β-氨基脱氢丙氨酸构象研究及合成新策略揭示抗结核肽Callyaerins的结构活性关系

本研究针对结核病治疗难题，通过量子化学计算和合成实验揭示了抗结核肽Callyaerins核心结构单元β-氨基脱氢丙氨酸(ΔAla(β-NH))的构象特征，发现其Z构型通过N-H···O氢键稳定α/β2构象，并提出以丝氨酸为底物、避免α-甲酰甘氨酸中间体的三步合成新路线，为基于该独特脱氢氨基酸的抗结核药物设计提供了理论基础。

　　

结核病作为全球单一传染源致死率第二的疾病，迫切需要新型治疗药物。海洋天然产物Callyaerins A-M和Callynormine A展现显著抗结核活性，其核心结构单元β-氨基脱氢丙氨酸(ΔAla(β-NH))——一种含烯胺基团的独特脱氢氨基酸，被认为与生物活性密切相关。然而，该结构单元的构象特性尚未阐明，且现有合成方法依赖不稳定的α-甲酰甘氨酸中间体。

为解决这些问题，波兰奥波莱大学Karolina Banas团队通过量子化学计算系统研究了ΔAla(β-NH)的构象特征，发现无论Z/E构型或环境极性，该残基优先采取β2(φ,ψ~-120°,20°)和α(φ,ψ~-70°,-15°)构象，其中侧链β位N-H基团形成的N-H···O氢键是关键稳定因素。实验证实Z构型更稳定，并通过创新性三步合成路线（丝氨酸→脱氢丙氨酸→β-溴代脱氢丙氨酸→β-氨基脱氢丙氨酸）成功制备目标分子，避免了传统方法中α-甲酰甘氨酸中间体的使用。

关键技术方法包括：1）采用M06-2X/6-31+G(d,p)和6-311+G(d,p)基组进行量子化学计算，构建Ramachandran图；2）以丝氨酸为起始原料，通过EDC/CuCl介导脱水、溴素溴化和胺亲核取代三步反应合成目标分子；3）核磁共振（¹H/¹³C NMR）和NOE分析确认产物构型。

主要研究结果：

1. 1.

   构象分析：

   • •

     计算模型Ac-(Z/E)-ΔAla(β-NHMe)-NHMe(1-4)显示，ΔAla(β-NH)在气相和氯仿中倾向β2构象，水中转为α构象

   • •

     Z构型通过N-H···O氢键（侧链N-H与相邻羰基氧）显著稳定构象，键长r_H···O≤2.7 ?

   • •

     C端三级酰胺（如Callyaerins中的结构）增加构象多样性但维持β2/α优势

2. 2.

   合成路线优化：

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     传统方法依赖α-甲酰甘氨酸(fGly)中间体，易在酸性条件下降解

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     新路线总收率27%（Boc-Gly-(Z)-ΔAla(β-LeuOMe)-OMe），关键步骤β-溴代脱氢丙氨酸收率达85%

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     NOE谱证实产物为Z构型，与天然产物一致

3. 3.

   结构-活性关系：

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     X射线数据显示天然Callynormine A采取α构象(φ,ψ=-49.39°,-32.73°)

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     烯胺基团形成的π共轭系统可能增强与结核分枝杆菌靶点（如Rv2113蛋白）相互作用

结论与意义：

该研究首次阐明ΔAla(β-NH)的构象偏好性，揭示其通过分子内氢键和π共轭稳定特定构象的机制。提出的合成路线具有原料易得（丝氨酸）、条件温和（避免强酸）等优势，为Callyaerins类似物的结构优化奠定基础。鉴于β-氨基脱氢丙氨酸也存在于其他抗结核肽（如结核放线菌素）中，该研究为设计新型抗结核药物提供了重要结构模板。论文发表于《Amino Acids》，为天然产物构效关系研究和抗感染药物开发提供了新视角。