Выделение и установление строения некоторых изопреноидов морского происхождения тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ТИХООКЕАНСКИЙ ИНСТИТУТ БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

На правах рукописи

Шубина Лариса Кимовна

ВЫДЕЛЕНИЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ СТРОЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ИЗОПРЕНОИДОВ МОРСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

02.00.10 - биоорганическая химия, химия природных и физиологически активных веществ

¡0

о/

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: д.х.н. Макарьева Т.Н. Научный консультант: член-корр. РАН, д.х.н., Стоник В.А.

Владивосток - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. ВВЕДЕНИЕ.................................................4

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.....................................6

2.1. СТЕРИНЫ ГУБОК............................................6

2.1.1. 19-Норстанолы............................................10

2.1.2. А-Норстанолы.............................................11

2.1.3. Высокоалкилированные стерины губок..........................12

2.1.4. 24-Норстерины и 24-метил-27-норстерины.......................17

2.1.5. Циклопропансодержащие стерины.............................18

2.2. СУЛЬФАТИРОВАННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ГУБОК.....................20

2.3. СУЛЬФАТИРОВАННЫЕ ПОЛИГИДРОКСИСТЕРОИДЫ ИЗ ОФИУР ......23

2.4. ТЕРПЕНОИДЫ ИЗ МОРСКИХ ОРГАНИЗМОВ. СЕСКВИТЕРПЕНОИДЫ ... 31

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ...............................37

3.1. ВЫДЕЛЕНИЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ СТРОЕНИЯ СТЕРИНОВ

ТтсИусцтз ¡гаИс1гопс1го1с1е$....................................46

3.2. ГИПОТЕТИЧЕСКИЕ ПУТИ БИОСИНТЕЗА БОКОВЫХ ЦЕПЕЙ ВЫСОКОАЛКИЛИРОВАННЫХ СТЕРИНОВ..........................46

3.3. ХИМИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ СТЕРОИДОВ

ТгаскуорБгз каИскопс1го1с1е$....................................47

3.4. СТЕРИНОВЫЙ СОСТАВ НЕКОТОРЫХ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ

ГУБОК...................................................48

3.5. ПОЛЯРНЫЕ СТЕРОИДЫ из ГУБКИ Езрепорзгя digitata...............54

3.6. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛИГИДРОКСИЛИРОВАННЫХ СТЕРОИДОВ ИЗ ИГЛОКОЖИХ..............................................57

3.6.1. Таксономическое распределение сульфатированных стероидов в офиурах.................................................58

3.6.2. Гипотетические пути эволюции полигидроксилированных стероидов в офиурах.................................................60

3.6.3. Полигидроксилированные стероиды как возможные хемотаксономические маркеры................................62

3.6.4. Выделение полигидроксилированных стероидов из морской лилии.....63

3.7. АВАРОЛ И ИЗОАВАРОЛ ИЗ ТИХООКЕАНСКОЙ ГУБКИ /^57^/ 8р.....65

3.7.1. Биологическая активность аварола и его производных..............68

3.8. ВЫДЕЛЕНИЕ И УСТАНОВЛЕНИЕ СТРОЕНИЯ НОВОГО ХАМИГРАНО-ВОГО СЕСКВИТЕРПЕНОИДА ИЗ МОРСКОГО ЗАЙЦА Лр1у81а 8р.......71

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..............................75

5. ВЫВОДЫ..................................................89

6. СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................91

1. ВВЕДЕНИЕ.

Иглокожие и морские губки широко распространены в морях и океанах. Они привлекают внимание химиков-биооргаников структурой и физиологической активностью содержащихся в них вторичных метаболитов. Экстракты и индивидуальные соединения из этих морских животных оказывают цитотоксическое, противовоспалительное, антиопухолевое и гипотензивное действие, проявляют антивирусные и антимикробные свойства. Некоторые из этих веществ играют важную экологическую роль, будучи токсичными для многих морских животных и микроорганизмов. Высокая физиологическая активность морских природных соединений и специфичность их действия на те или иные биологические системы могут служить основой для создания новых лекарств и биопрепаратов.

