Tanuljunk a természet gyógyszergyártóitól! Kvvn9756/1 A modern kémia problémái Tanuljunk a természet gyógyszergyártóitól! Nem-riboszómális peptid szintézis és poliketid szintézis 2011. november 16.

Riboszómális peptid szintézis

Nem-riboszómális peptid antibiotikumok Penicillin Erythromycin Vancomycin (INN) is a glycopeptide antibiotic used in the prophylaxis and treatment of infections caused by Gram-positive bacteria. It has traditionally been reserved as a drug of "last resort", used only after treatment with other antibiotics had failed, although the emergence of vancomycin-resistant organisms means that it is increasingly being displaced from this role by linezolid and daptomycin. Erythromycin is a macrolide antibiotic that has an antimicrobial spectrum similar to or slightly wider than that of penicillin, and is often used for people who have an allergy to penicillins. For respiratory tract infections, it has better coverage of atypical organisms, including mycoplasma and Legionellosis. It was first marketed by Eli Lilly and Company, and it is today commonly known as EES (erythromycin ethylsuccinate, an ester prodrug that is commonly administered). In structure, this macrocyclic compound contains a 14-membered lactone ring with ten asymmetric centers and two sugars (L-cladinose and D-desoamine), making it a compound very difficult to produce via synthetic methods. Erythromycin is produced from a strain of the actinomycete Saccharopolyspora erythraea, formerly known as Streptomyces erythraeus. Penicillin (sometimes abbreviated PCN or pen) is a group of antibiotics derived from Penicillium fungi.[1] Penicillin antibiotics are historically significant because they are the first drugs that were effective against many previously serious diseases such as syphilis and Staphylococcus infections. Penicillins are still widely used today, though many types of bacteria are now resistant. All penicillins are Beta-lactam antibiotics and are used in the treatment of bacterial infections caused by susceptible, usually Gram-positive, organisms. Vancomycin Actinomycin D

Nem-riboszómális peptidek (NRP) Mikroorganizmusok (baktérium, gomba) peptid alapú másodlagos anyagcsereterméke: 3-22 egységből álló peptidek mRNS-től független eredet Széles bioaktivitás Antibiotikum Penicillin

Nem-riboszómális peptidek (NRP) Mikroorganizmusok (baktérium, gomba) peptid alapú másodlagos anyagcsereterméke: 3-22 egységből álló peptidek mRNS-től független eredet Széles bioaktivitás Antibiotikum Penicillin Citosztatikum Actinomycin D

Nem-riboszómális peptidek (NRP) Mikroorganizmusok (baktérium, gomba) peptid alapú másodlagos anyagcsereterméke: 3-22 egységből álló peptidek mRNS-től független eredet Széles bioaktivitás Antibiotikum Penicillin Citosztatikum Actinomycin D Immunszupresszor Ciclosporin

Nem-riboszómális peptidek (NRP) Mikroorganizmusok (baktérium, gomba) peptid alapú másodlagos anyagcsereterméke: 3-22 egységből álló peptidek mRNS-től független eredet Széles bioaktivitás Antibiotikum Penicillin Citosztatikum Actinomycin D Immunszupresszor Ciclosporin Ionofór Valinomycin

Nem-riboszómális peptidek (NRP) Mikroorganizmusok (baktérium, gomba) peptid alapú másodlagos anyagcsereterméke: 3-22 egységből álló peptidek mRNS-től független eredet Széles bioaktivitás Antibiotikum Penicillin Citosztatikum Actinomycin D Immunszupresszor Ciclosporin Ionofór Valinomycin Pigment Pyoverdin

Nem-riboszómális peptidek (NRP) Mikroorganizmusok (baktérium, gomba) peptid alapú másodlagos anyagcsereterméke: 3-22 egységből álló peptidek mRNS-től független eredet Széles bioaktivitás Antibiotikum Penicillin Citosztatikum Actinomycin D Immunszupresszor Ciclosporin Ionofór Valinomycin Pigment Pyoverdin Toxin Nodularin-R

Nem-riboszómális peptid szintézis A nem-riposzómális peptid tartalmazhat nem-természetes aminosavakat: D-aminosavakat, hidroxilezett, metilezett, acilezett halogénezett származékokat stb. nem szekvenciális kapcsolásokat Ciklikus és elágazó struktúrákat Nem-Riboszómális Peptid Szintetáz (NRPS) Minden peptidre külön NRPS Moduláris felépítés, multi-gén klaszterek NRPS meghatározza a peptid szekvenciáját és hosszát, a kapcsolás módját illetve a kémiai módosulásait Akár 2.3 MDa össztömeg

