотоксичности кальцитоксина в отношении опухолей использовался анализ in vitro для проверки селективности солидных опухолей ранее продемонстрированной цитотоксичности кальцитоксина в отношении линии клеток толстой кишки человека HCT-116. [ 9 ] В ходе анализа измерялась степень дифференциальной цитотоксичности кальцитоксина и различных аналогичных структур путем наблюдения дифференциальной цитотоксичности в отношении клеток солидной опухоли, а также клеток несолидной опухоли, таких как клетки лейкемии , или нормальных клеток. Этот тест дал многообещающие результаты, поскольку кальцитоксин проявлял преимущественную цитотоксичность для условий тестирования клеток солидной опухоли (клетки Colon 38 и HCT-116) по сравнению с несолидной опухолью и нормальными клетками. [ 9 ]
Калькитоксин оказывает этот цитотоксический эффект посредством ингибирования комплекса митохондриальной цепи переноса электронов 1 . [ 2 ] Это вызывает ингибирование гипоксией индуцированной активации HIF-1 , что 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 снижению его потребления, эффект которого противодействует клеточной гипоксии . [ 16 ] Таким образом, способность калькитоксина ингибировать HIF-1 позиционирует его как потенциально многообещающую молекулу для противодействия прогрессированию некоторых видов солидного рака путем блокирования пролиферативного ответа опухоли на гипоксию. Предостережением к многообещающим антипролиферативным свойствам калькитоксина является его нейротоксический эффект. В концентрациях, сравнимых с концентрациями, необходимыми для опухолеселективной цитотоксичности, калькитоксин индуцирует гибель клеток при нанесении на гранулярные нейроны мозжечка крысы (CGN) в культуре. [ 2 ] Калькитоксин действует как N-метил-D-аспартата (NMDA) рецептора агонист и индуцирует цитотоксичность в культивируемых крысиных CGN в отсроченные моменты времени. [ 1 ] Следовательно, этот эффект необходимо учитывать при рассмотрении возможности использования кальцитоксина или его химических производных в качестве терапевтического варианта.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Берман; и др. (1999). «Антиллатоксин и кальцитоксин, ихтиотоксины из тропической цианобактерии Lyngbya majuscula, вызывают различные временные закономерности нейротоксичности, опосредованной рецептором NMDA». Токсикон . 37 (11): 1645–8. дои : 10.1016/s0041-0101(99)00108-7 . ПМИД 10482399 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Морган; и др. (2015). «Калькитоксин ингибирует ангиогенез, нарушает клеточную гипоксическую передачу сигналов и блокирует митохондриальный транспорт электронов в опухолевых клетках» . Морские наркотики . 13 (3): 1552–1568. дои : 10.3390/md13031552 . ПМЦ 4377999 . ПМИД 25803180 .
- ^ Ногл и Гервик (2003). «Разнообразные вторичные метаболиты из пуэрто-риканской коллекции Lyngbya Majuscula». Журнал натуральных продуктов . 66 (2): 217–20. дои : 10.1021/np020332c . ПМИД 12608852 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Ву, М. (1997). Новые биоактивные вторичные метаболиты морской цианобактерии Lyngbya majuscule, Диссертация (MS) . Государственный университет Орегона.
- ^ Королевское химическое общество 2015. «Калькитоксин ChemSpider» .
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Ву; и др. (2000). «Структура, синтез и биологические свойства калькитоксина, нового нейротоксина из морской цианобактерии Lyngbya majuscule». Журнал Американского химического общества . 122 (48): 12041–12042. дои : 10.1021/ja005526y .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Умедзава; и др. (2011). «Синтез и биологическая активность калькитоксина и его аналогов». Журнал органической химии . 77 (1): 357–70. дои : 10.1021/jo201951s . ПМИД 22111947 .
- ^ Хокинс, Клиффорд Дж.; Лавин, Мартин Ф.; МаршаллКарен А., Карен А.; Ван ден Бренк, Анна Л.; Уоттерс, Дайан Дж. (1 июня 1990 г.). «Взаимосвязь структура-активность лиссоклинамидов: цитотоксические циклические пептиды из асцидии Lissoclinum patella». Журнал медицинской химии . 33 (6): 1634–1638. дои : 10.1021/jm00168a016 . ПМИД 2342056 .
- ^ Jump up to: а б с д Уайт, Джеймс Д.; Сюй, Цин; Ли, Чанг-Сун; Валериоте, Фредерик А. (2004). «Полный синтез и биологическая оценка (+)-кальцитоксина, цитотоксического метаболита цианобактерии Lyngbya majuscula». Органическая и биомолекулярная химия . 2 (14): 2092–2102. дои : 10.1039/B404205K . ПМИД 15254638 .
- ^ Jump up to: а б с д Уайт, Джеймс Д.; Ли, Чанг-Сун; Сюй, Цин (2003). «Тотальный синтез (+)-кальцитоксина». Химические коммуникации (16): 2012–2013 гг. дои : 10.1039/B306124H . ПМИД 12934887 .
- ^ Бернс; и др. (2014). «Высокоточная сборочная линия синтеза молекул заданной формы» . Природа . 513 (7517): 183–188. дои : 10.1038/nature13711 . ПМК 4167605 . ПМИД 25209797 .
- ^ Jump up to: а б с Балье; и др. (2015). «На пути к идеальности: синтез (+)-калькитоксина и (+)-гидроксифтиоцерановой кислоты методом конвейерного синтеза». Журнал Американского химического общества . 137 (13): 4398–4403. дои : 10.1021/ja512875g . ПМИД 25625684 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час ЛеПейдж; и др. (2005). «Нейротоксический липопептид калькитоксин взаимодействует с потенциал-чувствительными натриевыми каналами в нейронах-зеренах мозжечка». Письма по токсикологии . 158 (2): 133–9. дои : 10.1016/j.toxlet.2005.03.007 . ПМИД 16039402 .
- ^ Сарма, Т.А. (2012). Справочник цианобактерий . ЦРК Пресс. п. 539. ИСБН 9781578088003 .
- ^ де Боно; и др. (2003). «Будущее цитотоксической терапии: ключ к успеху – селективная цитотоксичность, основанная на биологии» . Исследование рака молочной железы . 5 (3): 154–9. дои : 10.1186/bcr597 . ПМК 165009 . ПМИД 12793897 .
- ^ Семенза, Г.Л. Датчик кислорода, факторы, индуцированные гипоксией, и патофизиология заболеваний. Анну. Преподобный Патол. 2014, 9, 47–71.
