Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3084
Title: Artificial ion transporters: synthesis, characterization and ionophoric activity on membrane models
Authors: Licen, Sabina
Supervisore/Tutore: Tecilla, Paolo
Issue Date: 18-Mar-2009
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Nel corso di alcuni anni il nostro gruppo di ricerca, ispirandosi alla struttura dei composti naturali anfotericina B e squalamina, ha sintetizzato una serie di composti che incorporano gli elementi strutturali fondamentali di questi due ionofori naturali: un’unità idrofobica rigida, una catena idrofilica (modulo di conduzione) e uno o due gruppi terminali polari. L’attività di questi composti nel trasporto di ioni attraverso il doppio strato fosfolipidico è stata investigata utilizzando liposomi come modelli di membrana e metodologie basate sulla spettroscopia NMR e su tecniche spettrofluorimetriche mediante l’utilizzo di probe fluorescenti. Tra i composti sintetizzati, un analogo formato da un ottapeptide di Aib (acido α-amminoisobutirrico) Z-protetto all’ N-terminale (unità idrofobica) e legato tramite il C-terminale ad un gruppo amminico di una diammina derivata dall’esaetilenglicole (modulo di conduzione e gruppo terminale polare), ha mostrato di avere un’attività ionoforica molto elevata nei confronti del trasporto di cationi sodio. La comprensione del motivo di questa alta ed inaspettata attività è stata quindi uno degli scopi principali di questo lavoro di Tesi, in cui sono stati studiati analoghi con catena alchilica a lunghezza variabile al posto del gruppo Z, già precedentemente sintetizzati, per valutare l’effetto idrofobico del sostituente. Dopo aver raccolto una prima serie di dati, per comprendere la rilevanza della presenza dell’anello aromatico sullo ionoforo modello, è stata sintetizzata e studiata una serie di analoghi che portano un diverso gruppo aromatico al posto del gruppo Z. Il secondo e più generale scopo di questo lavoro di Tesi è stato l’inizio di uno studio sull’attività ionoforica di composti strutturalmente diversi al fine di razionalizzare le caratteristiche strutturali necessarie per ottenere composti attivi come trasportatori di ioni. A questo scopo è stata iniziata un’intensa collaborazione con diversi gruppi di ricerca che hanno sintetizzato una serie di possibili ionofori. Il gruppo del Prof. De Riccardis dell’Università di Salerno ha sintetizzato una serie di composti calixarenici sostituiti con catene spermidiniche e una serie di α-ciclopeptoidi formati da un numero variabile di N-benzilossietilglicine. Il gruppo della Prof. Montesarchio dell’Università di Napoli ha preparato degli oligosaccaridi ciclici, legati da legami fosfodiesterei a ponte, chiamati CyPLOS (Cyclic Phosphate-Linked OligoSaccharide macrocycles). Infine il gruppo del Prof. Casnati dell’Università di Parma ha sintetizzato una serie di calixareni sostituiti con un numero variabile di gruppi guanidinio. Tutti questi composti sono stati preparati allo scopo di poter effettuare un ampio studio concernente il rapporto struttura/attività e poter quindi definire i requisiti strutturali minimi per ottenere un composto con attività ionoforica. Accanto ai risultati ottenuti per ogni singola classe di composti, che sono illustrati e discussi in dettaglio nel terzo capitolo della Tesi, la possibilità di studiare un così ampio spettro di composti utilizzando le stesse condizioni sperimentali, ci ha permesso di ottenere delle considerazioni generali sulla natura dell’attività ionoforica ponendo le basi per la progettazione di nuove strutture che possano mostrare maggiore attività e/o selettività. Un altro importante risultato ottenuto durante questo lavoro di Tesi è stato l’acquisizione di esperienza nell’utilizzo di molte tecniche atte ad investigare l’attività ionoforica su liposomi come modelli di membrana. In particolare, è stato approfondita la conoscenza di tecniche comprendenti l’uso di probe fluorescenti che hanno mostrato di essere valide e di facile utilizzo per ottenere dati riguardanti vari aspetti dell’attività ionoforica come ad esempio le sequenze di selettività. Tuttavia, utilizzando esperimenti su liposomi, rimane molto difficile ottenere l’evidenza sperimentale della distinzione tra un meccanismo di trasporto tramite canale e altri tipi di meccanismi (es. carrier). Per questo motivo i dati ottenuti da questo tipo di esperimenti dovrebbero essere integrati da dati ottenuti per via elettrofisiologica e il nostro gruppo di ricerca si sta muovendo proprio in questa direzione.