С другой стороны, изучение природных соединений морского происхождения, в том числе из иглокожих и губок, имеет и теоретическое значение. Оно увеличивает число известных структурных типов стероидов, терпеноидов, алкалоидов и др., вносит существенный вклад в развитие соответствующих разделов органической и биоорганической химии, расширяет наши знания о биосинтезе природных соединений и особенностях их метаболизма в той или иной систематической группе животных. Целью настоящей работы является выделение и установление строения изопреноидных соединений из морских беспозвоночных, а также изучение их свойств.

В ходе проведенной работы был изучен стериновый состав 19 образцов тропической губки Тгаскуорзкч halichondroid.es, содержащих трисульфатированные стероиды с высокой цитотоксической активностью, и стериновые фракции некоторых дальневосточных губок. Установлена взаимосвязь между стериновым составом губки и наличием в ней трисульфатированных стероидов. Определено химическое строение восьми новых стероидов и двух терпеноидных соединений. Проведено изучение таксономического распределения полярных стероидов в офиурах, на основании которого предложено два возможных направления эволюции структур данных соединений в офиурах. Впервые выделены полярные

стероиды из представителей класса Сппо1с1еа (морские лилии), что открывает перспективы к более полному пониманию эволюции стероидного метаболизма в иглокожих.

В работе использованы следующие сокращения: РАВМБ - масс-спектрометрия с ионизацией быстрыми атомами; ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография; ГЖХ - газожидкостная хроматография; ЯМР -ядерный магнитный резонанс; ЯЭО - ядерный эффект Оверхаузера; КССВ -константа спин-спинового взаимодействия; КД - круговой дихроизм; ВИЧ -вирус иммунодефицита человека.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Изопреноиды - одна из самых представительных групп природных соединений. К этой группе относятся стероиды, терпеноиды и другие вещества, которые биосинтезируются из мевалоновой кислоты и отличаются огромным структурным разнообразием и оригинальными химическими свойствами. В последние годы несколько тысяч новых изопреноидов выделено из морских объектов - беспозвоночных и водорослей.

Стероиды - соединения, в основе структуры которых лежит скелет циклопентанпергидрофенантрена. Выделяют следующие типы стероидов: половые и кортикоидные стероидные гормоны, желчные спирты и кислоты, сапогенины, стерины [1].

2.1. СТЕРИНЫ ГУБОК.

Стерины являются обязательным структурным компонентом мембран эукариотических клеток. От их присутствия и содержания зависят такие важные свойства мембран, как текучесть и проницаемость для ионов. Кроме того, стерины в живых организмах служат исходным материалом для синтеза других стероидов. По химической природе стерины являются одноатомными спиртами, обычно содержащими 27, 28 или 29 атомов углерода и имеющими боковую цепь, присоединенную к положению 17. Известно, что в наземных организмах преобладает лишь несколько стероидных спиров: холестерин (1) - в животных,

В то же время, морские беспозвоночные, особенно стоящие на низших ступенях эволюционного развития (в частности, губки), содержат чрезвычайно богатый набор стеринов по сравнению с другими организмами.

Систематическое изучение стероидного состава губок началось в конце сороковых годов с работ Бергмана и его учеников [2-4], которым удалось выделить из экстрактов морских губок новые для того времени соединения хондрилластерин (4) [2] и неоспонгостерин (5) [3]. В этот период были идентифицированы основные стерины более чем для пятидесяти видов губок.

В 1970-х годах начался новый этап в изучении стеринов губок. Стали использоваться более современные методы разделения и анализа стериновых смесей (аргентационная хроматография и ГЖХ) и их структурного изучения. Стало очевидным, что стериновые смеси губок могут быть очень сложными по составу.

