Δομικές μελέτες ενώσεων βιολογικού ενδιαφέροντος με τη συνδυαστική χρήση NMR και θεωρητικών υπολογισμών

Abstract

Lipids are a broad class of biomolecules with numerous physicochemical and biological properties and important and diverse roles in nutrition and health. Lipids, due to their hydrophobic chemical structure, are incompatible with aqueous media and, therefore, their transport to the systemic circulation and their distribution in the tissues is achieved through the formation of macromolecular complexes with lipoproteins. Omega-6 and omega-3 polyunsaturated fatty acids, which cannot be synthesized by the human body and must be obtained through diet, have been thoroughly studied in recent years. The antitumor activity of free fatty acids is attributed to their ability to promote apoptosis of various cancer cells. The present Doctoral Thesis aims to: 1.Study geometric isomers of conjugated linoleic acid (CLA) by the combined use of experimental 1H and 13C NMR chemical shifts and DFT calculations. Using this methodology in the investigation of three-dimensional structures and conformational analysis in solution state. 2.Study geometric isomers of conjugated linolenic acids (CLnAs) and hexatrienyl pheromones with the combined use of experimental 1H and 13C NMR chemical shifts and DFT calculations – revision of experimental values of chemical shifts of international literature. 3.Revise literature values of experimental 1H and 13C NMR chemical shifts and proposed three-dimensional structures of ALA, EPA and DHA in the liquid state, with the combined use of NMR techniques and DFT calculations. 4.Structural and conformational study of caproleic acid, oleic acid, α-linolenic acid, EPA and DHA in the liquid state with the combined use of NMR techniques and DFT calculations – emphasis on a novel atomistic structural model of DHA. 5.Study isomers of hydroxy-products of conjugated linoleic acid methyl ester with the combined use of experimental 1H and 13C NMR chemical shifts and DFT calculations – revision of experimental chemical shifts of the international literature. From the analysis of all the research results of the present Doctoral Thesis, the following can be concluded: 1)Excellent linear correlations between calculated and experimental 1H NMR chemical shifts are obtained for the low energy conformers of CLA, conjugated linolenic acid, and hexatrienyl pheromones at the B3LYP/6-31+G(d) level and calculation of 1H NMR chemical shifts (at GIAO/B3LYP/6-311+G(2d,p)/CPCM in CHCl3 level of theory). 2)The combined use of 1H NMR and DFT calculations, as well as transient 1D NOE experiments and DFT calculations is an excellent methodology for revising misidentifications of experimental chemical shift values and proposed structures of literature of omega-3 fatty acids in the liquid state. 3)Excellent linear correlations between calculated and experimental 1H and 13C NMR chemical shift values are obtained for the low-energy isomer conformers of the hydroxy- products of conjugated linoleic acid methyl ester at the B3LYP/6-31+G(d) level and calculation of 1H NMR chemical shifts (at GIAO/B3LYP/6-311+G(2d,p)/CPCM in CHCl3 level of theory). It is obvious that the combined use of NMR techniques and DFT calculations is a particularly useful tool for the accurate prediction of three-dimensional structures of conjugated dienyl and trienyl systems and oxidation products, for which there is a lack of crystallographic data. The proposed methodology has broad applications in the study of liquid state and in solvents with a variety of dielectric constants and hydrogen bonding ability.

