Αλληλεπιδράσεις Zn2+, Cd2+, Cu2+, με 2-(α-ύδροξυ-αίθυλ) πυροφωσφορική θειαμίνη (ΗΕΤΡΡ) και πυροφωσφορική θειαμίνη (ΤΡΡ): μηχανισμός ενζυμικής δράσης των ενζύμων θεαμίνης

Abstract

In this study we report on the interaction of metal ions (Cu(II), Zn(II), Cd(II)) with the real intermediate of the enzymatic decarboxylation of pyruvic acid, 2-(a-hydroxyethyl) thiaminepyrophoshate (HETPP). In addition we studied the interaction of the above mentioned ions withthe precursor of HETPP, thiamine pyrophoshate (TPP), and the interaction of these ions andHETPP in the presence of the peptide Asp-Asp-Asn-Lys-Ile (ternary complexes). This peptidesimulates the region 185-189 of the active center of the enzyme transketolase (yTK). This thesis consists of five sections (Introduction (A), Aim (B), Results and Discussion (C£ Conclusions (D) and the Experimental Part (E)). In the first section (A), a broad review based on the international literature of thiamine and its derivatives along with the enzymatic systems in which thiamine is used as a coenzyme, emphasizing in pyruvate decarboxylase (yPDC) and transketolase (yTK) is attempted. We discuss the^proposed mechanisms of non enzymic and enzymic catalysis, the role of every part of the thiamine molecule during the enzymic cycle and finally the complexation behavior of both thiamine and its so called “active aldehyde” derivatives. Passing into the part of enzymiccatalysis, an analytical description of the crystal structrure of the enzymes yPDC and yTK isattempted, focusing on their active sites and the possible role of the present amino acid residuesduring the catalytic process. Through all the introduction part the possible role of the three mainthiamine conformations F,S or V has been agitated. In the second section (B) we refer to the aim of this study in addition analyzing the ligand and metal ions selection, and finally exposing the expected results. In the third part we present, analyze and discuss the experimental data. The interaction of Cu(II), Zn(II) and Cd(II) with 2-(a-hydroxyethyl) thiamine pyrophosphate (HETPP) in non aqueous media results to the isolation of solid adducts of the general formulae K2{[M(LH)Cl2]2} (M= Zn,Cd, L= HETPP) and [Cu(LH)Cl]2. Coordination takes place through the Ν(Γ) of a thiamine molecule and the pyrophosphate group of a second one (Figure 90, page 145). In aqueous media the complexation mode is the same, but depending upon the pH of the solutionsthe second Pp-OH groups of both ligands of the dimer are protonated or not. A simple comparison of the stability constants of these species reveals that Cu(II) forms the most stable complexes (Cu(Il)>Cd(II)>Zn(II)). The easy release of the side chain CH3CH(OH)- attached on the C(2) of the thiazole ring indicates that the above complexes simulate very well the coenzyme activity of thiamine. In both solid state and solution the HETPP ligand and its complexes adopt the S-conformation, setting off its significance during