Изучение стероидного состава 25 видов губок итальянскими химиками [5] показало, что в основной массе этих животных наиболее широко представлены А5 -стерины с обычным строением циклической системы и боковой цепи. Нередко встрчаются и станолы. Они были идентифицированы в Agelas oroides, Chondrilla nucula [5] и некоторых других губках. Гораздо более редкими для губок являются стерины с 7(8)-ненасыщенностью. Они были найдены вместе со станолами в A. oroides и еще нескольких видах. В семействах Spongidae, Dysideidae и двух видах Axiiiellidae были обнаружены А5,7 -стероидные спирты, типичные для грибов, что, возможно, связано с высоким содержанием подобных микроорганизмов - симбионтов в губках данных семейств. Из Axinella cannabina были выделены перекись эргостерина (6) и перекись холеста-5,7,22-триен-Зр-ола

(7). Значительный интерес представляло обнаружение в SteПata с1аге11а ранее неизвестных для морских объектов 3-кетопроизводных типа 8 [6].

Совместное присутствие в губках Д4-3-кетонов, станолов и А5- стеринов позволило предположить, что Д4-3-кетоны являюся промежуточными соединениями при восстановлении 5(6)-двойной связи в стеринах [7].

В губке Шетпа /огИя [8] были найдены стероидные спирты с 5,7,9(11)-ненасыщенностью стероидного ядра: эр го ста- 5,7,9 (И), 2 2-тетр аен - 3 (3 - о л (9) и 24^-этилхолеста-5,7,9(11),22-тетраен-3(3-ол (10). Аналогичные соединения были идентифицированы в экстрактах А. саппаЫпа [8].

В этой же губке было обнаружено десять А8- стеринов, в том числе 11-13, которые редко обнаруживают в природных объектах. Они являются, как правило, промежуточными продуктами на пути от ланостерина к холестерину и другим А5- стеринам. Присутствие таких соединений указывает на то, что синтез de novo через ланостерин происходит либо в клетках самого животного, либо в симбионтных микроорганизмах.

Строение многочисленных идентифицированных в губках стероидных спиртов устанавливали сочетанием химических и физико-химических методов, причем на ранних этапах изучения использовались почти исключительно химические методы, такие как озонолиз и встречный синтез из карбонильного производного по реакции Виттига. В последующие годы все большую и большую роль играли физико-химические методы, таких как ГЖХ-МС, МС высокого разрешения, 13С ЯМР и !Н ЯМР высокого разрешения.

С выделения из губки Уегоп^а аегоркоЬа аплистерина (14) и его 24(28)-дегидроаналога (15) [9] начинается история "необычных стероидов губок". К ним относятся соединения, не имеющие аналогов среди зоо- и фитостеринов наземного происхождения. Можно выделить две группы таких стеринов: 1) соединения с "необычной" боковой цепью и 2) соединения с модифицированным тетрациклическим ядром.

Под "необычной" боковой цепью имеются в виду укороченная боковая цепь (менее 8 атомов углерода), удлиненная боковая цепь (более 10 атомов углерода), боковая цепь с необычным характером алкилирования, а также боковая цепь, содержащая тройную связь или трехчленный цикл.

JI. Гоад отмечал четыре типа биогенеза стеринов губок: биосинтез de novo, получение с пищей, модификация полученных с пищей стеринов и синтез de novo симбионтными организмами. В ранних работах по изучению биогенеза использовались водорастворимые меченые изопреноидные предшественники: ацетат и мевалонат [10, 11]. Были получены результаты, свидетельствующие о том, что одни губки могут синтезировать стерины de novo, а другие нет, причем эти губки могли относиться к одному отряду, семейству и даже роду.

Позднее, уже в начале 90-х годов группа под руководством К. Джерасси , изучая биосинтез морских липидов, показала, что водорастворимые предшественники (ацетат, метионин, мевалонат) не подходят для изучения биосинтеза стероидов в губках, так как плохо ими усваиваются. Используя липидный предшественник (сквален) было показано, что все губки способны осуществлять биосинтез de novo, хотя и в разной степени [12].

