Experimental and theoretical investigation of structure-antiradical activity relationship of selected neurotransmitters, their precursors and metabolites

Predmet istraživanja ove doktorske teze je in vitro određivanje antiradikalske aktivnosti odabranih neurotranmitera, njihovih prekursora i metabolita, a u cilju uspostavljanja odnosa na liniji struktura-antiradikalska aktivnost. Rezultati su upotpunjeni teorijskim proračunima kako bi se dobila potpuna slika parametara važnih za aktivnost prema radikalima od interesa, ali odredili termodinamički i kinetički najpovoljniji mehanizmi. Veliki broj spoljašnjih faktora utiče na povećanje koncentracije slobodnih radikala u organizmu pri čemu nastaje oksidacioni stres. U ovom procesu se ireverzibilno oštećuju biološki značajni molekuli i to dejstvom reaktivnih vrsta kiseonika, azota, hlora i sumpora. U literaturi je pokazano da su slobodni radikali direktno ili indirektno povezani sa razvojem neurodegenerativnih bolesti (Parkinsonove, Alchajmerove, šizofrenije i amiotrofične lateralne skleroze). Aktivnost može biti izražena ili kroz oksidaciju biološki molekula ili formiranje polimernih struktura, odnosno plakova. Većina ispitivanih egzogenih antioksidanasa ne može preći krvno-moždanu barijeru, tako da se ne mogu direktno koristiti za lečenje neurodegenerativnih bolesti. Zbog toga se sve veći značaj pridaje molekulima koji su prisutni u organizmu. Po svojoj strukturi, većina neurotransmitera pripada klasi kateholamina, odnosno poseduju kateholnu grupu koja je i čest strukturni parametar dobrih antioksidanasa. Dopamin, norepinefrin, epinefrin, njihov prekursor L-DOPA i dopaminski metabolit DOPAC poseduju ovu strukturnu jedinicu. Zamenom jedne hidroksilne grupe metoksigrupom nastaju 3-metoksitiramin, homovanilinska kiselina, vanililbademova kiselina (vanillylmandelic acid – VMA), značajni metaboliti neurotransmitera koji se eksperimentalno određuju prilikom dijagnoze bolesti povezanih sa promenom koncentracije dopamina. Tiramin, tirozin i oktopamin imaju hidroksilnu grupu u ppoložaju u odnosu na alifatični niz dok fenilalanin i feniletilamin u strukturi nemaju hidroksilne grupe na aromatičnom prstenu. Tri hidroksilne grupe na aromatičnom prstenu v su prisutne kod 6-hidroksidopamina. Svi ovi molekuli su uključeni u istraživanje kako bi se eksperimentalno i teorijski odredili strukturni parametri, broj i vrsta supstituenata, kao i krajnje grupe alifatičnog niza značajni za antiradikalsku aktivnost.The research topic of this doctoral dissertation is in vitro determination of antiradical activity of selected neurotransmitters, their precursors and metabolites, with the main goal of establishment of the structure-antiradical activity relationship. The results incorporate theoretical calculations in order to obtain a full picture of parameters important for activity towards radicals of interest, but also to determine the thermodynamically and kinetically most favorable mechanism. A large number of external factors influences the increase in the concentration of free radicals which leads to oxidative stress. In this process, the biologically important molecules are irreversibly damaged by the activity of reactive oxygen, nitrogen, chlorine and sulfur species. It is shown in the literature that free radicals are directly or indirectly connected to the development of neurodegenerative diseases (Parkinson, Alzheimer, schizophrenia, amyotrophic lateral sclerosis). The activity of the reactive species is expressed through oxidation of biologically important molecules or the formation of polymeric structures, plaque. The most of investigated exogenous antioxidants cannot cross the blood-brain barrier, therefore they cannot be used for the treatment of neurodegenerative diseases. Because of this, there is an increased interest in the naturally occurring molecules in an organism. Structurally, the majority of neurotransmitters are catecholamines, which means that they possess catechol moiety, the common structural motif of good antioxidants. Dopamine, norepinephrine, epinephrine, their precursor L-DOPA and dopamine metabolite DOPAC have this group. When one of the hydroxyl groups is exchanged with methoxy group the following molecules are obtained: 3-methoxytyramine, homovanillic acid and vanillylmandelic acid. These molecules are experimentally determined in the diagnosis of diseases resulting from a change in the dopamine concentration. Tyramine, tyrosine, and octopamine have one hydroxyl group in p-position with respect to the aliphatic chain. Phenylalanine and phenylethylamine do not possess any hydroxyl groups viii attached to the aromatic ring. There are three hydroxyl groups in the structure of 6- hydroxydopamine. All of these molecules are included in the investigation so experimentally and theoretically important structural parameters like number and type of substituents and end groups of the aliphatic chain are determined