Design and Synthesis of Inhibitors for Undecaprenyl Pyrophosphate Synthase

大腸桿菌 (E.Coli.) 的十一異戊二烯焦磷酸合成酶 (undecaprenyl pyrophosphate synthase, UPPs)，可以催化一個法呢基焦磷酸酯 (farnesyl pyrophosphate, FPP) 與八個異戊二烯焦磷酸酯 (isoprenyl pyrophosphate, IPP) 進行八次連續縮合反應，得到五十五個碳的十一異戊二烯焦磷酸酯 (undecaprenyl pyrophosphate, UPP)。而UPP 可以作為脂質攜帶者，在細菌細胞壁的生合成中將Lipid II翻轉到細胞膜外。本論文的研究目的在於設計及合成一系列具有苯磺醯胺及羧酸根官能基的化合物，來抑制UPPs的生物活性，進而阻斷細菌細胞壁的合成，希冀能發展成為新型抗生素。先，以UPPs和其天然受質法呢基焦磷酸 (farnesyl pyrophosphate, FPP) 的X光結晶圖為基礎，利用化學計算軟體Discovery studio 2.0對UPPs進行嵌合 (docking) 及虛擬篩選 (virtual screening)。在分子設計上，引入了親水性的苯磺醯胺、羧酸、丙二酸官能基與活性中心周圍胺基酸支鏈產生氫鍵及靜電引力；而在疏水性通道的部分，以香豆素 (coumarin)、3-羥基黃酮 (3-hydroxyflavone)、喹唑啉酮 (quinazolinone)、吖啶 (acridine) 作為分子骨架與疏水性的胺基酸形成疏水性作用力，同時也製備具有離去基Br及異硫氰酸基 (isothiocyanate, NCS) 的化合物，希望能與具有親核性的胺基酸形成共價鍵結，成為不可逆的自殺型抑制劑 (irreversible suicide inhibitor) 並進行生物活性的測試及探討。Undecaprenyl pyrophosphate synthase (UPPs) catalyzes eight consecutive condensation reactions of farnesyl pyrophosphate (FPP) with eight isopentenyl pyrophosphate (IPP) to form undecaprenyl pyrophosphate (UPP). UPP is a 55-carbon- long-chain product, which is a lipid carrier transporting lipid II across the membrane in the biosynthesis of bacterial cell wall. In this study, I design and synthesize a series of potential molecules with sulfonamide and carboxylic acid to inhibit UPPs activity and block biosynthesis of bacterial cell wall.ased on the X-ray co-crystal structure of FPP with UPPs, I use Discovery Studio 2.0, a computional chemistry software, to design molecular fragments and do virtual screening. On the molecular design, I use hydrophilic fragments: sulfonamide, carboxylic acid, and malonate to form hydrogen bonding and electrostatic interaction with amino acid side chain around active site. In the hydrophobic tunnel, I use coumarin, 3-hydroxyflavone, quinazolinone, and acridine as hydrophobic fragments to form hydrophobic interactions with hydrophobic amino acid side chains. Molecules appending with bromide and isothiocyanate may act as irreversible suicidal inhibitor forming covalent bond with nucleophilic amino acid side chain. Moreover, we also evaluated their inhibition abilities with biological assay.目錄………………………………………………………………………………………I目錄…………………………………………………………………….……………III目錄………………………………………………………………………………….VI稱用語對照表……………………………………………….…………...…………VII文摘要………………………………………………………….……………….…VIII文摘要………………………………………………………….……………….…....X一章 緒論…………………………………………………………………………..1.1 抗生素作用機制分類………………………………………………………...…...1.1.1抑制細菌細胞壁的合成………………………………………………….……2.1.2破壞細菌細胞膜的滲透性………………………………………………...…..5.1.3抑制蛋白質的合成………………………………………………………….....6.1.4抑制核酸的合成……………………………………………………………....8 .1.5抑制重要新陳代謝物的合成………………………………………………….9.2 異戊二烯焦磷酸合成酶的介紹………………..……………………………….….9.2.1蛋白質異戊二烯轉移酶 (protein prenyltransferases) 的介紹……………...10.2.2萜類環化酶 (terpenoid cylases) 的介紹………............................................12.2.3十一異戊二烯焦磷酸合成酶 (UPPs) 的介紹……………………...……15.2.4 UPPs與基質結合結構分析………………………………………………..17.2.5 UPPs催化IPP和FPP縮合的可能反應機構推測……………………….….19.2.6 UPPs的構形變化研究………………………………….................................23.3 針對UPPs的抑制劑文獻回顧……………………..…………………….……...25 1.3.1本實驗室關於UPPs螢光探針的研究回顧…………………….……………28二章 抑制劑分子的設計與合成……………………………….....……………..…30.1針對UPPs的抑制劑研究動機………………………..……………………………30.2所設計及合成的可能抑制劑分子的結構……………..…………….………….…35 2.2.1香豆素系列分子的設計及合成……………..…………………….…………35 2.2.2 3-羥基黃酮系列分子的設計及合成………………………...………………43 .2.3 喹唑啉酮系列分子的設計及合成…………….……………………………50.2.4 苯磺醯胺系列分子的設計及合成…………….……………………………53.2.5 吖啶系列分子的設計及合成………………….……………………………54三章 生物活性測試實驗結果與討論…………………………………...…………56.1電腦輔助藥物設計………………………...……………..………………….……..56 3.1.1評分函數……………………………………………………………………...57.1.2分子模擬計算及酵素抑制實驗……………………………………………...59.2 化合物抑制活性測試方法與結果………………………………………...….…..60.3 化合物抑制活性測試結果與討論………………………………..…….………...67.4 總結………………………………………………………………..…….………...71驗部分………………………………………………………………………………72 一、一般敘述……………………………………………………………………..72、合成步驟及光譜數據………………………………………………………..74考文獻……………………………………………………………………………85錄………………………….........................................................................................9