Synthesis and utilization of nitroxide free radicals and their precursors as sensors and possible biologically active molecules  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
104956
Type K
Principal investigator Kálai, Tamás
Title in Hungarian Nitroxidokat és elővegyületeiket tartalmazó szenzorok és biomolekulák szintézise
Title in English Synthesis and utilization of nitroxide free radicals and their precursors as sensors and possible biologically active molecules
Keywords in Hungarian nitroxidok, heterociklusosk, fluoreszcencia, spinjelölés, makrociklusok
Keywords in English nitroxides, heterocycles, fluorescence, spin labeling, macrocycles
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Pharmaceutical chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Institute of Organic Chemistry and Pharmaceutical Chemistry (University of Pécs)
Participants Bognár, Balázs
Hideg, Kálmán
Jekö, József
Pápayné dr. Sár, Cecília
Starting date 2012-09-01
Closing date 2017-06-30
Funding (in million HUF) 17.982
FTE (full time equivalent) 7.22
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
-Új, nitroxidokat tartalmazó vegyületek előállítása, amelyek fehérjék (lizozim, kalmoludin, miozin, rhodopszin) szerkezetéről és működéséről adnak információkat. Elsődlegesen keresztkötések kialakítására alkalmas spinjelző vegyületeket szeretnénk szintetizálni, amelyek a peptidlánc saját mozgását képes követni és arról információt szolgáltatni.
-Új, RNS-hez és DNS-hez kötődő ill. azokba kaltrálódó spinjelző vegyületeket kívánunk kifejleszteni, azok szerkezetének és funkciójának megismerésére.
-Új, paramágneses poliénvegyületek szintézisével (retinol származékok, kurkumin származékok) ezen vegyületek receptorokhoz, biomolekulákhoz történő kötödését ill. antioxidáns sajátságainak változását (remélhetőleg növekedését) szeretnénk tanulmányozni.
-Korábbi kutatások folytatásaként növényfiziológiás vizsgálatokhoz naftálimid alapú kettősszenzor vegyületeket kívánunk szintetizálni. A naftálimid szerkezete lehetőséget nyújt eltérő lipofilitású és így a növényi levélben különböző lokalizációjú kettős szenzor vegyületek előállítására.
- Nitroxidokat tartalmazó makrociklusos rendszerek fémionok, redox rekaciók szenzoraiként működhetnek, ill. ilyen típusú vegyületek biológiai vizsgálata (antimikrobás, daganatellenes) csak korlátozottan történt meg.
- Mindezen biológiai és analitikai célkitűzések mellett nagy kihívást jelent a nitroxid szabadgyök jelenlétében végrehajtható kémiai transzformációk felderítése.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Hipotézis: a stabilis szabadgyökös vegyületek széleskörben használhatók szenzorok készítésére és igéretes farmakofor csoportok.
- Milyen további információkat nyerhetünk a fehérjék és nukleinsavak kovalens módosításával azok szerkezetéről, funkciójáról?
-A nitroxidokkal módosított poliénvegyületekek antioxidáns hatása csökken vagy nő a nitroxidok jelenlétében? A nitroxidokkal módosított kurkuminok megtartják-e eredeti daganatellenes hatásukat?
-A naftálimid származékok módosítása (pl. lipofil oldallánc) hogyan befolyásolja a kettős szenzorvegyületek eloszlását a növényi szövetekben?
- A nitroxidokkal módosított makromolekulák hogyan használhatók analitikai vizsgálatokban ESR spektroszkópia segítségével fény számára nem transzparens közeg esetén? Milyen ezeknek a vegyületeknek a biológiai hatása?
- A stabilis nitroxid szabad gyökök jelenlétében az eddig felderítetten túl milyen reakciók hajthatók végre a szabad gyök irreverzibilis átalakulása nélkül?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
- A fehérjék szerkezetének és funkciójának vizsgálata új gyógyszerek, terápiás eljárások kifejlesztését vonhatja maga után a veleszületett vagy a későbbi patológiás elváltozások kezelésében, így az életminőség javulásához járulhatnak hozzá közvetetten.
- A szervezetben lejátszódó patológiás elváltozások közül több mint száz szabadgyökös folyamatoknak tulajdonítható. Ennek mérséklésében a nitroxidokkal módosított bioaktív molekulák (kurkumin, retinol) jelentős szerepet játszhatnak, így az életminőséget javító gyógyszerek kifejlesztésében fontos szerepük lehet.
- A növényekben különböző stressz körülmények között termelődő reaktív szabad gyökös folyamatok vizsgálata kettős szenzor vegyületekkel hozzájárulhat pl. szárazságtűrő fajok kiválasztásához.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az élő rendszerek működéséről történő ismeretszerzés és szükség esetén ezek befolyásolása az élő természettudományok egyik fontos feladata napjainkban is. Jelen kutatásban ehhez a célkitűzéshez kapcsolódva olyan kis riporter molekulákat (stabilis nitroxid szabad gyököket) szeretnénk szintetizálni, amelyek alkalmasak a fehérjék, nukleinsavak szerkezetének és funkciójának felderítésére, a növényekben lezajló folyamatok detektálására. Ezek az új vegyületek, mint "jó szabad gyökök" alkalmasak lehetnek a káros szabad gyökök által okozott megbetegedések kivédésében is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
-Synthesis of bifunctional spin label reagents for determining topology and structural changes of proteins (lyzozyme, myosine, calmoludin and rhodopsine). The advantage of the planned cross-linking labels is that the nanosecond backbone motions can be detected.