catalysis. In non aqueous media, the interaction of Zn(II) and Cd(II) ions with thiamine pyrophosphate (TPP) results to the isolation of solid adducts of the general formulae [M(L*H)CI]2 (M= Zn,Cd, L'= TPP). The proposed coordination mode is the same as in the caseof HETPP complexes in both solid adducts (Figure 112, page 180) and the species formed in aqueous media. The HETPP forms more stable metal comlexes than TPP does (comparison of the logP values). This finding further substantiate our previous proposal for easy formation of metal complexes of “active aldehyde” derivatives of thiamine and their enhanced stability [58]. The coenzyme activity of the metal complexes of HETPP and TPP in the enzymicdecarboxylation of the pyruvic acid has been also evaluated. It was found that TPP complexeswere totally inactive while the Zn(II)-HETPP complex showed high coenzyme activity. Finally, the interaction of Zn(II) and Cd(II) complexes of HETPP with the peptide AspAsp-Lys-Iie as well as the interaction of Cu(II), HETPP and the above peptide were studied in aqueous media. This peptide is a part of the amino acid sequence of transketolase, i.e, 185-189, which is located into the active center arround the pyrophosphate group of HETPP (coenzyme) [194]. Our study presents firstly the interaction of the above ions with the peptide. Several species were detected in which the metal ions coordinate through the N-terminal amino group, carbonyl and carboxyl oxygen atoms (Zn(ll), Cd(II) complexes, Figure 122, page 198) and in the case of Cu(Il) with additionally deprotonated amide groups (Cu(II) complexes, Figure 135, page 225). Going in to the ternary systems, the formation of ternary complexes in which the Zn(II) and Cd(II) ions are bound to carbonyl and carboxyl oxygen atoms, the Ν(Γ) and the pyrophosphate group of HETPP, being the N-terminal amino group protonated (Figure 131, page 217), was strongly supported from all the experimental· data. The coordination mode of the above complexes was almost the same as the one found around the Ca(II) ion in the crystal structure of yTK (except the Ν(Γ) coordination). Thus our complexes proved to be very good models for the active center of yTK. The formation of ternary species in the system Cu(II)- HETPP-peptide in which the Cu(II) coordination sphere consisted of the N-teminal group, carboxylate oxygens, a deprotonated amide group, the Ν(Γ) and the pyrophoshate group of HETPP (Figure 141, page 234) was also strongly supported from our experimental data. In all the ternary species the HETPP molecule was found to adopt the S-conformation underlining once more that the S conformation should be of importance in the catalytic cycle. In the fourth section (D) we present the general conclusions of this st^^pdT m ally the fifth section (E) contains details about the synthetic procedures and characterization techniquesof our complexes.

