Combinatii complexe model pentru SOD

Combinatii complexe model pentru SOD

S-a observat faptul ca radicalul superoxid (O₂¯) apare in organism in cantitate mare dupa ischemie urmata de reperfuzie, expunere la radiatie sau activarea celulelor albe in cazurile autoimune de tipul artritelor. Superoxidul joaca de asemenea un rol important in initierea bolii lui Parkinson, in promovarea tumorilor si in procesele de degenerare celulara promovate de SIDA. Protonarea superoxidului HO₂· (radicalul perhidroxil) poate initia autooxidarea membranelor lipidice si determina distrugerea selectiva a ADN-ului.

In aceste cazuri enzimele de tip SOD nu pot lupta cu productia marita de O₂¯ si ca urmare utilizarea unui compus cu activitate de tip SOD (o sinzima) poate fi utila in terapie acestor afectiuni. Studiile efectuate au pus in evidenta faptul ca unele combinatii complexe ale cuprului, manganului, fierului si nichelului pot cataliza diproportionarea O₂¯ la H₂O₂ and O₂ similar cu SOD.

Combinatiile complexe cu masa moleculara mica care au activitate similara cu aceste enzime se pot utiliza ca medicamente pentru prevenirea sau tratamentul afectiunilor legate de supraproductia de superoxid. [14]

Pentru a fi un bum mimetic pentru SOD, o combinatie complexa trebuie sa indeplineaca urmatoarele cerinte:

- activitate de tip SOD;

- solubilitate mare in apa;

- stabilitate termodinamica si cinetica mare;

- liganzi cu capacitate donoare medie si flexibili;

- un potential de reducere corespunzator pentru a cataliza disproportionarea superoxidului (in domeniul -0.33 - 0.65 V);

- pozitii coordinative libere sau liganzi care se pot inlocui usor;

- o activitate buna in domeniul de pH 6÷8;

- pentru a fi activ in vivo un astfel de compus ar trebui in plus sa aiba capacitatea de a se acumula atat inregiunea lipofila cat si in cea hidrofoba a celulei;

- o toxicitate scazuta;

- specificitate in conditii biologice;

- o biodistributie optima precum si o stabilitate metabolica mare.

1. Combinatii complexe ale cuprului cu activitate de tip SOD

Deoarece Cupru este centrul activ al Cu,Zn-SOD, multe combinatii complexe ale acestui ion metalic au fost sintetizate si testate, cercetarile aratand ca multe combinatii complexe au activitate de tip SOD. Un numar mare de combinatii complexe ale Cu(II), mono sau binucleare cu liganzi polifunctionali liniari, heterociclici sau macrociclici cu atom donor oxigen sau azot au fost studiate ca modele structurale, spectroscopice sau functionale ale SOD-ului de la mamifere. Unii compusi de acest tip pot fi considerati sinzime (analogi sintetici) pentru SOD deoarece au capacitatea de a cataliza disproportionarea superoxidului prezentand astfel aproape aceasi activitate catalitica ca enzima. Cu toate ca multe combinatii complexe prezinta activitate de tip SOD nu s-a reusit pana in prezent obtinerea unor medicamente pentru uz uman ci doar veterinar.

Exemple: combinatii complexe ale Cu(II) cu histidina [4], combinatii complexe ale Cu(II) cu derivati macrociclici poliaminici[5], azotat de bis (2,9-dimetil- 1.10 -fenantrolina) Cu (I) (Cu (I) (DMP)₂[6] , Cu (II)-oligopeptide si Cu (II) (salicilat)₂[7].

Tabel 1. Activitatea de tip SOD, procentul de reactivitate si viteza de disproportionarea a superoxidului pentru unele combinatii complexe de cupru si Cu,Zn-SOD

Deoarece reactia de disproportionarea implica ciclul redox Cu(II) si Cu(I), se asteapta ca potentialul redox al sistemului combinatie complexa Cu(II)/combinatie complexa Cu(I) sa influnteze activitatea de tip SOD in timp ce ligandul va influenta potentialul redox . S-a observat ca, combinatia complexa His-Phe-Cu(II) are o buna activitate de tip SOD (K=3,57∙10⁹ M^-1s^-1) in timp ce Phe-His-Cu(II) nu are activitatea SOD (K=9.9∙10⁴M^-1s^-1) [8]

Prin compararea unor derivati poliaminici macrociclici ai Cu(II), s-a observat ca activitatea depinde de dimensiunea ciclului, tipul si natura substituentilor macrociclului. Prin modificarea structurii chimice acestora se poate imbunatatii activitatea biologica.

Cu toate ca studiile in vitro ale acestor combinatii complexe ale Cu sunt promitatoare, experimentele in vivo au fost dezamagitoare.