-Synthesis of spin labels that can be bound to DNA and RNA by covalent modification or intercalation or groove-binding to detect function and structure of nucleic acids.

-Synthesis of new paramagnetic polyenes (retinol and curcumin analogues) to study their bindig to biomolecules by EPR experiments and computational simulations. It is also desirable to study their changed antioxidant properties.

-Synthesis of naphthalimide based double (fluorescent and spin) sensor reagents to detect reactive oxygen species formed under stress conditions in plants. Naphthalimides make possible versatile modification of lipofilicity, hence the distribution of sensor molecules in plant leaves.

-Synthesis of nitroxides containing macrocycles as sensor compounds for ions, redox processes. The biological effect of nitroxide or its precursor containing macrocycles has not been investigated and published yet.

- Beyond these analytical and biological applications it is a real challenge to elucidate the scope and limitations of possible chemical reactions in the presence of stable nitroxide free radicals: such as ring formation, carbon-carbon bond formation.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
- What kind of further informations can be achieved on protein structure and function from site directed spin labeling methods by utilization of conformationally constrained spin labels?
-Are naphthalimides useful double sensors (fluorescent and spin) to detect reactive oxygen and nitrogen species in plant leaves?
-How the biological effect of polyenes will be modified upon adding stable nitroxide free radical?
-Can paramagnatecilly modified macrocycles used to detect ions or redox processes ? Have these macrocycles got any beneficial biological effect (anticancer or antimicrobal)?
-What are the scope and limitations of chemical tranformations in the presence of stable nitroxide free radicals?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
- Development of highly sensitive probes to recognize biologically important analytes such as proteins, nucleic acids has long been in the focus of biomedical research. The result of these studies help us to understand the structure and function of biomolecules and eventually contribute the development of new drugs and therapies. It cannot be guaranteed however, that a basic research will directly lead to a new drug.
-Free radicals are involved in most of pathological processes. These can be treated with antioxidant biomolecules and previous studies confirmed that nitroxides as small molecular weight antioxidants (SOD mimics) may contribute to the elimination of reactive oxygen species. The modification of biomolecules (polyenes) with nitroxide free radicals has not been investigated and may contribute to the development of new antioxidant molecules.
