Usztywnianie peptydów
Usztywnianie peptydów[potrzebny przypis] – strategia chemiczna polegająca na wymuszeniu określonej konformacji peptydu (najczęściej helisy α) poprzez wprowadzenie mostków, tzw. zszywek, wiążących kowalencyjnie określone reszty aminokwasowe[1]. Zszywka jest tworzona przez makrocykliczne połączenie pomiędzy dwoma łańcuchami bocznymi aminokwasów. Peptydy z wieloma zszywkami są określane jako peptydy usztywnione[2][3]. Usztywnianie peptydów jest w szczególności stosowane w celu zwiększenia farmakologicznego działania peptydów[3].
Cel usztywniania peptydów
edytujKrótkie peptydy ze względu na labilność konformacyjną, a także podatność na degradację enzymatyczną mają ograniczone zastosowanie jako potencjalne farmaceutyki. Wykorzystanie peptydów jako potencjalnych środków terapeutycznych utrudniają takie kwestie jak[3]:
- podatność na degradację proteolityczną
- słabe powinowactwo wiązania
- nieefektywna penetracja komórkowa.
Większość z tych problemów wynika z wysokiej niestabilności konformacyjnej peptydów, co czyni wiązanie amidowe podatnym na atak proteolityczny[3]. Obiecującą tendencją peptydów α-helikalnych jest uleganie nukleacji konformacyjnej. Ta właściwość rozpoznana po raz pierwszy przez Isabellę Karle dowodzi, że stabilizacja konformacyjna wprowadzona w jednym miejscu może migrować na pewną odległość wzdłuż łańcucha polipeptydowego, być może stabilizując całą strukturę[4]
Naturalne peptydy α-helikalne są dobrymi związkami wyjściowymi do projektowania terapeutycznych mimetyków syntetycznych. Krótkie peptydy (do 10 reszt aminokwasowych), będące fragmentami natywnych białek, po „wycięciu” z cząsteczki białka zazwyczaj nie zachowują swojej pierwotnej konformacji i zdolności do wiązania do innych białek. Peptydy takie są też podatne na degradację proteolityczną i nie mają zdolności przenikania przez błonę komórkową[1].
Usztywnienie konformacji peptydów ma na celu ustabilizowanie naturalnej struktury helikalnej peptydu, co okazuje się mieć kilka korzystnych rezultatów[1]. Po pierwsze zwiększa odporność proteolityczną peptydu, ograniczając tym samym miejsca hydrolizy wiązania peptydowego przez enzymy z grupy proteaz. Dodatkowo dzięki wzmocnieniu strukturalnemu, które odpowiednio utrzymuje orientację oddziaływających reszt aminokwasowych, zapewniając amfipatyczny charakter cząsteczce, zwiększa się powinowactwo i ułatwia penetrację poprzez błony biologiczne. Powszechnie uważa się zatem, że strategia stabilizacji α-helisy w wyniku kowalencyjnego węglowodorowego połączenia w postaci „zszywki” przyczynia się do zwiększonej stabilności i potencjału destrukcyjnego na błony bakteryjne, co stanowi obiecującą ścieżkę badań dla opracowywania potencjalnych leków o zastosowaniu klinicznym[5]
Metody usztywniania peptydów
edytujZnanych jest wiele sposobów usztywniania peptydów, które można podzielić na jedno- i dwuskładnikowe. Wprowadzanie dodatkowych elementów strukturalnych powodujących „zamrożenie” konformacji danego peptydu prowadzić może do otrzymania związków o tych samych lub nowych właściwościach bioaktywnych[1].
Metody jednoskładnikowe
edytujSą to bezpośrednie reakcje pomiędzy resztami dwóch aminokwasów z dodatkowymi grupami funkcyjnymi w łańcuchu bocznym. Długość, struktura i chemiczna funkcjonalność uzyskanego usztywnionego połączenia jest określana przez wybór aminokwasów podczas syntezy peptydu[1].
Techniki[1]:
- laktamizacja – cyklizacja przez wytworzenie laktamu.
- cykloaddycja typu „click”
- odwracalne wytworzeniem wiązań oksymowych
Metody dwuskładnikowe
edytujW podejściu tym wykorzystywany jest bifunkcyjny związek łączący, który tworzy mostek poprzez reakcję z dwoma komplementarnymi nienatywnymi resztami aminokwasowymi w peptydzie. W metodzie z bifunkcyjnym łącznikiem może być generowanych więcej produktów ubocznych, zatem właściwe produkty zwykle otrzymuje się z niskimi wydajnościami[1].
Techniki[1]:
- węglowodorowego "zszywania" w wyniku reakcji metatezy
- wykorzystanie oddziaływań hydrofobowych
- wytworzenie mostków dwusiarczkowych
Usztywnienie peptydu za pomocą węglowodorowej „zszywki”
edytujZszywany peptyd (ang. stapled peptide), to krótki peptyd zsyntetyzowany na nośniku stałym[6], posiadający w swojej strukturze syntetyczną klamrę tzw. „zszywkę”, dzięki której przyjmuje aktywną strukturę drugorzędową, zwykle α-helikalną[1]. „Zszywka” jest utworzona podczas reakcji metatezy, w wyniku kowalencyjnego wiązania dwóch łańcuchów bocznych nienaturalnych aminokwasów umiejscowionych w ściśle określonym miejscu w syntetyzowanym łańcuchu peptydowym[7].
