Balanol - Balanol - Wikipedia

Balanol
Balanol.svg
Identifikátory
Číslo CAS
PubChem CID
IUPHAR / BPS
DrugBank
ChemSpider
Chemické a fyzikální údaje
VzorecC28H26N2Ó10
Molární hmotnost550.520 g · mol−1
 ☒NšekY (co to je?)  (ověřit)

Balanol je houba metabolit produkovaný houbou Verticillium balanoides.[1] Je to silný inhibitor serin / threonin kináz protein kináza A (PKA) a protein kináza C. (PKC), vazba podobným způsobem jako vazba ATP.[2] Balanol byl objeven v roce 1993 při hledání nových inhibitorů PKC, člena rodiny serin / threoninových kináz, jejichž nadměrná aktivace je spojena s mnoha lidskými chorobami signální transdukce včetně rakoviny. Velká část výzkumu balanolu se však zaměřuje na to, jak chemické modifikace molekulární struktury ovlivňují vazbu na PKA.[3] Ve skutečnosti se balanol, jeho chemicky pozměněné analogy a zejména jejich interakce s PKA používají k osvětlení rolí selektivity a flexibility proteinů při inhibici kináz. Například rentgenová krystalová struktura balanolu v komplexu s PKA byla použita za účelem propůjčení selektivity a zlepšení farmakologické účinnosti inhibitorů H. sapiens Akt (PKB ), další serin / threoninová protein kináza podílející se na správném fungování mnoha buněčných procesů.[4]

Struktura

Chemická struktura byla původně charakterizována kombinací IR spektroskopie, vodík-1 NMR, uhlík-13 NMR, a 2D NMR spektrální data a krystalová struktura balanolu v komplexu s PKA byla vyřešena v roce 1999.[5] Molekula balanolu se skládá ze tří oblastí: a benzofenon, hexahydroazepan a 4-hydroxy benzoyl skupina. Benzofenonové a hexahydroazepanové skupiny jsou spojeny pomocí esterové vazby a azepanové a benzoylové skupiny jsou připojeny přes amidovou vazbu.[6] Dále je balanol někdy označován jako ophiocordin, antifungální látka produkovaná houbou Cordyceps ophioglossoides jehož struktura je regioizometrická ke struktuře balanolu; to znamená, že v opiokordinu je benzofenon místo toho vázán na hexahydroazepan prostřednictvím amidu; 4-hydroxybenzoylová skupina a hexahydroazepan jsou spojeny esterovou vazbou.[7]

Balanol je kongener ATP, se zřetelnými oblastmi své molekulární struktury schopnými tvořit vazby jako adeninový kruh, ribóza a fosfátové skupiny molekuly ATP. Konkrétně 4-hydroxybenzamidová část balanolu včetně amidového linkeru odpovídá adeninu ATP, hexahydroazepanové části ribosové oblasti a benzofenonovým kruhům s ATP trifosfáty.[5]

Bylo studováno mnoho kongenerů balanolu za účelem studia vlivu chemických modifikací na vazbu a specificitu kinázy. Například modifikace benzofenonových kruhů, analogů fosfátových skupin ATP, produkují neobvykle silné a specifické inhibitory proteinkinázy.[6] Navíc mnoho z těchto balanolových kongenerů vykazuje podstatnou specificitu vůči PKA oproti PKC. Například eliminace hydroxylové skupiny z benzofenonového kruhu (produkující 10 "-deoxybalanol) vyvolává selektivitu o dva řády vyšší pro PKA oproti PKC.[8] Bylo také prokázáno, že silná inhibiční aktivita závisí na karboxylové kyselině benzofenonového kruhu a přítomnosti pětičlenného nebo sedmičlenného azepanového kruhu.[3]

Pružná struktura Balanolu také hraje důležitou roli v jeho selektivitě. Konkrétně je distální benzofenonový kruh balanolu schopný rotace. Ve skutečnosti bylo v komplexu s PKA pozorováno, že balanolův distální benzofenonový kruh je téměř kolmý na sousední kruh.[5] Tato flexibilita by mohla umožnit balanolu přizpůsobit se mnoha proteinovým mikroprostředím, aby uplatnil své inhibiční vlastnosti na různé proteinové kinázy. Balanolova selektivita pro některé kinázy a pro jiné zase nemohla představovat různé stupně flexibility umožněné katalytickými vazebnými místy těchto kináz ATP.[6]

