Projekt - Praktyczna Szkoła Modelowania Molekularnego II
Badanie oddziaływań wybranych interkalatorów DNA z jonami metali Mg2+, Ca2+, Zn2+ za pomocą technik NMR, IR, MS oraz metod obliczeniowych. Zastosowanie pierwszej sfery solwatacyjnej w modelu kompleksu jon:interkalator
Kierownik: Jacek Kujawski (Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu)*
Wsparcie teoretyczne: M. Doskocz (portal o modelowaniu molekularnym molnet.eu)
Realizacja:
Anna Janusz
Anna Myka
SKN Chemii Organicznej (Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu)
Wstęp:
Dane epidemiologiczne dotyczące zachorowań i zgonów z powodu nowotworów wskazują, że jest to jeden z najpoważniejszych problemów zdrowotnych we współczesnym świecie. Według statystyk prowadzonych w Polsce przez Krajową Bazę Danych Nowotworowych w 2007 roku w całej Polsce odnotowano 64595 zachorowań oraz 40612 zgonów wśród kobiet, a także 64288 zachorowań oraz 52324 zgonów wśród mężczyzn spowodowanych przez choroby nowotworowe.1 Choroby nowotworowe zaraz po chorobach układu krążenia są najczęstszą przyczyną zgonów ludzi. Z tego względu walka z chorobami nowotworowymi stanowi duże wyzwanie dla współczesnej medycyny i polityki zdrowotnej państwa. Jednym z ważniejszych kierunków działania na tej płaszczyźnie są poszukiwania nowych środków leczniczych, w zamierzeniu pozwalające na skuteczniejszą terapię, szczególnie w przypadku pojawienia się odporności na onkostatyki w czasie leczenia. Ponadto celem tych poszukiwań jest zmniejszenie niepożądanych działań, nierzadko w dużym stopniu utrudniających chemioterapię, w porównaniu do obecnie używanych leków. Pochodne pirazolu są rzadko spotykane w świecie naturalnym. Połączenia te są bioizosterami jednych z najważniejszych związków naturalnych, a mianowicie pirolu, pirymidyny i puryny. Z tego względu stanowią ważny kierunek poszukiwań nowych leków. Przegląd literatury wskazuje na wielokierunkowe działanie wyżej wymienionych grup związków. Wśród nich są połączenia o aktywności przeciwbakteryjnej, przeciwgrzybiczej, przeciwwirusowej, cytostatycznej, przeciwzapalnej, hipotensyjnej, przeciwdrgawkowej, przeciwdepresyjnej oraz stosowane w zaburzeniach erekcji.2,3 Oporność komórek nowotworowych zmusza naukowców do ciągłego poszukiwania nowych substancji, jak również modyfikacji już istniejących związków. Jedną ze stosowanej we współczesnej polipragmazji grup terapeutycznych są substancje interkalujące DNA.
Oddziaływanie interkalatora z DNA może mieć miejsce na jednej nici lub pomiędzy dwiema nićmi helisy, uniemożliwiając przez to oddzielenie się nici DNA, co w konsekwencji blokuje proces replikacji i transkrypcji. Proces ten uniemożliwia z kolei naprawę DNA i może prowadzić komórki do apoptozy.6 Interkalatory muszą spełniać następujące warunki:5,7,8
a) powinny zawierać w swojej strukturze sztywny, płaski, heterocykliczny lub karbocykliczny π-elektronowy układ 3-4-pierścieniowy,
b) ich wysokość maksymalnie może wynosić 0,34 nm, powierzchnia - 0,28 nm2.
Związki interkalujące DNA charakteryzują się selektywnością wiązania, bowiem wykazują preferencję do regionów DNA bogatych w guaninę i cytozynę.5,8 Interkalacja ligandu do DNA pociąga za sobą konkretne zmiany w samym DNA. Fizyczne zmiany w topologii DNA wynikają z procesu adaptacyjnego tej makromolekuły do wbudowanego interkalatora. W wyniku tego procesu struktura I i II-rzędowa struktura helisy pozostają nienaruszone. Modyfikacji ulega jedynie struktura III-rzędowa DNA poprzez jej rozciągnięcie, wydłużenie, częściowe rozwinięcie i usztywnienie.5,8 Dochodzi przy tym do zaburzenia rozpoznawania i funkcjonowania przyłączonych do DNA białek: polimeraz, czynników transkrypcji, systemów naprawy DNA, a w szczególności topoizomeraz.7 Ostatecznie interkalacja może indukować proces programowanej śmierci komórki, czyli apoptozę.
Jony metali takie jak Mg2+, Ca2+, Zn2+ są jednym z ważniejszych jonów występujące w organizmach żywych. Wchodzą one w skład niektórych tkanek np.: kości, w skład enzymów oraz uczestniczą w wielu procesach życiowych, np. jony magnezu uczestniczą w hydrolizie łańcuchów kwasów nukleinowych. Połączenie tych dwóch zagadnień pozwala na modelowanie potencjalnych oddziaływań, które występują w komórkach poddanych działaniu interkalatorów DNA.