Τα λιπίδια αποτελούν μια ευρεία κατηγορία βιομορίων με πολυάριθμες φυσικοχημικές και βιολογικές ιδιότητες και σημαντικούς και ποικίλους ρόλους στη διατροφή και την υγεία. Τα λιπίδια, λόγω της υδρόφοβης χημικής τους δομής, είναι ασύμβατα με υδατικά μέσα και επομένως η μεταφορά τους στη συστηματική κυκλοφορία και η διανομή τους στους ιστούς επιτυγχάνεται μέσω του σχηματισμού μακρομοριακών συμπλόκων με λιποπρωτεΐνες. Τα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα ω-6 και ω-3, τα οποία δεν μπορούν να συντεθούν από τον ανθρώπινο οργανισμό και θα πρέπει να λαμβάνονται μέσω της διατροφής, έχουν μελετηθεί ενδελεχώς τα τελευταία χρόνια. Η αντινεοπλασματική δράση των ελεύθερων λιπαρών οξέων αποδίδεται στην ικανότητά τους να προάγουν την απόπτωση διαφόρων καρκινικών κυττάρων. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή έχει ως σκοπό: 1.Τη μελέτη γεωμετρικών ισομερών του συζυγιακού λινολεϊκού οξέος (CLA) με τη συνδυαστική χρήση πειραματικών χημικών μετατοπίσεων NMR 1H και 13C και θεωρητικών υπολογισμών στο πλαίσιο της θεωρίας DFT. Χρήση της μεθοδολογίας αυτής στη διερεύνηση τρισδιάστατων δομών και διαμορφωτικής ανάλυσης σε κατάσταση διαλύματος. 2.Τη μελέτη γεωμετρικών ισομερών συζυγιακών λινολενικών οξέων και δεκαεξατριενυλικών φερορμόνων με τη συνδυαστική χρήση πειραματικών χημικών μετατοπίσεων NMR 1H και 13C και θεωρητικών υπολογισμών στο πλαίσιο της θεωρίας DFT - αναθεώρηση πειραματικών τιμών χημικών μετατοπίσεων της διεθνούς βιβλιογραφίας. 3.Την αναθεώρηση βιβλιογραφικών τιμών χημικών μετατοπίσεων NMR 1H και 13C και προτεινόμενων τρισδιάστατων δομών των ALA, EPA και DHA στην υγρή φάση, με τη συνδυαστική χρήση τεχνικών NMR και θεωρητικών υπολογισμών επιπέδου DFT. 4.Τη δομική και διαμορφωτική μελέτη του καπρολεϊκού οξέος, ελαϊκού οξέος, α-λινολενικού οξέος, EPA και DHA στην υγρή φάση με τη συνδυαστική χρήση τεχνικών NMR και DFT υπολογισμών – έμφαση σε πρωτότυπο, ατομικού επιπέδου, δομικό μοντέλο του DHA. 5.Τη μελέτη ισομερών των υδροξυ – προϊόντων του συζυγιακού λινολεϊκού μεθυλεστέρα με τη συνδυαστική χρήση πειραματικών χημικών μετατοπίσεων NMR 1H και 13C και θεωρητικών υπολογισμών DFT - αναθεώρηση πειραματικών τιμών χημικών μετατοπίσεων της διεθνούς βιβλιογραφίας. Από την ανάλυση του συνόλου των ερευνητικών αποτελεσμάτων της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα: 1)Εξαιρετικοί γραμμικοί συσχετισμοί μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών χημικών μετατοπίσεων NMR 1H προκύπτουν για τα χαμηλής ενέργειας διαμορφομερή του CLA, του συζυγιακού λινολενικού οξέος και δεκαεξατριενυλικών φερορμονών σε επίπεδο B3LYP/6-31+G(d) και υπολογισμού χημικών μετατοπίσεων NMR 1H (σε επίπεδο GIAO/B3LYP/6-311+G(2d,p)/CPCM σε CHCl3). 2)Η συνδυαστική χρήση NMR 1H και DFT υπολογισμών, καθώς και πειραμάτων παροδικού 1D NOE και DFT υπολογισμών αποτελεί μια άριστη μεθοδολογία αναθεώρησης λανθασμένων ταυτοποιήσεων πειραματικών τιμών χημικών μετατοπίσεων και προταθέντων δομών της βιβλιογραφίας ω-3 λιπαρών οξέων στην υγρή κατάσταση. 3)Εξαιρετικοί γραμμικοί συσχετισμοί μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών χημικών μετατοπίσεων NMR 1H και 13C προκύπτουν για τα χαμηλής ενέργειας διαμορφομερή ισομερών των υδροξυ- παραγώγων του συζυγιακού λινολεϊκού μεθυλεστέρα σε επίπεδο B3LYP/6-31+G(d) και υπολογισμού χημικών μετατοπίσεων NMR 1H (σε επίπεδο GIAO/B3LYP/6-311+G(2d,p)/CPCM σε CHCl3). Είναι προφανές, ότι η συνδυαστική χρήση φασματοσκοπικών τεχνικών NMR και DFT υπολογισμών αποτελεί ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο για την ακριβή πρόβλεψη τρισδιάστατων δομών συζυγιακών διενικών και τριενυλικών συστημάτων και προϊόντων οξείδωσης, για τα οποία υπάρχει έλλειψη κρυσταλλογραφικών δεδομένων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει ευρείες εφαρμογές μελέτης στην υγρή κατάσταση και σε διαλύτες με ποικιλία διηλεκτρικών σταθερών και ικανότητας δεσμών υδρογόνου.