Balanol

Balanol
Balanol.svg
Identyfikatory
  • 2-{[2,6-dihydroksy-4-({[(3S , 4R ) -3-[(4-hydroksybenzeno)amido]azepan-4-ylo]oksy}karbonylo)fenylo]karbonylo}-3- kwas hydroksybenzoesowy
Numer CAS
Identyfikator klienta PubChem
IUPHAR/BPS
Bank Leków
ChemSpider
UNII
Dane chemiczne i fizyczne
Formuła C28H26N2O10 _ _ _ _ _ _ _
Masa cząsteczkowa 550,520 g·mol -1
  ☒check N Y (co to jest?)   

Balanol jest metabolitem grzybów wytwarzanym przez grzyb Verticillium balanoides . Jest silnym inhibitorem kinaz serynowo-treoninowych, kinazy białkowej A (PKA) i kinazy białkowej C (PKC), wiążąc się w podobny sposób jak ATP . Balanol został odkryty w 1993 roku w poszukiwaniu nowych inhibitorów PKC, członka rodziny kinaz serynowo-treoninowych, których nadmierna aktywacja jest związana z licznymi ludzkimi chorobami transdukcji sygnału, w tym nowotworami. Jednak wiele badań nad balanolem koncentruje się na tym, jak chemiczne modyfikacje struktury molekularnej wpływają na wiązanie z PKA. Rzeczywiście, balanol, jego chemicznie zmienione analogi, aw szczególności ich interakcje z PKA, są wykorzystywane do wyjaśnienia roli selektywności i elastyczności białek w hamowaniu kinaz. Na przykład rentgenowska struktura krystaliczna balanolu w kompleksie z PKA została wykorzystana w celu nadania selektywności i poprawy skuteczności farmakologicznej inhibitorów H. sapiens Akt ( PKB ), kolejna białkowa kinaza serynowo-treoninowa biorąca udział w prawidłowym funkcjonowaniu wielu procesów komórkowych.

Struktura

Strukturę chemiczną początkowo scharakteryzowano za pomocą połączenia danych spektroskopii IR , wodoru-1 NMR , węgla-13 NMR i 2D NMR , a strukturę krystaliczną balanolu w kompleksie z PKA rozwiązano w 1999 r. Cząsteczka balanolu składa się z trzech regiony: benzofenon , heksahydroazepan i 4- hydroksybenzoil ugrupowanie. Ugrupowania benzofenonu i heksahydroazepanu są połączone wiązaniem estrowym, a ugrupowania azepanu i benzoilu są połączone wiązaniem amidowym. Ponadto balanol jest czasami określany jako ophiocordin, środek przeciwgrzybiczy wytwarzany przez grzyb Cordyceps ophioglossoides , którego struktura jest regioizometryczna do struktury balanolu; to znaczy w ophiocordin benzofenon jest zamiast tego połączony z heksahydroazepanem przez amid; grupa 4-hydroksybenzoilowa i heksahydroazepan są połączone wiązaniem estrowym.

Balanol jest kongenerem ATP , z odrębnymi regionami jego struktury molekularnej zdolnymi do tworzenia wiązań, takich jak pierścień adeninowy, ryboza i grupy fosforanowe cząsteczki ATP. W szczególności ugrupowanie 4-hydroksybenzamidu balanolu, w tym łącznik amidowy, odpowiada adeninie ATP, ugrupowaniu heksahydroazepanowemu regionowi rybozy, a pierścienie benzofenonu trifosforanom ATP.

Zsyntetyzowano wiele kongenerów balanolu w celu zbadania wpływu modyfikacji chemicznych na wiązanie i specyficzność kinazy. Na przykład modyfikacje pierścieni benzofenonu, analogów grup fosforanowych ATP, dają niezwykle silne i specyficzne inhibitory kinazy białkowej. Ponadto wiele z tych kongenerów balanolu wykazuje znaczną specyficzność w stosunku do PKA w stosunku do PKC. Eliminacja grupy hydroksylowej z pierścienia benzofenonu (wytwarzanie 10"-dezoksybalanolu), na przykład, wywołuje selektywność o dwa rzędy wielkości większą dla PKA niż PKC. Wykazano również, że silne działanie hamujące zależy od kwasu karboksylowego w pierścieniu benzofenonu i obecność pięcio- lub siedmioczłonowego pierścienia azepanowego.

Elastyczna struktura Balanolu również odgrywa ważną rolę w jego selektywności. W szczególności dystalny pierścień benzofenonu balanolu może się obracać. W rzeczywistości w kompleksie z PKA zaobserwowano, że dystalny pierścień benzofenonu balanolu jest prawie ortogonalny z sąsiednim pierścieniem. Ta elastyczność może umożliwić balanolowi przystosowanie się do wielu mikrośrodowisk białkowych w celu wywierania właściwości hamujących na różne kinazy białkowe. Z kolei selektywność Balanolu dla niektórych kinaz, a innych nie, może reprezentować różne stopnie elastyczności, na które pozwalają katalityczne miejsca wiązania ATP tych kinaz.

Czynności biologiczne

Balanol jest jednym z najsilniejszych naturalnie występujących inhibitorów kinaz białkowych PKC i PKA. Pierwotnie odkryto, że balanol hamuje PKC i wiele jego izoform u ludzi (α, β-Ι, β-ΙΙ, γ, δ, ε, η), z profilem hamowania podobnym do profilu staurosporyny .

Balanol zapobiega funkcjonowaniu, wiążąc się kompetycyjnie z domeną katalityczną PKC i PKA z powinowactwem ( Ki 4 nM) o trzy rzędy wielkości większym niż do ATP. Bez związanego ATP kinazy te nie są w stanie katalizować przenoszenia γ-fosforanu z ATP do docelowego substratu kinazy, a zatem funkcja jest utrudniona.