1. lépés: Adeniláció A ATP aminosav Adenilációs domén ~ 550 aminosav A

1. lépés: Adeniláció A ATP aminosav Adenilációs domén ~ 550 aminosav A

1. lépés: Adeniláció A A OAMP PPi ATP aminoacil adenilát aminosav Nem csak aminosavat tud aktiválni, a kezdő alkotó lehet acil- vagy arilsav is. Adenilációs domén ~ 550 aminosav A

glikolizáció adeniláció 14

2. lépés: Tioészter formálás ACP foszfo-pantein kar aminoacil adenilát ACP domén (acyl carrier protein) ~80 aminosav „makro CoA” ACP

2. lépés: Tioészter formálás ACP A ACP C acil-hordozó fehérje aminoacil adenilát

2. lépés: Tioészter formálás ACP A ACP C acil-hordozó fehérje aminoacil adenilát A ACP C aminosav tioészter

3. lépés: Kondenzáció C A C A C C Modul 1. Modul 2. Kondenzációs domén ACP C A Modul 2. ACP C Kondenzációs domén ~450 aminosav C

3. lépés: Kondenzáció C A C A C C Modul 1. Modul 2. Kondenzációs domén ACP C A Modul 2. ACP C Kondenzációs domén ~450 aminosav C

3. lépés: Kondenzáció C A C A C C Modul 1. Modul 2. Kondenzációs domén ACP C A Modul 2. ACP C Kondenzációs domén ~450 aminosav C

3. lépés: Kondenzáció C A C A C A C A C Modul 1. Modul 2. ACP ACP ACP

Köztes lépések: Ciklizáció Cy ACP Cy A Cy Cys tiazolin Ser oxazolin ACP Cy A Cy Cy

Köztes lépések: Oxidáció ACP Cy A A Ox Cys tiazol ACP Ser oxazol Ox

Köztes lépések: Metiláció MT A MT A MT A MT C C C ACP ACP ACP ACP ACP ACP MT C S-adenozil metionin

Utolsó lépés: Termináció Hidrolízis E E A A ACP TE ACP TE Val Cys The first step in the biosynthesis of penicillin G is the condensation of three amino acids L-α-aminoadipic acid, L-cysteine, L-valine into a tripeptide.[10][11][12] Before condensing into a tripeptide, the amino acid L-valine will undergo epimerization and become D-valine.[13][14] After the condensation, the tripeptide is named δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteine-D-valine, which is also known as ACV. While this reaction occurs, we must add in a required catalytic enzyme ACVS, which is also known as δ-(L-α-aminoadipyl)-L-cysteine-D-valine synthetase. This catalytic enzyme ACVs is required for the activation of the three amino acids before condensation and the epimerization of transforming L-valine to D-valine. The second step in the biosynthesis of penicillin G is to use an enzyme to change ACV into isopenicillin N. The enzyme is isopenicillin N synthase with the gene pcbC enclosed. The tripeptide on the ACV will then undergo oxidation, which then allows a ring closure so that a bicyclic ring is formed.[10][11] Isopenicillin N is a very weak intermediate because it does not show much antibiotic activity.[13] The last step in the biosynthesis of penicillin G is the exchange of the side-chain group so that isopenicillin N will become penicillin G. Through the catalytic coenzyme isopenicillin N acyltransferase (IAT), the alpha-aminoadipyl side-chain of isopenicillin N is removed and exchanged for a phenylacetyl side-chain. This reaction is encoded by the gene penDE, which is unique in the process of obtaining penicillins.[10] Adipinsav ACV tripeptid Aminoadipoil-ciszteinil-valin Penicillin

Utolsó lépés: Termináció Makrolaktám Makrolakton Ciklizáció Oligomerizáció

Echinomicyn szintézis ACP A C E MT TE A kezdő alkotó lehet egyéb acilsav is. (E) Epimerizációs domén (MT) Metil-transzfer domén

Echinomicyn szintézis ACP A C E MT TE Dimerizáció Echinomycin

Javasolj az alábbi molekulához egy bioszintetikus útvonalat Javasolj az alábbi molekulához egy bioszintetikus útvonalat! Konvencionális ábrázolásmódot alkalmazva mutasd be a növekvő szálat! Nevezd el a peptidlánc alegységeit! Tüntesd fel az összes funkcionális domént, és mutatsd be, melyik milyen lépést katalizál! Javasolj mechanizmust az észter és laktám kötés kialakulására! Házi feladat