Biologické aktivity

Balanol je jedním z nejúčinnějších, přirozeně se vyskytujících inhibitorů proteinových kináz PKC a PKA.[5] Původně bylo zjištěno, že balanol inhibuje PKC a mnoho jeho izoforem u lidí (α, β-Ι, β-ΙΙ, γ, δ, ε, η) s profilem inhibice podobným jako u staurosporin.[1]

Balanol zabraňuje fungování vazbou kompetitivně na katalytickou doménu PKC a PKA s afinitou (K.i ≥ 4 nM) o tři řády větší než u ATP.[6] Bez vazby na ATP nejsou tyto kinázy schopné katalyzovat přenos γ-fosfátu z ATP na cílový substrát kinázy, a proto je bráněno fungování.

Vazba

Navázaný balanol sahá 17,2 Å z atomu hydroxylového kyslíku jeho 4-hydroxybenzamidu do nejvzdálenějšího atomu karboxylového kyslíku jeho benzofenonové skupiny, zapadá mezi velký a malý katalytický lalok PKA a sahá od vnitřního okraje k vnějšímu ústí aktivního - štěpení enzymu vázající ATP. Rozštěp štěrbiny bohaté na glycin a malý lalok umožňují těsné navázání.[5]

Každá podstránka kapsy vázající ATP v PKA je obsazena substituentem molekuly balanolu, jak bylo pozorováno ve studiích rekombinantní myší katalytické podjednotky PKA.[5] Adeninová podstránka PKA má hydrofobní složky a má potenciál darovat a přijímat elektrony za účelem vytvoření vodíkových vazeb s jedním nebo dvěma rovinnými cyklickými kruhy. Konkrétně dusík hlavního řetězce Val123 a karbonylový atom kyslíku Glu121 mohou tvořit vodíkové vazby s balanolovou jedinou hydroxylovou skupinou 4-hydroxybenzoylové skupiny. V molekule ATP přijímá atom vodíku amidu Val123 elektrony z atomu N1 purinového kruhu ATP, zatímco atom karbonylového kyslíku v páteři Glu121 daruje elektrony atomu N6 purinového kruhu. Mimetika ATP, jako je balanol, může být zakotvena v kapse vázající hydrofobní adenin, protože jejich planární substituenty mohou vytvářet příznivé nepolární interakce. Podřízený web ribózy je obsazen balanolovým axepanovým prstencem. Konkrétně atom N1 azepanového kruhu vodíkové vazby s hlavním atomem uhlíku v kyslíku Glu170 katalytické smyčky. Atomy v azepanovém kruhu mohou také vytvářet příznivé nepolární kontakty se zbytky Gly50, Flu127 a Glu170. I když se také vyskytují další interakce, většina polárních a nepolárních interakcí zahrnuje benzofenonový substituent balanolu, který interaguje se zbytky obsahujícími podřízenou stránku vázající fosfáty. Například balanolův benzofenonový kruh interaguje s mnoha vysoce konzervovanými zbytky v PKA, jako je Gly52, Phe54, Asp184, mimo jiné kromě různých nekonzervovaných zbytků, jako jsou Leu74 a Gln84. Většina konzervovaných zbytků v PKA interaguje s ATP, zatímco k interakcím ATP s nekonzervovanými zbytky nedochází.[5]

Šest uspořádaných molekul vody také hraje klíčovou roli ve vazbě balanolu na PKA. Několik zbytků PKA, jako je Leu49 a Tyr330 vodíková vazba s konzervovanými molekulami vody. Tyto molekuly vody také zprostředkovávají interakce mezi balanolem a zbytky katalytické štěrbiny PKA; například dvě molekuly vody tvoří můstek, který umožňuje interakci atomu N1 ’balanolu s hydroxylovou skupinou Tyr330.[5]

Těsná interakce balanolu s ATP-vazebným místem, která vede k potenciálu balanolu jako inhibitoru, však není způsobena vodíkovou vazbou, ale spíše převládajícími nepolárními interakcemi, které molekula vytváří. Například benzofenonové kruhy balanolu jsou umístěny vedle smyčky bohaté na glycin a dále od polárnější katalytické smyčky. Ve srovnání s trifosfáty ATP indukuje ubytování balanolových benzofenonových kruhů přeskupení katalytických postranních řetězců Phe54 a Ser53, což umožňuje příznivé polární a nepolární interakce a pravděpodobně přispívá k silnému inhibičnímu účinku balanolu na tyto kinázy.[5]