Wiążący

Związany balanol rozciąga się na 17,2 Å od hydroksylowego atomu tlenu jego 4-hydroksybenzamidu do najbardziej dystalnego karboksylowego atomu tlenu w jego ugrupowaniu benzofenonowym, dopasowując się między dużymi i małymi płatami katalitycznymi PKA i rozciągając się od wewnętrznej krawędzi do zewnętrznego ujścia aktywnej -miejsce szczeliny wiążącej ATP enzymu. Pętla bogata w glicynę i mały płat szczeliny pozwalają na ciasne, indukowane dopasowanie.

Każde podmiejsce kieszeni wiążącej ATP w PKA jest zajęte przez podstawnik cząsteczki balanolu, jak zaobserwowano w badaniach rekombinowanej mysiej podjednostki katalitycznej PKA. Podstrona adeninowa PKA ma składniki hydrofobowe i ma potencjał oddawania i przyjmowania elektronów w celu tworzenia wiązań wodorowych z jednym lub dwoma planarnymi pierścieniami cyklicznymi. W szczególności azot szkieletowy Val123 i atom tlenu karbonylu Glu121 mogą tworzyć wiązania wodorowe z pojedynczą grupą hydroksylową balanolu ugrupowania 4-hydroksylobenzoilowego. W cząsteczce ATP atom wodoru amidu Val123 przyjmuje elektrony z atomu N1 pierścienia purynowego ATP, podczas gdy karbonylowy atom tlenu szkieletu Glu121 przekazuje elektrony atomowi N6 pierścienia purynowego ATP. Mimetyki ATP, takie jak balanol, mogą być zakotwiczone w hydrofobowej kieszeni wiążącej adeninę, ponieważ ich płaskie podstawniki mogą tworzyć korzystne interakcje niepolarne. Podwitryna rybozy jest zajęta przez pierścień aksepanowy balanolu. Konkretnie, atom N1 pierścienia azepanowego wiąże się wodorem z karbonylowym atomem tlenu szkieletu Glu170 pętli katalitycznej. Atomy w pierścieniu azepanowym mogą również tworzyć korzystne niepolarne kontakty z resztami Gly50, Flu127 i Glu170. Podczas gdy występują również inne interakcje, większość interakcji polarnych i niepolarnych obejmuje podstawnik benzofenonowy balanolu, który oddziałuje z resztami zawierającymi podmiejsce wiążące fosforany. Na przykład pierścień benzofenonu balanolu oddziałuje z licznymi wysoce konserwatywnymi resztami w PKA, takimi jak między innymi Gly52, Phe54, Asp184, oprócz różnych niekonserwowanych reszt, takich jak Leu74 i Gln84. Większość konserwatywnych reszt w PKA oddziałuje z ATP, podczas gdy interakcje ATP z resztami niekonserwowanymi nie występują.

Sześć uporządkowanych cząsteczek wody również odgrywa kluczową rolę w wiązaniu balanolu z PKA. Kilka reszt PKA, takich jak Leu49 i Tyr330, wiąże się z wiązaniami wodorowymi z konserwatywnymi cząsteczkami wody. Te cząsteczki wody pośredniczą również w interakcjach między balanolem a pozostałościami katalitycznej szczeliny PKA; na przykład dwie cząsteczki wody tworzą mostek, aby atom N1' balanolu mógł oddziaływać z grupą hydroksylową Tyr330.

Jednak ścisła interakcja balanolu z miejscem wiązania ATP, która prowadzi do siły działania balanolu jako inhibitora, nie wynika z wiązań wodorowych, ale raczej z powodu dominujących oddziaływań niepolarnych zachodzących w cząsteczce. Na przykład pierścienie benzofenonu balanolu są umieszczone obok pętli bogatej w glicynę i dalej od bardziej polarnej pętli katalitycznej. W porównaniu z trifosforanami ATP, przyjęcie pierścieni benzofenonu balanolu indukuje przegrupowanie katalitycznych łańcuchów bocznych Phe54 i Ser53, umożliwiając korzystne interakcje polarne i niepolarne i prawdopodobnie przyczyniając się do silnego działania hamującego balanolu na te kinazy.

Działanie przeciwko innym kinazom białkowym

Ponieważ balanol działa specyficznie w miejscu wiązania ATP w rdzeniu katalitycznym PKA i PKC, początkowo wysunięto hipotezę, że balanol może hamować wszystkie kinazy serynowo-treoninowe, które dzielą konserwatywne miejsce wiązania ATP. Jednak balanol nie hamuje jednakowo wszystkich kinaz serynowo-treoninowych. Powinowactwo do balanolu jest bardzo zróżnicowane (K i = 1,6–742 nM), przy czym kilku członków rodziny kinaz białkowych serynowo-treoninowych w ogóle nie ma wpływu, mimo że powinowactwo tych kinaz do ATP różni się nieznacznie (13–60 μM). Balanol wykazuje najsilniejsze działanie hamujące (K i = 1,6–6,4 nM) na kinazę białkową zależną od cGMP ( PKG ), PKA i PKC, w tym izoformy. Wywiera znacznie mniejszy wpływ (K i = 30 – 742 nM), jeśli w ogóle, na kinazy regulowane przez Ca 2+ -kalmodulinę, kinazę białkową aktywującą mitogen (MAPK/Erk1) i niektóre kinazy zależne od cyklin. Ponadto balanol nie hamuje dwóch białkowych kinaz tyrozynowych, kinazy SC ani kinazy receptora naskórkowego czynnika wzrostu.