Riboszómális Peptid Szintézis Nem Riboszómális Peptid Szintézis A Kód Költség / aa Építőkő Méret Módosítás Funkció DNS → mRNS ~ 5 ATP 20 aminosav 3 – 34 000 aa Poszttranszlációs: Foszforilálás Glikozilálás Amidálás Acilezés Hidroxilezés stb. Enzim, váz, feladat betöltő DNS → mRNS → domén 550 * 5 ATP + ~ 5 ATP Több száz alkotó ismert 3 – 22 alegység Transzláció közben: Metiláció Epimerizáció Ciklizáció Oxidáció stb. Poszttranszlációs: Glikolizáció, oxidáció, metiláció Legtöbbször védekezésre szolgáló toxin

Poliketid (PK) és zsírsav (FA) szintézis

Poliketid (PK) és zsírsav (FA) szintézis Építőkövek Funkcionális domének NRPS PKS FA C kondenzáció KS ketoszintézis alap A adeniláció AT acil transzfer PKS ACP tioláció ACP tioláció E epimerizáció KR ketoredukció opc. NRPS MT metiláció DH dehidratáció Cy ciklizáció ER enolredukció Claisen-kond: a-helyzetű H-t tartalmazó karbonsavészterek erős bázis hatására bekövetkező kondenzációs reakciója, amely b-hetoésztereket eredményez PKS mechanizmus: Claisen észter kondenzáció - CO2

Prekurzor készítés Malonil-CoA és Metil-malonil-CoA képződés Acetil-CoA → malonil-CoA Propionil-CoA → metil-malonil-CoA

Láncnövekedés Lánc módosítás ketoreduktáz dehidratáz enoilreduktáz ACP KS ACP KS ACP ACP ACP ACP KS - CO2 Lánc módosítás KR ketoreduktáz DH dehidratáz ER enoilreduktáz

Ciklikus termék aktivált tioészter malonil vagy metil-malonil CoA DH KR DH KR DH KR AT ACP AT ACP AT ACP AT ACP KS AT ACP KS AT ACP KS SH aktivált tioészter malonil vagy metil-malonil CoA ER ER ER DH ER DH DH KR DH KR KR KR NADPH -CO2 AT ACP AT ACP AT ACP ACP KS AT ACP ACP KS ACP KS ACP KS Claisen-észter kond. dekarboxileződés -H2O KR, Dh, ER sorrendben hatnak a domének KR ER ER DH KR DH KR AT ACP TE KS FADH2 AT ACP AT ACP ACP KS ACP KS Ciklikus termék

Poliketonok - poliketidek ACP cikláz aromatáz ACP cikláz aromatáz

erythromycin TE DH ER KR KR KR AT AT KR AT KR AT AT AT AT Start Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Modul 5 Modul 6 DH ER KR KR KR AT AT KR AT KR AT AT AT ACP KS ACP KS ACP KS ACP TE AT ACP KS ACP KS ACP KS Poszttranszláncósan két helyen oxidálódik majd glikolizálódik erythromycin

erythromycin TE DH ER KR KR KR AT AT KR AT KR AT AT AT AT Start Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Modul 5 Modul 6 DH ER KR KR KR AT AT KR AT KR AT AT AT ACP KS ACP KS ACP KS ACP TE AT ACP KS ACP KS ACP KS Poszttranszláncósan két helyen oxidálódik majd glikolizálódik erythromycin

erythromycin TE DH ER KR KR KR AT AT KR AT KR AT AT AT AT Start Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Modul 5 Modul 6 DH ER KR KR KR AT AT KR AT KR AT AT AT ACP KS ACP KS ACP KS ACP TE AT ACP KS ACP KS ACP KS Poszttranszláncósan két helyen oxidálódik majd glikolizálódik erythromycin

Rowe et al. Chem Biol. (2001) 8 425-485.

Zsírsav bioszintézis KS AT ACP KR DH ER Zsírsav szintáz

Felhasznált irodalom Synthetic Aspects of Chemical Biology órai jegyzete J. Stanunton, K. J. Weissman, Polyketide biosynthesis: a millenium review, Nat. Prod. Rep. (2001), 18, 380-416. M. A. Fishbach, C. T. Walsh, Assembly-Line Enzymology for Polyketide and Nonribosomal Peptide Antibiotics: Logic, Machinery and Mechanisms, Chem. Rev. (2006), 106, 3468-3496. E. S. Sattely, M. A. Fischbach, C. T. Walsh, Total biosynthesis: in vitro recnstitution of polyketide and non-ribosomal peptide pathways, Nat. Prod. Rep. (2008) 25, 757- 793. S. A. Sieber, M.A. Marahiel, Learning from Nature’s Drug Factories: Nonribosomal Synthesis of Macrocyclic Peptides, J. of Bacteriology, (2003), 185, 7036-7043. D. Stack, C. Neville, S. Doyle, Nonribosomal peptide synthesis in Aspergillus fumigatus and other fungi, Microbiology, (2007), 153, 1297-1306.