Působení proti jiným proteinovým kinázám

Jelikož balanol působí specificky na vazebné místo ATP v katalytickém jádru PKA a PKC, původně se předpokládalo, že balanol může inhibovat všechny serin / threonin kinázy sdílející konzervované vazebné místo ATP. Balanol však neinhibuje rovnoměrně všechny serin / threonin kinázy. Afinita k balanolu se velmi liší (K.i = 1,6–742 nM), přičemž několik členů rodiny serinových / threoninových proteinových kináz není vůbec ovlivněno, přestože afinita těchto kináz k ATP se mění jen velmi málo (13–60 μM).[6] Balanol vykazuje nejsilnější inhibiční účinek (K.i = 1,6–6,4 nM) na cGMP-dependentní protein kinázu (PKG ), PKA a PKC, včetně izoforem.[6] Má mnohem menší účinek (K.i = 30 - 742 nM), pokud existují, na Ca2+-kalmodulinem regulované kinázy, mitogen-aktivující protein kináza (MAPK / Erk1) a určité cyklin-dependentní kinázy.[6] Dále balanol neinhibuje dvě tyrosinproteinkinázy, SC kinázu, ani kinázu receptoru pro epidermální růstový faktor.[2]

Reference

  1. ^ A b Kulanthaivel P, Hallock YF, Boros C, Hamilton SM, Janzen WP, Ballas LM, Loomis CR, Jiang JB, Katz B (1993). „Balanol: Nový a silný inhibitor proteinkinázy C z houby Verticillium balanoides“. J. Am. Chem. Soc. 115 (14): 6452–6453. doi:10.1021 / ja00067a087.
  2. ^ A b Koide K, Bunnage ME, Gomez Paloma L, Kanter JR, Taylor SS, Brunton LL, Nicolaou KC (září 1995). „Molekulární design a biologická aktivita silných a selektivních inhibitorů proteinových kináz souvisejících s balanolem“. Chemie a biologie. 2 (9): 601–8. doi:10.1016/1074-5521(95)90124-8. PMID  9383464.
  3. ^ A b Pande V, Ramos MJ, Gago F (srpen 2008). „Inhibitor proteinkinázy balanol: vztahy mezi strukturou a aktivitou a výpočetní studie založené na struktuře“. Protirakovinové látky v léčivé chemii. 8 (6): 638–45. doi:10.2174/187152008785133056. PMID  18690827.
  4. ^ Gassel M, Breitenlechner CB, Rüger P, Jucknischke U, Schneider T, Huber R a kol. (Červen 2003). „Mutanti proteinové kinázy A, které napodobují ATP-vazebné místo proteinové kinázy B (AKT)“. Journal of Molecular Biology. 329 (5): 1021–34. doi:10.1016 / S0022-2836 (03) 00518-7. PMID  12798691.
  5. ^ A b C d E F G h i Narayana N, Diller TC, Koide K, Bunnage ME, Nicolaou KC, Brunton LL a kol. (Únor 1999). „Krystalová struktura účinného inhibitoru přírodního produktu balanolu v komplexu s katalytickou podjednotkou cAMP-dependentní protein kinázy“. Biochemie. 38 (8): 2367–76. doi:10.1021 / bi9820659. PMID  10029530.
  6. ^ A b C d E F G Setyawan J, Koide K, Diller TC, Bunnage ME, Taylor SS, Nicolaou KC, Brunton LL (srpen 1999). "Inhibice proteinových kináz balanolem: specificita v podrodině serin / threonin protein kinázy". Molekulární farmakologie. 56 (2): 370–6. doi:10,1124 / mol. 56.2.370. PMID  10419556.
  7. ^ Saha T, Maitra R, Chattopadhyay SK (prosinec 2013). „Jednotný přístup k důležitému inhibitoru proteinkinázy balanol a navrhovaný analog“. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 9: 2910–5. doi:10,3762 / bjoc. 9,327. PMC  3896276. PMID  24454570.
  8. ^ Gustafsson AB, Brunton LL (srpen 1999). „Diferenciální a selektivní inhibice proteinkinázy A a proteinkinázy C v intaktních buňkách balanolovými kongenery“. Molekulární farmakologie. 56 (2): 377–82. doi:10,1124 / mol. 56.2.377. PMID  10419557.