2.1.1. 19-Норстанолы.

19-норстанолы - стерины, имеющие насыщенное стероидное ядро, деалкилированное при С-10. Были впервые выделены из губки Axinella polypoides [12]. Биосинтез этих соединений впервые был изучен итальянскими химиками Л. Минали, Г. Содано и сотр. [10], которые показали, что исходным веществом, от которого отщепляется ангулярная метальная группа в процессе биосинтеза 19-норстанолов, является холестерин. Более детально этот процесс был изучен позднее в лаборатории К. Джерасси с использованием меченых предшественников [13]. Схема соответствующих превращений дана ниже.

Изучение биосинтеза 19-норстеринов имеет практическое значение, поскольку с помощью соответствующих ферментных систем открывается возможность получения 19-нор-Д4-3-кетонов, которые затем возможно трансформировать в оральные контрацептивы норэтиндронового типа (17).

2.1.2. А-Норстанолы

А-Норстанолы - стерины с сокращенным в кольце А циклом. Они были обнаружены в нескольких видах губок [14-16], причем в пяти видах из семейства АхшеШс1ае являлись основными компонентами соответствующих фракций. Некоторые стерины этой серии имеют двойные связи в стероидном ядре. Среди них и первый природный стероид с 15(16)-двойной связью (18) из НотоахтеИа /тс/гуя. [17].

Биосинтез А-нор стероидного ядра (с) идет через стадию окисления А5- ядра (а) до А4-3-кетона (Ь), как и в случае 19-норстанолов. Затем связь между С-2 и С-3 размыкается, а связь между С-2 и С-4 замыкается, как показано на схеме.

2.1.3. Высокоалкилированные стерины губок.

Целая серия стероидных спиртов губок имеет в боковой цепи дополнительные метальные группы, а также метальные группы в необычных положениях по сравнению с фито- и зоостеринами обычного строения. Первыми представителями этой серии были аплистерин (14) и 24(28)-дегидроаплистерин (15). В последующие годы был выделен рад высокоалкилированных стеринов. Основные работы в этом направлении были проведены исследовательскими группами под руководством профессоров К. Джерасси, Л. Минали и В.А. Стоника [18-20]. В таблице 1 мы постарались привести все известные к настоящему времени высокоалкилированные стерины.

Таблица 1.

Высокоалкилированные стерины губок.

№ п/п Название № соединения Тип ненасыщен ности Источник выделения Боковая цепь Литература

С29- стерины

1 аплистерин 14 А5 Уеюп^Ш аеюркоЬа 1 4; 9

2 24(28)-дегидро-аплистерин 15 А5 Уегоп%1а аегоркоЬа 9

3 25(27)-дегидро-аплистерин 19 А5 Уегоп£и1а саиИ/оптз .28 26 ^ 29 21

4 26-дегидро-аплистерин 20 Д5 Ре1го>Ш1 /¡ел/оптя 22

Продолжение таблицы 1.

5 джаспистерин 21 А5 JaspLs 8(еШ/ега 23

6 изоджаспистерин 22 А5 з1еШ/ега 23

7 22,25(27)-диде-гидроаплистерин 23 А5 РяеиНахг- пвИа ктасИаПа 26 29 24

8 фицистерин 24 А5 РеКоБга /¡слрогпт 27 25

Сзо-стерины

9 24-изопропилхоле-стерин 25 А5 РкегШах!-пузза ер. 26

10 22-дегидро-24-изо-пропилхолестерин 26 А5 Рж1к1ах1-пузза зр. 26

И 24-изопропенил-холестерин 27 А5 УегогщШа саиИ/оптз 27

12 24-изопропенил-холест-7-ен-Зр-ол 28 А7 Луж/еа кегЬасеа 28

13 3 р - гидр окси м етил - А-нор-24-пропил- 5а-холестан 29 Д° А-нор неиденти-фицирован-ная губка 29

14 24-пропилиден-холестерин 30 А5 Petrosia /¡а/оггмз 22

15 24-этил-24-метил-холестерин 31 А5 РзеиЛахг-пута эр. 29 27 30

Продолжение таблицы 1.

