Помощь студентам в учебе
Исследование структурных характеристик циклоспорина D методом ЯМР высокого разрешения
|
Введение
1. Физические основы спектроскопии ЯМР 7
1.1 Явление ядерного магнитного резонанса 7
1.2 Квантованные уровни энергии ядра 7
1.3 Распределение населенностей 9
1.4 Техника проведения эксперимента ЯМР 9
1.5 Природа ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО/NOE) 12
2 Основные методы 1D и 20-спектроскопии ЯМР 17
2.1 ID-спектроскопия ЯМР 17
2.3 20-спектроскопия ЯМР 18
2.3.1 2D COSY 18
2.3.2 2D HSQC 20
2.3.3 2D TOCSY 21
2.3.4 2D NOESY 21
2.3.5 2D ROESY 22
3 Циклические пептиды 24
3.1 Циклоспорин 24
3.2 Механизм действия циклоспорина (в лечении аутоиммунных
заболеваний) 25
3.3 Роль циклических пептидов в изучении структуры биологических
объектов 26
4 Практическая часть 28
4.1 Материалы и методы 28
4.2 Объект исследования 29
4.3 Ю-спектры ЯМР 30
4.4 2Б-спектры ЯМР 33
4.5 Определение расстояний 41
5 Результаты 44
Выводы 47
Библиографический список: 49
1. Физические основы спектроскопии ЯМР 7
1.1 Явление ядерного магнитного резонанса 7
1.2 Квантованные уровни энергии ядра 7
1.3 Распределение населенностей 9
1.4 Техника проведения эксперимента ЯМР 9
1.5 Природа ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО/NOE) 12
2 Основные методы 1D и 20-спектроскопии ЯМР 17
2.1 ID-спектроскопия ЯМР 17
2.3 20-спектроскопия ЯМР 18
2.3.1 2D COSY 18
2.3.2 2D HSQC 20
2.3.3 2D TOCSY 21
2.3.4 2D NOESY 21
2.3.5 2D ROESY 22
3 Циклические пептиды 24
3.1 Циклоспорин 24
3.2 Механизм действия циклоспорина (в лечении аутоиммунных
заболеваний) 25
3.3 Роль циклических пептидов в изучении структуры биологических
объектов 26
4 Практическая часть 28
4.1 Материалы и методы 28
4.2 Объект исследования 29
4.3 Ю-спектры ЯМР 30
4.4 2Б-спектры ЯМР 33
4.5 Определение расстояний 41
5 Результаты 44
Выводы 47
Библиографический список: 49
Целевой синтез биологически активных веществ, действующих селективно, то есть веществ, не имеющих побочных эффектов, уже значительное время интересует ученых. Многие лаборатории стремятся установить связь между структурой веществ и их биологическими свойствами. Разработка лекарств требует новых знаний в области химии, биологии и медицины [1]. Сначала ученые обращали внимание только на химический состав веществ, но, в конце концов, поняли, что молекулярная конфигурация вещества также важна. Хотя Бартон [2] четко показал роль молекулярной конформации в химии и биологии, долгое время предпринимались лишь слабые попытки изучить связь между конформацией и биологической активностью [3]. Несложно понять, почему какое-то время это направление почти не развивалось. Дело в том, что конформеры в реальных системах (растворах, кристаллах) не изолированы друг от друга, то есть могут сосуществовать одновременно, что затрудняет изучение их биологической активности.
Тем не менее, вскоре стало невозможным игнорировать очевидный факт влияния на физико-химические свойства органических и биоорганических веществ не только состава, но и их пространственной структуры. От этого зависит характер внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Небольшие изменения в пространственной структуре могут существенно влиять на активность вещества, что, конечно же, открывает большие перспективы для такого современного направления, как “drug design” [1].
