CC BY
26
ФОСФИНОВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ТРИПЕПТИДА GPE И МОДЕЛИРОВАНИЕ
ЕГО СВОЙСТВ
С.Р. Головаш1, аспирант, младший научный сотрудник
A.В. Винюков , канд. хим. наук, научный сотрудник
B.В. Рагулин1, д-р хим. наук, главный научный сотрудник 1Институт физиологически активных веществ 2Институт проблем химической физики
(Россия, г. Черноголовка)
DOI: 10.24411/2500-1000-2020-11643
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ №18-03-01123 и №18-03-00959
Аннотация. Поиск и получение новых физиологически-активных веществ для терапии нейродегенеративных нарушений является одной из самых важных задач для органической химии. Подход, основанный на замене пептидной связи в молекуле пептида структурно изостерным негидролизуемым метиленфосфорильным фрагментом, позволяет увеличить метаболическую стабильность пептидных молекул к разрушительному действию пептидаз. В настоящей работе нами была осуществлена модификация трипептида глицин-пролин-глутамат (GPE), обладающего нейропротекторными свойствами, путем замены пептидной связи C(O)NH в молекуле пептида структурно изостерным негидролизуемым метиленфосфорильным фрагментом P(O)CH2. Кроме того, посредством программ PASS и GUSAR были осуществлены прогноз и относительное сравнение биологической активности и токсичности исходного трипептида и его фосфинового аналога.
Ключевые слова: Gly-Pro-Glu, аналоги переходного состояния, фосфиновые псевдопептиды, амидоалкилирование гидрофосфорильных соединений, изостеры аминокислот и пептидов.
Введение. Исследования, проведенные в 1989 году, выявили что Gly-Pro-Glu (GPE) находится в организме как часть ин-сулиноподобного фактора роста 1 и является новым нейроактивным пептидом с мощным действием на высвобождение ацетилхолина, а также играет роль в регуляции функций мозга [1]. В этих исследованиях было обнаружено, что GPE участвует в различных процессах в центральной нервной системе. GPE был синтезирован и показал, что ингибирует связывание глу-тамата с рецептором ^метил-Б-аспартата (NMDA). Кроме того, GPE имел мощное стимулирующее действие на калий-индуцированное высвобождение ацетил-холина из срезов коры головного мозга крыс [2]. В дальнейшем было множество исследований посвященным нейропротек-торному и ноотропному действию Gly-Pro-Glu [3-9] и на данный момент GPE является одним из перспективных нейропротек-
торных агентов. В настоящей работе осуществлялась модификация трипептида GPE путем замены одной пептидной связи C(O)NH в молекуле трипептида негидро-лизуемым метиленфосфорильным фрагментом P(O)(OH)CH2. Такой подход в последние несколько лет используется в качестве основного ключа для построения фосфиновых кислых изостеров пептидов и является достаточно успешным в плане поиска лекарственных средств противовирусного, противоопухолевого характера, средств против иммунодефицита [10] и ряда других болезней [11-13]. Фосфиновые кислотные псевдо-пептиды, у которых пептидная связь заменена на негидроли-зуемый метиленфосфорильный фрагмент, являются ингибиторами процессов, происходящих с гидролитическим или ферментативным расщеплением пептидной связи, что позволяет использовать псевдопептиды как соединения-имитаторы, для
изучения и, главным образом, возможной регуляции ряда метаболически важных процессов. Эти предпосылки позволяют предполагать достаточно высокую степень сохранения свойств исходной молекулы в молекуле структурного фосфоизостера, что справедливо для какого-либо короткого пептида, свойства которого главным образом определяются конкретной аминокислотной последовательностью. Предлагаемая фосфиновая замена пептидной связи сохраняет исходную аминокислотную последовательность и увеличивает устойчивость псевдо-пептидной связи образовавшегося фосфоизостера к гидролитическому воздействию пептидаз на пути к биомишени, что и позволяет рассчитывать на повышение его эффективности в сравнении с исходной гидролитически лабильной молекулой.
Результаты. На первом этапе работы нами был осуществлен синтез фосфиново-го аналога дипептида псевдо-пролилглутамата Pro-[P(O)(OH)CH2]-Glu 1.1 [14] (рис. 1), с соответствующими защитными группами на атоме фосфора и карбоксильных концах, для дальнейшего использование в качестве ^компоненты в пептидном синтезе. Дальнейшая обработка фосфиновой кислоты 1.2 смесью адаман-тилбромида и оксида серебра в хлороформе позволили получить адамантиловый эфир фосфиновой кислоты 1.3 в соответствии с известной методологией защиты гидроксифосфорильной функции. После чего осуществлялось селективное снятие защитной группы с атома азота путем каталитического гидрирования (рис. 1).