Peptydy α-helikalne stabilizowane za pomocą węglowodorowej „zszywki” stanowią potencjalną nową klasę związków badawczych zdolnych do zakłócania wewnątrzkomórkowych interakcji białko-białko[8]. Zastosowana technologia węglowodorowego „zszywania” stanowi obiecującą ścieżkę zwiększenia farmakologicznego działania peptydów poprzez opracowanie sond chemicznych czy potencjalnych leków celowanych[2].
Wprowadzenie modyfikacji w postaci tzw. „zszywki” do peptydu wiąże się z uprzednim umiejscowieniem dwóch aminokwasów o niebiałkowym charakterze zawierających olefinowy łańcuch boczny[2]. Reszty biorące udział w węglowodorowym procesie zszywania powinny znajdować się w odpowiedniej odległości od siebie. Zwykle umieszczone są w pozycji i oraz i + 4 lub i + 7 w łańcuchu peptydowym. W przypadku „zszywania” typu i, i + 4, stosuje się łańcuchy 7-8 atomowe, natomiast dla „zszywania” typu i, i + 7 od 10 do 12 atomów węgla w alkenowym łańcuchu wprowadzonego aminokwasu[9]. Ponadto podczas procesu modyfikacji struktury peptydu zaleca się umieszczenie klamry pomiędzy hydrolifowymi i hydrofobowymi ścianami przyszłej helisy, tak aby nie zakłócać jej amfipatycznego charakteru[10]. Nie należy również wpływać znacząco na sumaryczny ładunek natywnego peptydu oraz jego aktywność[9].
Ostatecznie kowalencyjne związanie reszt olefinowych w tzw. „zszywkę” następuje w wyniku reakcji metatezy z zamknięciem pierścienia (RCM, z ang. Ring-Closing Metathesis) za pośrednictwem katalizatora rutenowego. Reakcja ma miejsce podczas syntezy peptydu na podłożu stałym[6]. W 2000 roku Gregory Verdine i współpracownicy opisali pierwszą syntezę całkowicie węglowodorowego usieciowania w celu stabilizacji α-helisy peptydu[11].
Przypisy
edytuj- ↑ a b c d e f g h i Yu Heng Lau i inni, Peptide stapling techniques based on different macrocyclisation chemistries, „Chemical Society Reviews”, 44 (1), 2015, s. 91–102, DOI: 10.1039/C4CS00246F [dostęp 2022-05-05] (ang.).
- ↑ a b c Qian Chu i inni, Towards understanding cell penetration by stapled peptides, „MedChemComm”, 6 (1), 2015, s. 111–119, DOI: 10.1039/C4MD00131A [dostęp 2022-05-05] (ang.).
- ↑ a b c d Gregory L. Verdine, Gerard J. Hilinski, Stapled peptides for intracellular drug targets, „Methods in Enzymology”, 503, 2012, s. 3–33, DOI: 10.1016/B978-0-12-396962-0.00001-X, PMID: 22230563 [dostęp 2022-05-05] (ang.).
- ↑ Isabella L. Karle, Controls exerted by the Aib residue: Helix formation and helix reversal This article is a US Government work and, as such, is in the public domain in the United States of America., „Biopolymers”, 60 (5), 2001, s. 351, DOI: 10.1002/1097-0282(2001)60:5<351::AID-BIP10174>3.0.CO;2-U [dostęp 2022-05-13] (ang.).
- ↑ Siddhartha Roy i inni, Constrained α-Helical Peptides as Inhibitors of Protein-Protein and Protein-DNA Interactions, „Biomedicines”, 6 (4), 2018, s. 118, DOI: 10.3390/biomedicines6040118, ISSN 2227-9059, PMID: 30567318, PMCID: PMC6315407 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
- ↑ a b Loren D. Walensky, Gregory H. Bird, Hydrocarbon-Stapled Peptides: Principles, Practice, and Progress: Miniperspective, „Journal of Medicinal Chemistry”, 57 (15), 2014, s. 6275–6288, DOI: 10.1021/jm4011675, ISSN 0022-2623, PMID: 24601557, PMCID: PMC4136684 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
- ↑ Gregory H. Bird, W. Christian Crannell, Loren D. Walensky, Chemical Synthesis of Hydrocarbon‐Stapled Peptides for Protein Interaction Research and Therapeutic Targeting, „Current Protocols in Chemical Biology”, 3 (3), 2011, s. 99–117, DOI: 10.1002/9780470559277.ch110042, ISSN 2160-4762, PMID: 23801563, PMCID: PMC4879976 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
- ↑ Loren D. Walensky, Activation of apoptosis in vivo by a hydrocarbon-stapled BH3 Helix., 3 września 2004, OCLC 926457199 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
- ↑ a b Mattia Moiola, Misal G. Memeo, Paolo Quadrelli, Stapled Peptides—A Useful Improvement for Peptide-Based Drugs, „Molecules”, 24 (20), 2019, s. 3654, DOI: 10.3390/molecules24203654, ISSN 1420-3049, PMID: 31658723, PMCID: PMC6832507 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
- ↑ Gregory H. Bird i inni, Hydrocarbon double-stapling remedies the proteolytic instability of a lengthy peptide therapeutic, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 107 (32), 2010, s. 14093–14098, DOI: 10.1073/pnas.1002713107, PMID: 20660316, PMCID: PMC2922607 [dostęp 2022-05-15] (ang.).
- ↑ Christian E. Schafmeister, Julia Po, Gregory L. Verdine, An All-Hydrocarbon Cross-Linking System for Enhancing the Helicity and Metabolic Stability of Peptides, „Journal of the American Chemical Society”, 122 (24), 2000, s. 5891–5892, DOI: 10.1021/ja000563a, ISSN 0002-7863 [dostęp 2022-05-13] (ang.).