Tematem pracy są szerokie studia eksperymentalne oraz teoretyczne na temat oddziaływań zsyntetyzowanych przez członków Studenckiego Koła Naukowego SKN Chemii Organicznej przy Katedrze i Zakładzie Chemii Organicznej Wydziału Farmaceutycznego Uniwersytetu Medycznego im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu odpowiednich skondensowanych i dimerycznych pirazolopochodnych z wybranymi jonami. W baniach teoretycznych staramy się pokazać oddziaływania pomiędzy jonami metali a interkalatorami za pomocą metod teoretycznych, budując odpowiedni model tłumaczący najlepiej ww. oddziaływania oraz sugerujący możliwe modyfikacje otrzymywanych układów jako struktur wiodących dla nowej generacji czynnych biologicznie systemów terapeutycznych.
Badania eksperymentalne NMR (Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu)
Sporządzenie roztworów: 0.30 mg/0.2dm3 wybranego interkalatora w DMSO-d6 (roztwór A) oraz 0.4 mol/dm3 Mg(NO3)2*6H2O w DMSO-d6 (roztwór B), a następnie sporządzenie mieszanin:
0.200ml A : 0.400ml DMSO-d6 (wzorzec)
0.400ml B : 0.200ml DMSO-d6 (kontrola soli Mg)
0.200ml A + 0.200ml B + 0.200ml DMSO-d6
0.200ml A + 0.400ml B
wykonania widm 1H NMR oraz dla próbek 1 i 4 widma 13C NMR w temperaturze pokojowej (ns=1k). Następnie dla próbki czwartej wykonanie widma w temperaturach 40, 60 stopni Celsjusza. Analiza wyników oraz dalsze eksperymenty NMR
MS
Wykonanie widm MS dla roztworu pirazolopochodnej ze wszystkimi jonami metali – poszukanie jonów charakterystycznych (widmo MS wysokorozdzielcze, HRMS).
Obliczenia teoretyczne
Obliczenia teoretyczne będą przeprowadzone dla dwóch związków A i B:
1. Analiza konformacyjna (naszkicowanie cząsteczki, wstępna optymalizacja metodami AM1, a następnie konstrukcja konformerów: zmiana według konta N-C-S-O, Ctol-Ctol-S-O; przypuszczalnie 9 konformerów dla struktury A oraz 12 konformerów dla B) optymalizacja B3LYP/6-31G z modelem rozpuszczalnika PCM wody.
2. Obliczenie miejsc położenia protonu (N-H) w pierścieniu, potwierdzenie założonych struktur. W tym etapie przewidywane jest użycie obliczonych konformerów oraz zmienienie ich struktury poprzez przeniesienie atomu wodoru z jednego atomu azotu na drugi. Optymalizacja i zestawienie obliczonej energii.
3. Modelowanie kompleksu jonu Mg z 4 cząsteczkami wody i związkiem A lub B. W tym etapie korzystamy z jednej struktur wytypowanej pochodnej oraz przykładamy odpowiednio fragment zhydratowanego jonu Mg. Struktura Mg(H2O)62+ oraz przykłady będą dostarczone. Obliczenie energii, zestawienie długości wiązań, energii.
4. Powtórzenie ww. etapów dla pozostałych jonów/
5. Korelacja z eksperymentem, wyciąganie wniosków, pisanie prezentacji końcowej wyników na szkole ;)
Literatura:
1. http://85.128.14.124/krn/; Krajowa Baza Danych Nowotworowych; data ostatniego logowania: grudzień 2009.
2. Patrick, G. L. An Introduction to Medicinal Chemistry, wyd. 4, Oxford University Press 2009.
3. Kujawski, J. et al. Laboratorium-Przegląd Ogólnopolski 2009, 6, 34.
4. Wermuth, G. C. (red.) The Practice of Medicinal Chemistry, wyd. 3, Academic Press 2008.
5. Leszczyński, T.; Duński, H. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej 2006, 65.
6. Mooberry, S.L. Targets and approaches for cancer drug discovery. Drug discovery handbook, Jon Wiley & Sons, Hooboken, New York, 2005.
7. Avendańo, C.; Menéndez, J. C. Medicinal Chemistry of Anticancer Agents, Elsevier 2008.
8. Martinez, R.; Chacón-Garcia, L. Curr. Med. Chem. 2005, 12, 127.
9. M. Doskocz, K. Kubas, A. Frackowiak, R. Gancarz, Ab initio and NMR studies of the effect of Mg2+, Ca2+, Zn2+, Cu2+ complexation by alizarin, Polyhedron, 2009
Reszta dostępna u Kierownika.