Рис. 1. Синтез фосфинового P,С-защищенного пролилглутаматного блока
Далее нами был осуществлен успешный синтез модифицированного «псевдопептида» Gly-Pro-[P(O)(OH)CH2]-Glu (GPE(phos)) 2.1, фосфинового аналога GPE, путем присоединения N-Boc-защищенной аминокислоты глицина к фосфиновому P,С-защищенному пролилг-
лутаматному блоку Pro-[P(O)(OH)CH2]-Glu 1.1, в соответствии с известными методиками пептидного синтеза (рис. 2). Препаративная очистка и анализ осуществлялись при помощи методов высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.
(2.1)
Рис. 2. Схема синтеза фосфинового «псевдо-пептида» Gly-Pro-[P(O)(OH)CH2]-Glu
Прогноз биологических активностей исходного трипептида GPE (табл. 1) и его фосфинового аналога GPE(phos) (табл. 2) осуществлялся программой PASS ("Prediction of Activity Spectra for Substances"), разработанная в Институте биомедицинской химии им.
В.Н. Ореховича РАМН. Она содержит более 250000 веществ с известной биологи-
ческой активностью, включает более 3500 фармакологических эффектов и механизмов действия. Результаты прогноза биологической активности представлены в виде спектра биологической активности, включающих список активностей и вероятностей: Ра - «быть активным», Рi - «быть неактивным».
Таблица 1. Прогноз биологических активностей исходного трипептида GPE программой "Prediction of Activity Spectra for Substances"
O NH„
2
N
O
HN.
O
OH
O^ OH
0,905 0,004 Protein-glutamate methylesterase inhibitor
0,898 0,004 Peptidyl-dipeptidase Dcp inhibitor
0,869 0,001 X-Pro dipeptidase inhibitor
0,837 0,014 Methylenetetrahydrofolate reductase (NADPH) inhibitor
0,835 0,002 Saccharolysin inhibitor
0,819 0,005 Analeptic
0,815 0,004 Antihypoxic
0,804 0,032 Phobic disorders treatment
0,800 0,009 Protein-disulfide reductase (glutathione) inhibitor
0,774 0,004 Pyroglutamyl-peptidase II inhibitor
0,763 0,020 Glutamate-5-semialdehyde dehydrogenase inhibitor
0,756 0,007 Limulus clotting factor C inhibitor
0,752 0,007 Methylamine-glutamate N-methyltransferase inhibitor
0,728 0,003 Meprin A inhibitor
0,727 0,022 Acylcarnitine hydrolase inhibitor
0,721 0,004 Acrosin inhibitor
0,712 0,003 Catalase inhibitor
0,699 0,015 Dimethylargininase inhibitor
0,698 0,023 Fibrinolytic
0,682 0,010 Pyroglutamyl-peptidase I inhibitor
0,659 0,003 Bontoxilysin inhibitor
0,649 0,011 Renal tissue kallikrein inhibitor
0,649 0,005 Tripeptidyl-peptidase I inhibitor
0,646 0,057 Nootropic
Таблица 2. Прогноз биологических активностей фосфинового аналога GPE(phos) программой "Prediction of Activity Spectra for Substances"
HO
NH,
0,85 1 0,010 Glutamate-5-semialdehyde dehydrogenase inhibitor
0,734 0,005 Stroke treatment
0,711 0,014 Immuno stimulant
0,690 0,056 CDP-glycerol glycerophosphotransferase inhibitor
0,661 0,023 Phosphatase inhibitor
0,614 0,001 N-Acetylated alpha-linked acidic dipeptidase inhibitor
0,591 0,127 Phobic disorders treatment
0,536 0,087 Antiischemic, cerebral
0,514 0,033 Anticonvulsant
Результаты прогноза биологической активности исходного трипептида GPE и его фосфинового аналога GPE(phos), осуществленного при помощи программного пакета PASS, показал заметное изменение биологической активности при замене пептидной связи в молекуле трипептида на метиленфосфорильный фрагмент.