- Direct detection of reactive oxygen species in plants under stress conditions require highly reactive and selective indicator (double sensor) reagents. These new double sensor reagents may help to lessen the damage of plants and would mean larger crop yield per photon of light.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The research and regulation of living system is an extremely significant and challenging area in nowadays and brings fruitful benefits to science and humans. The aim of this project to synthesize novel "reporter molecules" (stable nitroxide free radicals) containing molecules which are useful tools in the research of the structure and function of biomolecules. Such small reporter molecules can be applied not only for detection of harmful free radical processes for instance in plants, but they can be used to ameliorate the free radical caused pathological changes also.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A stabilis nitroxid szabadgyökös vegyületeknek számtalan hasznosítása létezik, használják őket MRI/ESRI konraszt anyagként, spinjelzőként, ko-oxidánsként, polimerizációs inhibítorként és ferromágneses anyagok építőköveiként. Az OTKA 104956-os pályázatunk eredményeinben is ez a sokszínűség tükröződik, noha a pályázat alapjául Intézetünk szintetikus kémiai alaptevékenysége szolgál. A főbb eredmények: -Új szintézis módszer kidolgozása 3,4-diszubsztituált pirrolin nitroxidok előállítására -Heterociklusokkal (piridin, pirimidin, pirazol, 1,5-benzotiazepin, 1,3-benzotiazin) ill. szénciklusokkal kondenzált pirrolin nitroxidok előállítása. -1,8-Naftálimid alapú kettős (fluoreszcens és spin) szenzorok előállítása és steady-state vizsgálata, ill. növényi preparátumokban történő vizsgálata. -Merev szerkezetű biradikálisok ill. 13C izotópot tartalmazó biradikálisok előállítása és vizsgálata spincsatolások kísérleti és elméleti tanulmányozása céljából. Spinjelölt aromas aminok szintézise és vizsgálata a huminsavakon történő kovalens kötés tanulmányozása céljából. -Spinjelölt fluorénszármazékok előállítása amelyek képesek az Aoligomerek aggregációját gátolni. A pályázat során 13 felfedező közlemény (össz IF: 23,9), egy összefoglaló könyvfejezet született és kb. 120 új paramágneses vegyület szintézisét közöltük.
Results in English
Stable nitroxide free radicals are used in a variety of fields including spin labeling, MRI contrast agents, construction of organic magnetic materials, co-oxidants, tools for controlled polimerization. This tendency is well presented in our OTKA 104956 grant, the main results are summarized in the following points, but the main stream of project is synthetic organic chemistry: -Synthesis of 3,4-disubstituted pyrroline nitroxides with various substitution patterns. -Synthesis of pyrroline and tetrahydropyridine nitroxides condensed with pyrazole, pyrimidine, selenazole, 1,4-benzoquinone, pyrimidine, 1,5-benzothiazepine, 1,3-thiazine cores. -Synthesis of paramagnetically modified biomolecules such as retinal and curcumine, the latter antiproliferative activity and antioxidant capacity was conducted. -Synthesis of 1,8-naphthalimides modified with nitroxide-precursor for singlet oxygen sensing. -Synthesis of biradicals to study the spin exchange by EPR spectroscopy - Synthesis of paramagnetic aniline derivatives for studying/modeling the humic acid bonding of aromatic amines -Synthesis of spin labeled fluorene which in vitro inhibited the growth of A oligomers and disrupt existing oligomers. These results were published in 13 research papers (ΣIF: 23,9) and 1 book chapter. During the project 120 new nitroxide or nitroxide precursors were synthesized and published.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104956
Decision
Yes





 