Η μελέτη αυτή αναφέρεται στην αλληλεπίδραση μεταλλικών ιόντων (Cu(II), Zn(II), Cd(II)) με το πραγματικό ενδιάμεσο της ενζυμικής αποκαρβοξυλίωσης του πυροσταφυλικού οξέος, την 2-(α-ύδροξυ-αίθυλ) πυροφωσφορική θειαμίνη (ΗΕΤΡΡ). Επιπλέον αναφέρεται στην αλληλεπίδραση των παραπάνω ιόντων με την πρόδρομη ένωση της ΗΕΤΡΡ την πυροφωσφορική θεαμίνη (ΤΡΡ), καθώς και με την αλληλεπίδραση αυτών και της ΗΕΤΡΡ παρουσία του πεπτιδίου Asp-Asp-Lys-Ile (μικτά σύμπλοκα). Το τελευταίο αποτελεί την περιοχή 185-189 του ενεργού κέντρου του ενζύμου τρανσκετολάση (yTK). Η διατριβή αποτελείται από πέντε τμήματα (εισαγωγή (Α), σκοπός (Β), αποτελέσματα συζήτηση (Γ), τελικά συμπεράσματα (Δ) και πειραματικό μέρος (Ε)). Στο πρώτο τμήμα (Α) επιχειρείται μια όσο το δυνατόν ευρύτερη ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας τόσο όσον αφορά την θειαμίνη και τα παράγωγά της, όσο και τα ενζυμικά συστήματα στα οποία αποτελεί συνένζυμο δίνοντας έμφαση στην πυροσταφυλική αποκαρβοξυλάση (yPDC) και στην τρανσκετολάση (yTK). Αναφέρονται επίσης οι προτεινόμενοι μηχανισμοί μη ενζυμικής και ενζυμικής κατάλυσης, ο ρόλος των διάφορων τμημάτων του μορίου της θειαμίνης κατά την κατάλυση, καθώς και οι μελέτες συμπλοκοποίησης τόσο της απλής θειαμίνης όσο και των παραγώγων “ενεργού αλδεύδης”. Περνώντας στο τμήμα της ενζυμικής κατάλυσης, περιγράφονται αναλυτικά οι δομές τωνενζύμων yPDC και yTK δίνοντας έμφαση στο ενεργό κέντρο και στο ρόλο των αμινοξικώνκαταλοίπων που το απαρτίζουν και συμμετέχουν έμμεσα ή άμεσα στην καταλυτική διεργασία. Σε όλο το εισαγωγικό τμήμα συζητείται ο πιθανός ρόλος των διαμορφώσεων F, S ή V της θειαμίνης κατά τη διάρκεια της κατάλυσης. Στο δεύτερο τμήμα (Β) αναφερόμαστε στο σκοπό αυτής της μελέτης, στους λόγους επιλογής των συγκεκριμένων μεταλλικών ιόντων και υποκαταστατών και τέλος στοπροσδοκώμενα αποτελέσματα. Στο τρίτο μέρος (Γ) παραθέτονται και αναλύονται τα πειραματικά δεδομένα. Η αλληλεπίδραση των ιόντων Cu(II), Zn(II) και Cd(II) με την 2-(α-ύδροξυ-αίθυλ)πυροφωσφορική θειαμίνη σε μη υδατικά διαλύματα οδηγεί στην απομόνωση στερεών μεταλλικών συμπλοκών του τύπου K2{[M(LH)Cl2]2} (Μ= Zn,Cd, L= ΗΕΤΡΡ) και [Cu(LH)C1)2 στα οποία τα ιόντα εντάσσονται μέσω του Ν( 1') της πυριμιδίνης ενός μορίου ΗΕΤΡΡ και της * πυροφωσφορικής ομάδας ενός άλλου μορίου (σχήμα 90, σελίδα 145). Σε υδατικά διαλύματα σχηματίζονται σύμπλοκα του ίδιου τύπου με τη διαφορά ότι αναλόγως του pH του διαλύματος η δεύτερη ομάδα Ρρ-ΟΗ και των δυο υποκαταστατών των διμερών είναι πρωτονιωμένη ή μη. Η σειρά σταθερότητας των παραπάνω συμπλοκών όπως αποδεικνύεται από σύγκριση των τιμών τους logp (ολικές σταθερές σχηματισμού) είναι Cu(II)>Cd(II)>Zn(II). Η εύκολη απομάκρυνση της πλευρικής ομάδας CH3CH(OH)- απ’ τον C(2) του θειαζολίου υποδεικνύει ότι τα σύμπλοκα αυτά αποτελούν καλά μοντέλα συνενζυμικής δράσης. Επιπλέον βρέθηκε ότι τόσο ο υποκαταστάτης όσο και τα σύμπλοκα και στη στερεά φάση και σε διάλυμα, υιοθετούν την Sδιαμόρφωση, γεγονός που τονίζει για μια ακόμη φορά τη σπουδαιότητα αυτής κατά την καταλυτική διεργασία. Η αλληλεπίδραση των ιόντων Zn(II), Cd(U) με