Fosfodiestereiden metalli-ionikatalyyttinen pilkkoutuminen: nukleofiilin ja lähtevän ryhmän vaikutus reaktiivisuuteen

Abstract

Fosfodiesterisidoksella on elintärkeä rooli kemiallisessa biologiassa, koska se liittää nukleosidiyksiköt nukleiinihapoiksi. DNA ja RNA ovat fosfodiestereitä, joiden erona on, että RNA:n sokerirenkaassa on 2´-OH-ryhmä, joka voi toimia intramolekulaarisena nukleofiilinä. Hydroksyyliryhmä tekee RNA:n fosfodiesterisidoksesta kemiallisesti ja entsymaattisesti vähemmän pysyvän verrattuna DNA:han. Fosfodiesterisidoksen pilkkoutuminen on biologinen perusreaktio, jota katalysoivat proteiini- ja RNA-entsyymit. Reaktion puoliintumisaika neutraaleissa olosuhteissa ja huoneenlämpötilassa on arviolta 100 vuotta. On kuitenkin jo kauan tiedetty, että tätä perusreaktiota voidaan katalysoida metalli-ioneiden avulla. Metalli-ionit voivat tehostaa nukleofiilista hyökkäystä sekä lähtevän ryhmän poistumista.

Viimeisten vuosikymmenten aikana fosfodiesterisidoksen metalli-ionivälitteinen pilkkoutuminen on herättänyt suurta kiinnostusta ja tutkimuksien päätavoitteina on ollut ymmärtää metalli-ionien rooli katalyysissä, sekä tarve kehittää riittävän tehokas katalyytti RNA:n pilkkoutumiselle. Synteettisten metallonukleaasien tutkimuksen eteen onkin tehty paljon, jotta saataisiin työväline RNA:n pilkkoutumiselle niin laboratorio- kuin terapeuttisessa käytössä. Tehokkaimmiksi metalli-ionikatalyyteiksi ovat osoittautuneet Cu2+- ja Zn2+-kompleksit.

Tämän projektin tarkoituksena oli tutkia biologisten fosfaattien pysyvyyttä erilaisten RNA:n kaltaisten malliyhdisteiden avulla. Yhdisteissä esiintyy joko intra- tai intermolekulaarinen nukleofiili, sekä lähtevät ryhmät vaihtelevat. Projektissa käytettiin Cu2+ ja Zn2+-pohjaisia metalli-ionikatalyyttejä. Metalli-ionikompleksien katalysoimaa pilkkoutumisreaktioita seurattiin HPLC-laitteiston avulla yleensä vähintään yhden puoliintumisajan verran. Pilkkoutumisreaktioille laskettiin nopeusvakiot, jotta saatiin tietoa tutkituista yhdisteistä ja niiden katalyyttisestä reaktiivisuudesta eri olosuhteissa. Nopeusvakioita vertailtiin katalysoimattoman reaktion kanssa ja todettiin, että käytetyt metalli-ionikatalyytit pilkkovat tehokkaasti käytettyjä RNA-malliyhdisteitä.