List of publications

  
Matthies, M.; Glinka, K.; Theiling, M.; Hideg, K.; Steihoff, H-J: Kinetics of Rapid Covalent Bond Formation of Aniline with : Humic Acid: ESR Investigations with Nitroxide Spin Labels, Applied Magnetic Resonance, 47, 627-641, 2016
Kokorin, A. I.; Zaripov, R. B.; Gromov, O. I.; Sukhanov, A. A.; Kálai, T.; Lamperth, É.; Hideg, K.: Spin Density Distribution in a Nitroxide Biradical Containing 13C-Enriched Acetylene Groups in the Bridge: DFT Calculations and EPR Investigation, Applied Magnetic Resonance, 47, 1057-1067., 2016
Kokorin, A. I.; Gromov, O. I.; Kálai, T.; Hideg, K: Pecularities of Spin Exchange in Nitroxide Biradicals Containing Two para-Phenylene Groups in the Bridge: EPR investigation and DFT Calculations, Applied Magn. Reson. 47, 1283-1293, 2016
Úr, Gy.; Kálai, T.; Hideg, K: Facile syntheses of 3,4-disubstituted pyrroline nitroxides and their further synthetic applications, Tetrahedron Lett. 57, 778-780, 2016
Bognár, B.; Kuppusamy, M.; Madan, E.; Kálai, T.; Balog, M.; Jekő, J.; Kuppusamy, P.; Hideg, K.: Synthesis and Biological Evaluation of Curcumin-Nitroxide Based Molecular Hybrids as Antioxidant and antiproliferative Agents, Medicinal Chemistry DOI:10.217/1871520617666170222124712, 2017
Bognár, B.; Varga, B.; Kálai, T.; Csokona, V.; Gulyás Fekete, G.; Sár, C.; Hideg, K.: Reaction of beta-Bromo-beta,gamma-unsaturated Pyrroline Nitroxide aldehydes and Nitriles with aromatic N-Binucleophyles and S-Binucleophyles, J. Heterocyclic Chem. Doi: 10.1002/jhet.2850, 2017
Úr, Gy.; Gulyás Fekete, G.; Jekő, J.; Hideg, K.; Kálai, T.: Palladium - and/or Copper-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Paramagnetc Vinyl Bromides and Iodides, Synthesis DOI 10. 1055/s-0036-1589034, 2017
Bognár, B.; Kálai, T.; Gulyás-Fekete, G.; Lazsányi, N.; Hideg, K.: Synthesis of Azoles Condensed with, or Linked to, Nitroxides, Synthesis, 985-991, 2015
Úr, Gy.; Kálai, T.; Balog, M.; Bognár, B.; Gulyás-Fekete, G.; Hideg, K.: Synthesis of new pyrroline nitroxides with ethynyl functional group, Synthetic Communications 45, 2122-2129, 2015
Altman, R.; Ly, S.; Hilt, S.; Petrlova, J.; Maezawa, I.; Kálai, T.; Hideg, K.; Jin, L-W.; Laurence, T. A.; Voss, J. C.: Protective spin-labeled fluorenes maintain amyloid beta peptide in small oligomers and limit transitions in secondary structure, BBA Proteins and Proteomics, 1854, 1860-1870, 2015
Úr G, Kálai T, Hideg K: Facile syntheses of 3,4-disubstituted pyrroline nitroxides and their further synthetic applications, TETRAHEDRON LETT 57: (7) 778-780, 2016
Altman R, Ly S, Hilt S, Petrlova J, Maezawa I, Kálai T, Hideg K, Jin L-W, Laurence TA, Voss JC: Protective spin-labeled fluorenes maintain amyloid beta peptide in small oligomers and limit transitions in secondary structure, BBA-PROTEINS PROTEOM 1854: (12) 1860-1870, 2015
Bognár B, Kálai T, Gulyás-Fekete G, Lazsányi N, Hideg K: Synthesis of azoles condensed with, or linked to, nitroxides, SYNTHESIS-STUTTGART 47: (4) 985-991, 2015
Deres L, Bartha E, Palfi A, Eros K, Riba A, Lantos J, Kalai T, Hideg K, Sumegi B, Gallyas F, Toth K, Halmosi R: PARP-Inhibitor Treatment Prevents Hypertension Induced Cardiac Remodeling by Favorable Modulation of Heat Shock Proteins, Akt-1/GSK-3beta and Several PKC Isoforms., PLOS ONE 9: (7) , 2014