Интерес к циклическим пептидам в качестве основы для разработки лекарственных средств против сложных мишеней, например, для регуляции межбелковых взаимодействий, исходит из предпосылки, что большие макроциклы лучше подходят для ингибирования больших поверхностей связывания. Определение конформаций циклических пептидов может дать представление о взаимосвязи структура-активность и структура-свойство, что может помочь в разработке соединений с улучшенными характеристиками биологической активности [5].
Существует несколько типов циклоспоринов. В данной работе изучается циклоспорин D (CsD). Он имеет слабовыраженные
имунноподавляющие свойства, но, тем не менее, представляет интерес с точки зрения попытки более глубоко понять влияние изменений структуры на биологическую активность.
Исследования проводились с помощью метода спектроскопии ядерного магнитного резонанса, в том числе методами, базирующимися на эффекте Оверхаузера. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса, как правило, используется для изучения структуры органических соединений в растворах, в том числе пептидов. Различными методами ЯМР можно определить структуру молекул, анализируя информацию о межатомных расстояниях [6, 7] и об ориентации межатомных связей [8, 9, 10]. Таким образом, ЯМР является эффективным методом исследования структуры молекул. Взаимодействие, называемое ядерным эффектом Оверхаузера (ЯЭО), представляет особый интерес, так как позволяет определять межпротонные расстояния между магнитными ядрами в диапазоне до 5 А между ними [11]. В настоящее время современные методы спектроскопии ЯМР достигли столь высокого уровня, что позволяют вплотную приблизиться к детальному изучению биофизических процессов как в медицине, так и в биологии [12]; таким образом, ЯМР становится мощным инструментом в исследованиях биофизических свойств медицинских объектов, в том числе циклоспоринов.
Целью работы является получение структурных параметров для молекулы циклоспорина D.
Задачи магистерской диссертации следующие:
• Освоение техники получения спектров ЯМР высокого разрешения (как двумерных спектров, так и одномерных)
• Отнесение сигналов по одномерным и двумерным спектрам
• Определение расстояний между атомами 1H молекулы
циклоспорина D
Исследования проводились на оборудовании ФЦКП ФХИ Казанского Федерального университета (спектрометр ЯМР Bruker Avance III 700).
Тем не менее, вскоре стало невозможным игнорировать очевидный факт влияния на физико-химические свойства органических и биоорганических веществ не только состава, но и их пространственной структуры. От этого зависит характер внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Небольшие изменения в пространственной структуре могут существенно влиять на активность вещества, что, конечно же, открывает большие перспективы для такого современного направления, как “drug design” [1].
Интерес к циклическим пептидам в качестве основы для разработки лекарственных средств против сложных мишеней, например, для регуляции межбелковых взаимодействий, исходит из предпосылки, что большие макроциклы лучше подходят для ингибирования больших поверхностей связывания. Определение конформаций циклических пептидов может дать представление о взаимосвязи структура-активность и структура-свойство, что может помочь в разработке соединений с улучшенными характеристиками биологической активности [5].
Существует несколько типов циклоспоринов. В данной работе изучается циклоспорин D (CsD). Он имеет слабовыраженные
имунноподавляющие свойства, но, тем не менее, представляет интерес с точки зрения попытки более глубоко понять влияние изменений структуры на биологическую активность.
Исследования проводились с помощью метода спектроскопии ядерного магнитного резонанса, в том числе методами, базирующимися на эффекте Оверхаузера. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса, как правило, используется для изучения структуры органических соединений в растворах, в том числе пептидов. Различными методами ЯМР можно определить структуру молекул, анализируя информацию о межатомных расстояниях [6, 7] и об ориентации межатомных связей [8, 9, 10]. Таким образом, ЯМР является эффективным методом исследования структуры молекул. Взаимодействие, называемое ядерным эффектом Оверхаузера (ЯЭО), представляет особый интерес, так как позволяет определять межпротонные расстояния между магнитными ядрами в диапазоне до 5 А между ними [11]. В настоящее время современные методы спектроскопии ЯМР достигли столь высокого уровня, что позволяют вплотную приблизиться к детальному изучению биофизических процессов как в медицине, так и в биологии [12]; таким образом, ЯМР становится мощным инструментом в исследованиях биофизических свойств медицинских объектов, в том числе циклоспоринов.