Также была использована программа GUSAR ("General Unrestricted Structure-Activity Relationships"), позволившая дать прогноз по острой токсичности для крыс (LD50 мг/кг) для полученного соединения GPE(phos) соединений по сравнению с исходным трипептидом GPE (табл. 3).
Таблица 3. Прогноз по острой токсичности для крыс (ЬБ50 мг/кг) для полученного со-
единения GPE(phos) соединений ^ по сравнению с исходным трипептидом GPE
ВБ LD50 (мг/кг) ВВ LD50 (мг/кг) ПО LD50 (мг/кг) ПК LD50 (мг/кг)
GPE 1340 1968 3894 1498
GPE(phos) 456 732 2233 256,6
QSAR модели были разработаны для порядка 10000 соединений, протестированных на крысах по четырем видам токсичности - пероральной (ПО), внутривенной (ВВ), внутрибрюшинной (ВБ) и подкожной (ПК). Для оценки острой токсичности для описания структур химических соединений в программе используются дескрипторы многоуровневых атомных окрестностей (MNA - Multilevel Neighborhoods of Atoms) и количественных атомных окрестностей (QNA -Quantitative Neighborhoods of Atoms). В GUSAR для построения моделей используется алгоритм самосогласованной регрессии (SCR).
Согласно классификации острой токсичности Организации экономического сотрудничества и развития (OECD) оба соединения являются нетоксичными или малотоксичными по всем способам введения (4 и 5 классы токсичности). Однако
важно отметить, что наблюдается некоторое увеличение токсичности GPE(phos) по всем способам введения.
Заключение. Таким образом основным результатом настоящей работы стала апробация нового синтетического подхода к получению физиологически активных веществ в ряду соединений пептидного характера, обладающих активностью, путем замены пептидной связи [С(0)КН] изо-стерным метиленфосфорильным фрагментом [Р(0)СН2] с обязательным сохранением исходной аминокислотной последовательности. В ходе настоящей работы был получен псевдо-пептид Gly-Pro-[Р(0)(0Н)СН2]^1и, фосфиновый аналог известного физиологически-активного трипептида G1y-Pro-G1u, а также были осуществлены прогноз и относительное сравнение биологической активности и токсичности исходного трипептида и его фосфинового аналога.
Библиографический список
1. Sara V.R., Carlsson-Skwirut C., Bergman T., Jornvall H., Roberts P.J., Crawford M., Hakansson L.N., Civalero I., Nordberg A. Identification of Gly-Pro-Glu (GPE), the aminoterminal tripeptide of insulin-like growth factor 1 which is truncated in brain, as a novel neuroactive peptide. Biochem Biophys Res Commun. 1989 Dec 15;165(2):766-71. PubMed PMID: 2574573.
2. Nilsson-Hákansson L., Civalero I., Zhang X., Carlsson-Skwirut C., Sara V.R., Nordberg A. Effects of IGF-1, truncated IGF-1 and the tripeptide Gly-Pro-Glu on acetylcholine release from parietal cortex of rat brain. Neuroreport. 1993 Sep; 4(9): 1111-4. PubMed PMID: 8219036.
3. Saura J., Curatolo L., Williams C.E., Gatti S., Benatti L., Peeters C., Guan J., Dragunow M., Post C., Faull R.L., Gluckman P.D., Skinner S.J. Neuroprotective effects of Gly-Pro-Glu, the N-terminal tripeptide of IGF-1, in the hippocampus in vitro. Neuroreport. 1999 Jan 18; 10(1): 161-4. PubMed PMID: 10094155.
4. Aguado-Llera D., Martín-Martínez M., García-López M.T., Arilla-Ferreiro E., Barrios V. Gly-Pro-Glu protects beta-amyloid-induced somatostatin depletion in the rat cortex. Neuroreport. 2004 Aug 26; 15(12): 1979-82. PubMed PMID: 15305149.
5. Alonso De Diego S.A., Muñoz P., González-Muñiz R., Herranz R., Martín-Martínez M., Cenarruzabeitia E., Frechilla D., Del Río J., Jimeno M.L., García-López M.T. Analogues of the neuroprotective tripeptide Gly-Pro-Glu (GPE): synthesis and structure-activity relationships. Bioorg Med Chem Lett. 2005 May 2; 15(9): 2279-83. PubMed PMID: 15837309.