την πυροφωσφορική θειαμίνη (ΤΡΡ) σε μη υδατικά διαλύματα οδηγεί στην απομόνωση στερεών μεταλλικών συμπλοκών του τύπου [M(L'H)C1]2 (Μ= Zn,Cd, L'= ΤΡΡ). Ο τύπος ένταξης που προτάθηκε για τα αντίστοιχα σύμπλοκα της ΗΕΤΡΡ ισχύει και σ’ αυτή την περίπτωση, τόσο για τα στερεά σύμπλοκα (σχήμα 112, σελίδα 180) όσο και για τα σωματίδια που σχηματίζονται σε υδατικά διαλύματα. Σύγκριση των τιμών \ogfi μεταξύ των αντίστοιχων σωματιδίων της ΗΕΤΡΡ και της ΤΡΡ αποδεικνύει ότι τα πρώτα είναι σταθερότερα, γεγονός που ενισχύει την άποψη της ερευνητικής μας ομάδας ότι τα σύμπλοκα παραγώγων “ενεργού αλδευδης” είναι σταθερότερα και σχηματίζονταιευκολότερα απ’ ότι τα αντίστοιχα σύμπλοκα απλής θειαμίνης [58]. Ο έλεγχος της συνενζυμικής δραστικότητας των συμπλοκών ΗΕΤΡΡ και ΤΡΡ όσον αφορά την ενζυμική αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος, αποδεικνύει ότι τα σύμπλοκα της ΤΡΡ είναι καταλυτικά ανενεργό ενώ τα αντίστοιχα της ΗΕΤΡΡ (σύμπλοκο με Ζη) δείχνουν υψηλή δραστικότητα. Στο τελευταίο μέρος αυτού του τμήματος μελετάμε την αλληλεπίδραση των συμπλοκών Ζη(Π) και Cd(II) της ΗΕΤΡΡ με το πεπτίδιο Asp-Asp-Asn-Lys-Ile, καθώς και την αλληλεπίδραση (Ιιι(ΙΙ)-ΗΕΤΡΡ-πεπτιδίου σε υδατικά διαλύματα. Το πεπτίδιο αυτό αποτελεί τμήμα (185-189) του ενεργού κέντρου της yTK και εντοπίζεται γύρω απ’ την πυροφωσφορικη ομάδα της ΗΕΤΡΡ [194], Αρχικά μελετάμε την αλληλεπίδραση μόνο του πεπτιδίου με τα παραπάνω ιόντα, οπότε βρέθηκε ότι σχηματίζονται σωματίδια με ένταξη των ιόντων μέσω της Ν-τελικής αμινομάδας, καρβονυλικών και καρβοξυλικών ατόμων οξυγόνου (σύμπλοκα Zn(II),Cd(II), σχήμα 122, σελίδα 198) και επιπλέον αποπρωτονιωμένων ατόμων αζώτου πεπτιδικών δεσμών (σύμπλοκα Cu(II), σχήμα 135, σελίδα 225). Περνώντας στα μικτά συστήματα παρατηρήθηκε ο σχηματισμός μικτών σωματιδίων στα οποία σε φυσιολογικό pH η σφαίρα ένταξης των ιόντων Ζη(ΙΙ) και Cd(II) αποτελείται από καρβονυλικά και καρβοξυλικά άτομα οξυγόνου προερχόμενα απ’ το πεπτίδιο, το Ν(Γ) και την πυροφωσφορική ομάδα της ΗΕΤΡΡ, ενώ η Ν-τελική αμινομάδα είναι πρωτονιωμένη (σχήμα 131, σελίδα 217). Τα σύμπλοκα αυτά αποτελούν πολύ καλά μοντέλα του ενεργού κέντρου της yTK αφού και στο φυσικό ένζυμο το ιόν Ca(II) εντάσσεται με παρόμοιο τρόπο [194] (αν εξαιρέσουμε την επιπλέον συμμετοχή και του Ν(Γ) στα σύμπλοκά μας). Όσον αφορά το μικτό σύστημα Cu(II)-HETPPπεπτιδίου, σχηματίζονται μικτά σύμπλοκα στα οποία το ιόν Cu(II) εντάσσεται μέσω της τελικής αμινομάδας καρβοξυλικών οξυγόνων και ενός αποπρωτονιωμένου ατόμου αζώτου πεπτιδικού δεσμού, ενώ η σφαίρα ένταξης συμπληρώνεται απ’ το Ν(Γ) και την πυροφωσφορική ομάδα της ΗΕΤΡΡ (σχήμα 141, σελίδα 234). Η S-διαμόρφωση διατηρείται και στα μικτά σωματίδια ενισχύοντας ακόμη περισσότερο το ρόλο της κατά την καταλυτική δράση. Στο τέταρτο μέρος (Δ) αναφέρονται επιγραμματικά τα κυριότερα συμπεράσματα που προκύπτουν απ’ αυτή τη μελέτη, ενώ στο πέμπτο μέρος (Ε) δίνονται λεπτομέρειες σχετικά με τις μεθόδους σύνθεσης και μελέτης όλων των ουσιών που αναφέρονται στη διατριβή.