Целью работы является получение структурных параметров для молекулы циклоспорина D.
Задачи магистерской диссертации следующие:
• Освоение техники получения спектров ЯМР высокого разрешения (как двумерных спектров, так и одномерных)
• Отнесение сигналов по одномерным и двумерным спектрам
• Определение расстояний между атомами 1H молекулы
циклоспорина D
Исследования проводились на оборудовании ФЦКП ФХИ Казанского Федерального университета (спектрометр ЯМР Bruker Avance III 700).
Циклоспорин D был исследован методом ЯМР спектроскопии. Поскольку молекулярная структура должна быть ключевым фактором, определяющим биологическое действие, мы стремились найти сходства или различия между молекулами циклоспоринов CsD и CsA, которые могли бы объяснить их свойства. Структуры двух пептидов различаются незначительно, и более слабое биологическое действие CsD можно отнести к потере аминокислоты Abu во 2 положении.
Другие различия, которые можно обнаружить по спектрам ЯМР, заключаются в относительной конформационной чистоте CsD в хлороформе при комнатной температуре и появлении отчетливых сигналов гидроксильных групп (в Bmt1 в CsD). Дополнительная Н-связь делает протон ОН-группы недоступным для растворителя, благодаря чему он наблюдается в спектре ЯМР; она же может стабилизировать структуру. Дополнительная жёсткость цепи, выражающаяся в отсутствии минорных конформеров, также может быть причиной сниженной биологической активности этого пептида. Необходимо учитывать, однако, что конформационная подвижность зависит не только от свойств самого соединения, но и от используемого растворителя.
Общими выводами работы является:
• Произведено сравнение спектров ЯМР циклоспоринов A и D, которое показало практически полное отсутствие минорных конформеров CsD в растворе. Структура молекулы CsD обладает большей жёсткостью.
• Замена одного участка цепи ведет к изменениям в других местах, что определяется по химическим сдвигам атомов основной цепи. Замена второго остатка влияет преимущественно на 6, 7 и 11 остатки, а также на остаток 5, соединённый водородной связью со вторым.
• Общая конфигурация цепи CsD в неполярной среде отличается от CsA в растворе незначительно, насколько можно судить по спектрам ЯМР 13C. Поэтому выяснение причин малой активности CsD требует детального исследования его пространственной структуры.
• Получены геометрические параметры молекулярной структуры
(межатомные расстояния).
Другие различия, которые можно обнаружить по спектрам ЯМР, заключаются в относительной конформационной чистоте CsD в хлороформе при комнатной температуре и появлении отчетливых сигналов гидроксильных групп (в Bmt1 в CsD). Дополнительная Н-связь делает протон ОН-группы недоступным для растворителя, благодаря чему он наблюдается в спектре ЯМР; она же может стабилизировать структуру. Дополнительная жёсткость цепи, выражающаяся в отсутствии минорных конформеров, также может быть причиной сниженной биологической активности этого пептида. Необходимо учитывать, однако, что конформационная подвижность зависит не только от свойств самого соединения, но и от используемого растворителя.
Общими выводами работы является:
• Произведено сравнение спектров ЯМР циклоспоринов A и D, которое показало практически полное отсутствие минорных конформеров CsD в растворе. Структура молекулы CsD обладает большей жёсткостью.
• Замена одного участка цепи ведет к изменениям в других местах, что определяется по химическим сдвигам атомов основной цепи. Замена второго остатка влияет преимущественно на 6, 7 и 11 остатки, а также на остаток 5, соединённый водородной связью со вторым.
• Общая конфигурация цепи CsD в неполярной среде отличается от CsA в растворе незначительно, насколько можно судить по спектрам ЯМР 13C. Поэтому выяснение причин малой активности CsD требует детального исследования его пространственной структуры.
• Получены геометрические параметры молекулярной структуры
(межатомные расстояния).