6. Alonso De Diego S.A., Gutiérrez-Rodríguez M., Pérez de Vega M.J., Casabona D., Cativiela C., González-Muñiz R., Herranz R., Cenarruzabeitia E., Frechilla D., Del Río J., Jimeno M.L., García-López M.T.. New Gly-Pro-Glu (GPE) analogues: expedite solid-phase synthesis and biological activity. Bioorg Med Chem Lett. 2006 Mar 1; 16(5): 1392-6. PubMed PMID: 16321525.
7. Bickerdike M.J., Thomas G.B., Batchelor D.C., Sirimanne E.S., Leong W., Lin H., Sieg F., Wen J., Brimble M.A., Harris P.W., Gluckman P.D. NNZ-2566: a Gly-Pro-Glu analogue with neuroprotective efficacy in a rat model of acute focal stroke. J Neurol Sci. 2009 Mar 15; 278(1-2): 85-90. doi: 10.1016/j.jns.2008.12.003. Epub 2009 Jan 20. PubMed PMID: 19157421.
8. Minelli A., Conte C., Cacciatore I., Cornacchia C., Pinnen F. Molecular mechanism underlying the cerebral effect of Gly-Pro-Glu tripeptide bound to L-dopa in a Parkinson's animal model. Amino Acids. 2012 Sep; 43(3): 1359-67. doi: 10.1007/s00726-011-1210-x. Epub 2012 Jan 5. PubMed PMID: 22218995.
9. Vaaga C.E., Tovar K.R., Westbrook G.L. The IGF-derived tripeptide Gly-Pro-Glu is a weak NMDA receptor agonist. J Neurophysiol. 2014 Sep 15; 112(6): 1241-5. doi: 10.1152/jn.00290.2014. Epub 2014 Jun 18. PubMed PMID: 24944213; PubMed Central PMCID: PMC4137256.
10. Collinsova M., Jiracek J. // Current Med. Chem. - 2000. - V. 7. №6. - P. 629. DOI: 10.2174/0929867003374831.
11. Peyman A. Non-Peptide-Based Inhibitors of Human Immunodeficiency Virus-l Protease / A. Peyman, W. Stahl, K. Wagner, D. Ruppert, K.-H. Budt // Bioorg. Med. Chem. Lett. -1994. -Vol. 4, №21. - P. 2601-2604.
12. Peyman, A. C2-symmetric phosphinic acid inhibitors of HIV protease / A. Peyman, K-H. Budt, J. Spanig, B. Stowasser, D. Ruppert // Tetrahedron Lett. - 1992. - №33. - P. 4549.
13. Peyman, A. Inhibition of human immunodeficiency virus-1 protease by a C2-symmetrical phosphinic acid amide / A. Peyman, K. Wagner, K-H. Budt, J. Spanig, D. Ruppert, C. Meichsner, A. Paessens // Bioorg. Med. Chem. Lett. -1994. -№4. - P. 1191.
14. Дмитриев М.Э. Синтез фосфоизостера пролилглутамата / М.Э. Дмитриев, А.В. Винюков, Б.В. Леднев, В.В. Рагулин // Журнал общей химии. -2017. - Т. 87. - № 10. -С. 1740-1744.
PHOSPHINIC MODIFICATION OF GPE TRIPEPTIDE AND SIMULATION OF ITS
PROPERTIES
S.R. Golovash1, PhD Student, Junior Researcher
A.V. Vinyukov , Candidate of Chemical Sciences, Researcher
V.V. Ragulin1, Doctor of Chemical Sciences, Chief Researcher
institute of Physiologically Active Substances
2Institute of Problems of Chemical Physics
(Russia, Chernogolovka)
Abstract. The search and production of new physiologically active substances to treat neurodegenerative disorders is essential for organic chemistry. The approach based on replacing a peptide bond in a peptide molecule with a structural isostere, non-hydrolyzable methylene phosphoryl fragment makes it possible to increase the metabolic stability peptide molecules to the destructive action of peptidases. In this work, we modified the glycine-proline-glutamate (GPE) tripeptide, which has neuroprotective properties, by replacing the peptide bond C(O)NH in the peptide molecule with a structural isostere non-hydrolyzable methylene phosphoryl fragment P(O)CH2. Using the PASS and GUSAR programs, a prediction and relative comparison of the biological activity and toxicity of the parent tripeptide and its phosphine analog were carried out.
Keywords: Gly-Pro-Glu, transition state analogues, phosphinic pseudo-peptides, amidoalkylation of hydrophosphoryl compounds, isosteres of amino acids and peptides.