Primul motiv este ca multe combinatii complexe sufera in vivo disociere cu formarea ionilor de Cu care se combina ulterior cu componente din ser si isi pierd activitatea de tip SOD. Cel de-al doilea motiv se refera la reoxidarea compusului redus de catre O₂⁻_.Spre deosebire de SOD (K₁=0.44M^-1s^-1) cei mai multi compusi ai Cu au K₁ in domeniul 10³-10⁵M^-1s^-1.

In conditii fiziologice, concentratia de O₂⁻ este de aproximativ 10^-11M. Daca k₁[O₂] >k₂[O₂⁻], constanta de viteza a compusilor cu ioni metalici pentru a cataliza disproportionarea O₂⁻ ar fi: Kr_eal=2K₁K₂ /(K₁+K₂+K-₁[O₂]/[O₂⁻]).

Ca urmarea, acesti compusi pot sa mimeze SOD doar atunci cand k₁<10M^-1s^-1.

Doua combinatii complexe ale Cu(I) cu curcumina (raport Cu:curcumina 1:1 si 1:2) au fost examinate pentru a determina activitatea SOD, capacitatea de a indeparta radicalii si potentialul antioxidant. Ambele combinatii complexe sunt solubile in lipide si DMSO. Combinatia Cu(II)-curcumina ( 1 :1) care are o distorsiune mai mare fata de structura plana are o activitate SOD mai mare [16].

Recent au fost preparate combinatii complexe ale Cu (II) cu liganzi micsti, un carboxilat (acetat (CH₃COO), salicilat (salH) sau benzoat (BZA)) si unul de tip chelat (1,10-fenantrolina (fen) sau 2,2'-dipiridil (bipy)} sau aminic monodentant cu azot ca atom donor. Structurile cristaline au fost determinate cu raze X pentru combinatia complexa cu stereochimie de piramida patrata [Cu(BZA)₂(bipy)(H₂O)] si doua combinatii complexe patrulatere planareCl₄OH}. Acesti compusi prezinta deasemenea o activitate antiproliferativa remarcabila impotriva cancerului de san estrogen independent (BT-20) si cancerul de prostata androgen independent (PC-3). Combinatia are capacitatea de a induce apoptoza la ambele linii celulare dupa un tratatament de 48 de ore. Aceste efecte se obtine probabil prin generarea stresului oxidativ intracelular si initierea caii apoptotice intrinseci [18].

2. Combinatii complexe ale manganului cu activitate de tip SOD

Mn-SOD este situata in mitocondrie. Enzima latenta contine Mn (III) in situsul activ. La pH 7.0, constanta de viteza cu care MnSOD catalizeaza disproportionarea O₂^- este similara cu cea a Cu,Zn-SOD, dar scade la conditii alcaline.

Un numar mare de combinatii complexe ale Mn(II) cu liganzi de tip chelat au fost studiate si s-a evidentiat faptul ca prezinta activitate de tip SOD. Liganzii pentru mangan, sunt in general specii polidentate, aciclice sau macrociclici, cum ar fi TMPyP, EDTA si NTA

Combinatiile complexe de tip [Mn(III)salen] au prezentat activitate protectiva pe modele fata de stresul oxidativ, inclusiv neuroprotectie datorita activitatatii de tip SOD. Combinatia complexa hepta-coordinata a Mn(II) cu 1,4,7,10,13-pentaazaciclopentadecanul si liganzi transdicloro (SC-52608) este un catalizator eficient al disproportionarii O₂¯, prezinta o stabilitate termodinamica rezonabila si este inerta cinetic. Prezinta un spectru mare de activitate biologica care include inhibarea distrugerii neutrofil-mediata a celulelor endoteliale ale aortei umane, atenuarea inflamarii, protectie impotriva ischemiei miocardului si leziunilor care apar dupa reperfuzie si inhibarea leziunilor tesutului coronarian. Eficienta catalitica si stabilitatea acestei combinatii complexe pot fi imbunatatite prin modificarea substituentilor macrociclului.

Combinatia complexa M40403 are o activitate apropiata de a enzimei si este stabila la sterilizare la temperatura ridicata. M40403 se afla in faza II a testelor clinice pe oameni din 2003 ca si candidat pentru treatamentul durerilor, inclusiv a celor sinergice evidentiate cu derivati de opiu. M40403 are deasemenea cpacitatea de a reduce eroziunea cartilagiilor si oaselor precum si inflamarea cronica in artrita reumatoida. Aceste modele pentru SOD pot furniza un tratament protectiv de suprafata prin atasare la dispozitive medicale implantate fabricate din polietilena, tantal, platina sau otel inoxidabil.