Kalai T, Altman R, Maezawa I, Balog M, Morisseau C, Petrlova J, Hammock BD, Jin LW, Trudell JR, Voss JC, Hideg K: Synthesis and functional survey of new Tacrine analogs modified with nitroxides or their precursors., EUR J MED CHEM 77: 343-350, 2014
Kálai T, Lazsányi N, Gulyás-Fekete G, Hideg K: Synthesis of new paramagnetic retinal analogues, MONATSH CHEM 145: (4) 651-656, 2014
Kovacs L, Ayaydin F, Kalai T, Tandori J, Kos PB, Hideg E: Assessing the Applicability of Singlet Oxygen Photosensitizers in Leaf Studies., PHOTOCHEM PHOTOBIOL 90: 129-136, 2014
Ravi Y, Selvendiran K, Naidu SK, Meduru S, Citro LA, Bognár B, Khan M, Kálai T, Hideg K, Kuppusamy P, Sai-Sudhakar CB: Pulmonary hypertension secondary to left-heart failure involves peroxynitrite-induced downregulation of PTEN in the lung, HYPERTENSION 61: (3) 593-601, 2013
Matthies, M.; Glinka, K.; Theiling, M.; Hideg, K.; Steihoff, H-J: Kinetics of Rapid Covalent Bond Formation of Aniline with : Humic Acid: ESR Investigations with Nitroxide Spin Labels, Applied Magnetic Resonance, 47, 627-641, 2016
Kokorin, A. I.; Zaripov, R. B.; Gromov, O. I.; Sukhanov, A. A.; Kálai, T.; Lamperth, É.; Hideg, K.: Spin Density Distribution in a Nitroxide Biradical Containing 13C-Enriched Acetylene Groups in the Bridge: DFT Calculations and EPR Investigation, Applied Magnetic Resonance, 47, 1057-1067., 2016
Hideg, É. Mátai, A.; Bognár, B. Kálai, T.: EPR Detection, Singlet Oxygen: Applications in Biosciences and Nanosciences (Nonell, S.; Flors, C. Eds.), Chapter 31, 2016
Kálai, T.; Bognár, B.; Zsolnai, D.; Berenet, Z.; Hideg, K: Synthesis of nitroxide-annulated carbocycles and heterocycles, Synthesis, 44, 3655-3660, 2012
Kálai, T.; Hideg, E.; Ferhan, A.; Hideg, K.: Synthesis and potential use of 1,8-naphthalimide type 1O2 sensor molecules, Photochem. Photobiol. Sci., 12, 432-438., 2013
Kálai, T.; .; Lazsányi, N.; Gulyás-Fekete, G.; Hideg, K.: Synthesis of nem paramagnetic retinal analogues, Monatsh Chem. 145, 651-656, 2014
Kálai, T; Hideg, K: Synthesis and Application of Carbo-and Heterocycles Condensed with Nitroxide Free Radicals, ICOS-20 Abstract book, 2014
Kálai, T.; .; Lazsányi, N.; Gulyás-Fekete, G.; Hideg, K.: Synthesis of nem paramagnetic retinal analogues, Monatsh Chem. 145, 651-656, 2014
Bognár, B.; Kálai, T.; Gulyás-Fekete, G.; Lazsányi, N.; Hideg, K.: Synthesis of Azoles Condensed with, or Linked to, Nitroxides, Synthesis, 985-991, 2015
Úr, Gy.; Kálai, T.; Balog, M.; Bognár, B.; Gulyás-Fekete, G.; Hideg, K.: Synthesis of new pyrroline nitroxides with ethynyl functional group, Synthetic Communications 45, 2122-2129, 2015
Altman, R.; Ly, S.; Hilt, S.; Petrlova, J.; Maezawa, I.; Kálai, T.; Hideg, K.; Jin, L-W.; Laurence, T. A.; Voss, J. C.: Protective spin-labeled fluorenes maintain amyloid beta peptide in small oligomers and limit transitions in secondary structure, BBA Proteins and Proteomics, doi: 10.1016/j.bbapap.2015.09.002, 2015
Kálai, T.; Hideg, É.; Ayaydin, F.; Hideg, K.: Synthesis and potential use of 1,8-naphthalimide type 1O2 sensor molecules, Photochem. & Photobiol. Sciences 12, 432-438., 2013
Kálai, T.; Bognár, B.; Zsolnai, D.; Berente, Z.; Hideg, K.: Synthesis of Nitroxide annulated carbocycles and heterocycles, Synthesis, 44, 3655-3660, 2012



Back »