Taking inspiration from the natural ionophores amphotericin B and squalamine, during the past years our group synthesized a series of compounds that incorporate the fundamental structural elements of these natural ion transporters: a rigid hydrophobic unit, a hydrophilic chain (conduction module) and one or two polar head groups. The ionophoric activity of these artificial ionophores was investigated using liposomes as membrane models, and the measurements have been conducted by NMR spectroscopy and spectrofluorimetric techniques involving the use of fluorimetric probes. Among the compounds synthesized, an analogue having an N-terminus Z-protected α-aminoisobutyric acid (Aib) octapeptide (hydrophobic unit) linked, at the C-terminus, to one aminic moiety of a diamine derived by exa(ethylene)glycol (conduction module and polar head), was found to have an impressive activity in Na+ transport. The understanding of the reasons for such high and unexpected activity was therefore one of the main subjects of this Thesis work in which alkyl (instead of the Z-group) analogues of this compound, already prepared in our group, were studied to evaluate the hydrophobic effect of the substituent. After a first collection of data, a new series of analogues carrying a different aromatic group in place of the Z-group were synthesized and studied in order to asses the relevance of the aromatic substitution in the model ionophore. The second and more general subject of this Thesis work was the beginning of an investigation of structurally different compounds aimed to define common structural requirements for ionophoric activity. In this contest we have collaborated with several research groups which have synthesized the putative ionophore. Prof. De Riccardis and co-workers at Salerno University synthesized a series of spermidine calixarenic compounds as well as a series of cyclic α-peptoids formed by a variable number of N-benzyloxyethylglycines. The group of Prof. Montesarchio at Napoli University prepared novel cyclic oligosaccharide analogues, 4,6-linked through phosphodiester bonds, named CyPLOS (Cyclic Phosphate-Linked OligoSaccharide macrocycles). Finally the group of Prof. Casnati at Parma University synthesized a series of guanidinium calixarene conjugates. All these compounds have been prepared in the framework of a long standing collaboration which has as ultimate objective a broad structure/activity investigation aimed to define the structural requirements for ionophoric activity. Beside the results obtained in the study of each single class of compounds which will be illustrated and discussed in detail in the third chapter of this Thesis work, the possibility to investigate the ionophoric properties of such a broad bunch of compounds under the same set of experimental condition allowed us to draw more general considerations and put the basis for the design of new ionophores with enhanced activity and/or selectivity. A further important result of this Thesis work is the acquisition of expertise in several techniques used for the study of the ionophoric activity in liposomes. In particular we have exploited methodologies based on the use of fluorescent probes which have proved to give valid and user friendly entries to important features such as for example selectivity sequences. Ironically, it is the experimental evidence for the existence of ion channels as such (rather than the presence of alternative modes of transport) that remains most difficult to obtain in vesicles. For this reason this type of measurement should be paralleled with electrophysiological data and we are now moving in this direction.
metadata.dc.subject.classification: SCIENZE MOLECOLARI
Description: 2007/2008
Keywords: organic chemistry
supramolecular chemistry
ionophore
liposome
peptide
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: CHIM/06 CHIMICA ORGANICA
NBN: urn:nbn:it:units-7390
Appears in Collections:Scienze chimiche

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