Au fost obtinute doua noi complexe cu mangan(III) bazate pe liganzi tridentati cu ciclu imidazolic si fenolic. Structura liganzilor favorizeaza oxidarea Mn(III) datorita compatibilitatii geometriei combinatiilor complexe cu o distorsiune tetragonal Jahn-Teller fapt demonstrat prin difractie cu raze X pentru una dintre combinatiile complexe. Aceasta a indus o scadere a potentialului oxidativ pentru cuplul Mn(III)/Mn(II) ce poate fi corelata cu activitate SOD [19]

Combinatii complexe ale fierului care prezinta activitate de tip SOD

Fe-SOD se gaseste in bacterii, alge si plante superioare.

In ciclul catalitic fierul oscileaza intre Fe(III) si Fe(II). Combinatiile complexe ale fierului cu activitate de tip SOD sunt: Fe (EDTA), Fe(III)-tetrakis (4-N-metilpiridil) porfirina (Fe(III)TMPyP), Fe(II)_tetrakis-N,N,N',N'(2-piridilmetil)etilenediamina (Fe-TPEN) si Fe (III)-tris [N-(2-piridilmetenil-2-aminoetenil] amina (Fe-TPAA).

La pH 10.1 Fe(III)-TMPyP poate cataliza disproportionarea cu o constanta de viteza de 3·10⁷ M^-1s^-1[11]. Alti analogi TPAA in combinatii complexe cu Fe si Cu au activitate SOD mare.

Probabil ca ciclul piridinic al TPAA furnizeaza pentru ionul metalic un mediu coordinativ similar cu cel din SOD nativa [12] Cu toate acestea, activitatea in vitro, nu corespunde intotdeauna cu cea in vivo. In vitro, activitatea SOD a Fe-TPEN este de 100 de ori mai mare decat a Fe-TPAA pe cand in vivo Fe-TPAA are un nivel de protectie de 10 ori mai mare comparativ cu Fe-TPEN [11].

Ca un potential catalizator de tip Fenton, in prezenta H₂O_2, Fe(II)-TPEN reactioneaza cu H₂O₂ pentru a genera radicalul hidroxil si Fe(III)-TPEN dupa care Fe(III)-TPEN sufera reducere cu GSH sau ascorbatul. [14]

Fe(II)-TPEN+H₂O₂→Fe(III)-TPEN+OH +OH^∙

Deci, in vivo, Fe(II)-TPEN ca un mimetic al SOD are ca efect secundar capacitatea de a genera OH^∙.

Concluzii

• Anionul superoxid rezulta din multe procese de imbatranire si in plus poate genera si alte specii reactive ale oxigenului de tip ^∙OH, ^∙NO₂, H₂O₂
• tintele acestuia sunt multe enzime si clusterii fier sulf din membranele celulare
• Superoxid dismutazele sunt enzime prezente la eucariota, bacterii, plante , matricea mitocondriala care catalizeaza .. formarea O₂^¯
• Se cunosc trei tipuri de SOD fiecare avand un ion metalic diferit in situsul catalitic.
• Cele mai intalnite forme ale enzimei sunt superoxid dismutaza ce contine cupru si zinc (Cu,Zn-SOD), superoxid dismutaza ce contine mangan (Mn-SOD) si superoxid dismutaza ce contine fier (Fe-SOD) (care se gaseste la bacterii si    plante .
• Cu,Zn-SOD au fost caracterizate cu ajutorul difractiei de raze X si datele obtinute au permis ciclul reactiilor enzimatice  ? ? ????????

• Combinatiile complexe studiate ca modele pentru SOD sunt combinatii complexe ale cuprului, manganului sau fierului cu liganzi polidentati cu atomi donori azot sau oxigen care mimeaza situsul coordinativ al diverselor forme de SOD.
• Pentru unele din aceste specii s-a evidentiat capacitatea de disproportionare a anionului superoxid cu viteze apropiate de cele ale enzimelor native. Combinatiile de acest tip care prezinta toxicitate scazuta se afla in faza testelor clinice ca medicamente pentru tratamentul afectiunile insotite de superproductia anionilor superoxid in organism
• Dezavantajul utilizarii combinatiilor complexe ale cuprului in acest scop este inactivarea lor in vivo datorita coordinarii la biomolecule si ca urmare este necesara obtinerea de combinatii complexe noi cu stabilitate mai mare
• Combinatiile complexe ale cuprului in vitro sunt eficiente ca antiinflamatoare si pentru unele s-a pus recent in evidenta si capacitatea de a determina regresia tumorilor

Obiective

Sinteza de combinatii complexe noi ale cuprului cu liganzi polidentati flexibili, cu liganzi cu atomi donori azot, prin metoda template.

Caracterizarea in stare solida a combinatiilor complexe (analiza chimica, analiza termica, spectre IR si electronice)

Caracterizarea in solutie a combinatiilor complexe (spectroscopie electronica)

Stabilirea capacitatii de fixare a superoxidului de catre combinatiile complexe (spectrofotometric)

Stabilirea activitatii de tip SOD