16 25-метил-фукостерин 32 А5 Pseudaxi-nyssa sp. 27 30 ) )

17 стеллифер астерин 33 А5 Jaspis steUifera 27 31 ¡0

18 изостеллифера-стерин 34 А5 Jaspis stellifera 31

19 А7-стеллифера-стерин 35 А7 Xestospongia sp. 32

20 стронгилостерин 36 А5 Strongylo- phora durissima 33

21 мутастерин 37 А5 Xestospongia muta Y^V 34

22 ксестостерин 38 А5 Xestospongia muta Y-V 35

23 5(6)-дигидро-ксестостерин 39 А0 Xestospongia muta 35

24 (25Е) веронгула-стерин 40 А5 Verongula cauliformis rV 21

25 (25Z) веронгула-стерин 41 А5 Xestospongia muta. 34

26 пульхр астерин 42 А7 Aciculites pulchra 36

Продолжение таблицы 1.

Сз1-стерины

27 аксиниссастерин 43 А5 Рхеискт- ПуКП 8р. 30 ^ 29 26 27 30

28 24-третбутил-22-дегидрохолестерин 44 А5 ТгасЛуорзгз ер. 28

29 сутинастерин 45 А7 ХелШроп^к! ер. 29 28г Г 1 1Г з< 27 32

30 А°-сутинастерин 46 А° Хе51озрощ1а Я». 32

31 25-метилксесто-стерин 47 А5 Хе$1оярощ1а ер. 37

32 ксестоспонго-стерин 48 А5 Хе$1о$рощш ер. 28 29 26 38

33 изоксестоспонго-стерин 49 А5 ХезШроп&а ер. 38

Сз2-стерины

34 24-этил-26,26,27-триметилхолеста-7,26(30)-диен-3р-ол 50 А7 Хел1охрогщ1а ер. 29 „31 25| ^30 2 »N>32 32

Как видно из таблицы, боковые цепи "необычных стеринов" имеют одну (14, 15, 19-36), две (37-46) или три (47-49) дополнительные метальные группы по сравнению с обычными С28- или С29 стеринами. В отличие от наземных организмов, где алкилирование идет только по двум положениям: 24 и 28, в стеринах губок алкилируются и другие положения: 25, 26, 27, 29, причем иногда может происходить алкилирование сразу по нескольким положениям в боковой цепи.

Алкилирующим агентом, участвующем в биосинтезе как наземных стеринов, так и стеринов губок является S-аденозилметионин (SAM).

NH;

coo" сн3 У:

+ I !+ П

NH3 -CHCH2CH2-S 4

СН2^ Л.

N

"N N'

НО

ОН

SAM

Процесс метилирования с помощью SAM может включать три этапа: 1) взаимодействие с двойной связью и образование карбокатиона; 2) отщепление протона от углерода, соседнего с несущим заряд, и 3) восстановление двойной связи, а также, протекающую в некоторых случаях миграцию двойной связи. У наземных организмов при построении боковой цепи происходит , как правило, не более двух актов взаимодействия с SAM, и боковые цепи не имеют более десяти атомов углерода. Образование боковых цепей высокоалкилированных стеринов губок происходит в результате трех-четырех последовательных взаимодействий с SAM. Непосредственными предшественниками стеринов губок могут быть, помимо С27-стерина - десмостерина (51), С28-стерины: эпикодистерин (52), кодистерин (53), а также метиленхолестерин (54). В начале 90-х годов биосинтез высокоалкилированных стеринов изучался К. Джерасси и сотрудниками с использованием меченых предшественников [12, 38-40.]. В ходе этих работ были выявлены пути образования высокоалкилированных боковых цепей некоторых из стеринов губок [12, 40]. Было замечено, что в одних случаях процесс биосинтеза идет строго стереоселективно, в других нет [12]. Например, 25(27)-дегидроаплистери