title: Heterocyclic oligoamides as new peptide mimetics
Creators: name: Miltschitzky, Stefan
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2006
Subjects: subject: Peptidsynthese , Peptidomimetikum , Aminosäureanaloga , Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung , Intramolekulare Wechselwirkung , Zwischenmolekulare Kraft , Wirkstoff-Rezeptor-Bindung , Beta-Faltblatt , , peptide mimetics , beta-sheets , ligand-receptor interaction
subject: 540 Chemie

description: The mimicry of peptide and protein structures has emerged as a focal point of bioorganic and medicinal chemistry. Peptidomimetic chemistry can serve as a basis for drug development and peptidomimetic model systems can provide fundamental insights into the folding and structure of proteins. In this work, 6-hydrazinopyrimidine-4-carboxylic acids (PHA) as a building block for extended β-strand mimics were selected. Molecular modelling calculations on force field level (MMFF, program package Spartan) indicate that oligomers of substituted PHA adopt a linear conformation required to be complementary to peptide β-sheets. In the first chapter, the synthesis of substituted PHA molecules and their inter- and intramolecular peptide binding properties in organic solvents are reported. Binding affinities were determined by NMR spectra and emission changes. The luminescence of substituted PHA receptors, which changes in non-polar solvents upon peptide binding, allows the use of PHA receptors as chemosensors and emitting probes. The incorporation of substituted PHA molecules into an amino acid sequence bearing D-Pro-Gly leads to turn structures. They allow the investigation of the possible binding motif due to intramolecular hydrogen bonds and NOE contacts between the PHA moiety and the peptide backbone. In further studies, highly water-soluble PHA receptors were synthesized in cooperation with Dr. Li. Therefore, ethylene-glycol chains were introduced by substitution reactions. Binding affinities of these receptors to the biological active peptides Somatostatin (SRIF) and Concanavalin A (ConA) were carried out under physiological conditions. The binding affinities were determined from the PHA excitation by direct light absorption (at 382 nm) or a FRET process utilizing the Trp emission. The native or only partially denaturated protein structures of ConA, possessing extended and surface exposed β-sheet structures, show higher PHA affinity than the completely denaturated or digested protein structures of ConA and SRIF. The protein binding affinity of the PHA changes with the proteins secondary and tertiary structure. Extended β-sheet structures, complementary to the PHA structure, lead to higher affinities. The combination of an imidazole-coordinating metal complex, which binds to N-terminal His, with a fluorescent PHA moiety results in a luminescent probe. The binding affinity to the pentapeptide H-His-Leu-Leu-Val-Phe-OMe was monitored by fluorescence titration experiments. Initially, the strong interaction of Zn2+(NTA) complex to the terminal His of the pentapeptide occurs, followed by intramolecular hydrogen bonds of the PHA moiety to the peptide. In the fourth chapter, the synthesis of a protected Glu(cyclen)-Gly dipeptide is reported. The protected cyclen side chain moiety serves after deprotection as a high affinity ligand for many transition metal ions. The orthogonal protection allows a versatile use of the artificial cyclen amino acid in peptide synthesis, including automated solid phase synthesis and combinatorial techniques.
description: Die Untersuchung von Modellen für Protein- und Peptidstrukturen hat sich in der Bioorganischen und Medizinischen Chemie als zentrales Thema etabliert. Peptidmimetika können bei der Suche nach potentielle Wirkstoffe eingesetzt werden und wichtige Aufschlüsse über den Faltungsprozess und die Struktur von Proteinen liefern. In der vorliegenden Arbeit wurden 6-Hydrazinpyrimidin-4-carbonsäurederivate (PHS) als Bausteine für die Synthese von beta-Faltblatt-Mimetika verwendet. Kraftfeldberechnungen (MMFF Niveau) zufolge weisen Oligomere substituierter PHS-Bausteine eine lineare Geometrie auf, die für eine komplementäre Bindung an Peptide mit beta-Faltblatt-Struktur notwendig ist. Das erste Kapitel beschreibt die Synthese substituierter PHS Moleküle sowie deren inter- und intramolekularen Wechselwirkung mit Peptiden in organischen Lösungsmitteln. Die Bindungsaffinitäten wurden aus NMR-spektroskopisch und über Emissions-Spektren ermittelt. Die Änderung der Lumineszenz substituierter PHS in unpolaren Lösungsmitteln während des Bindungsprozesses ermöglicht die Verwendung der PHA-Rezeptoren als Chemosensoren. Der Einbau eines substituierten PHS Bausteins in eine Peptidsequenz, die das Dipeptid D-Pro-Gly enthält, führt zu einem turn. Das Bindungsmotif konnte über NOE-Kontakte intramolekularer Wasserstoffbrücken zwischen der PHS-Einheit und dem Peptid-Rückgrad aufgeklärt werden. Wasserlösliche PHS-Rezeptoren wurden in Zusammenarbeit mit Dr. Li synthetisiert. Dazu wurden Ethylenglycol-Ketten über Substitutionsreaktionen eingeführt. Bindungsaffinitäten zu den biologisch aktiven Peptiden Somatostatin (SRIF) und Concanavalin A (ConA) wurden unter physiologischen Bedingungen ermittelt. Sie konnten sowohl aus den Emissions-Spektren der PHS-Bausteine (selektive Anregung dieses Chromophors bei 382 nm) als auch aus dem FRET-Prozess mit benachbartem Trp erhalten werden. Natives oder teilweise denaturiertes ConA, das an der Oberfläche ausgedehnte beta-Faltblatt-Regionen besitzt, zeigt eine höhere Affinität zu PHS als im vollständig denaturierten Zustand. Die Bindung des PHS-Rezeptors an das Peptid ändert sich mit der Sekundär- und Tertiärstruktur des Peptids. Die Kombination es Metall-Komplexes, der an Imidazol koordiniert und N-terminales Histidin erkennt, und einem fluoreszierenden PHS Bausteins führt zu einer lumineszenten Sonde. Die Bindungsstudien an das Pentapeptid H-His-Leu-Leu-Val-Phe-OMe wurden mit Fluoreszenz-Titrationen durchgeführt. Zunächst beobachtet man eine starke Wechselwirkung des Zn(II)-NTA-Komplexes an das terminale Histidin, gefolgt von intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem PHS und dem Peptid. Im letzten Kapitel ist die Synthese eines geschützten Glu(Cyclen)-Gly-Dipeptids berichtet. Das geschützte Cyclen befindet sich dabei in der Seitenkette. In ungeschützter Form stellt es einen Liganden für viele Übergangsmetalle dar. Die orthoganle Schutzgruppentechnik erlaubt einen vielseitigen Einsatz dieser artifiziellen Cyclen-Aminosäure bei Peptidsynthesen sowohl in flüssiger als auch in automatisierter Festphase.