Reaction kinetics and biological action in barley of mono-functional methanesulfonic esters

https://doi.org/10.1016/S0033-7560(70)80072-2Get rights and content

Abstract

  • 1.

    As a background for studies of the action mechanisms of biological alkylating agents a number of methanesulfonic esters were investigated with respect to rates of hydrolysis and reaction with different nucleophiles, mostly at 20°, 25° and 37°.

  • 2.

    The reaction patterns of monofunctional alkylating agents (AA) of the kind studied were characterized in terms of (a) reaction mechanism (SN1 or SN2); (b) the Swain-Scott(61,64) substrate constant s describing the dependence of bimolecular rate constant on nucleophilicity n of the receptor molecule; (c) the absolute reaction rates and their temperature dependence which are accurately described by activation energy EA (≈ activation enthalpy, ΔH*) and activation entropy ΔS*, the latter parameter giving, in addition, information about the reaction mechanism.

  • 3.

    In the series of unsubstituted alkyl esters studied, which mostly react according to SN2, branching on the α-carbon, as in iPMS, gives predominantly SN1 type reaction. The strong steric hindrance of SN2 reaction provoked by β-branching, as in iBMS and NeoMS, leads to the appearance of an SN1 type behaviour at low n, e.g. in hydrolysis. Of substituents studied, β-hydroxy and β-methoxy decrease reactivity, without considerable influence on s. β-Positioned carbonyl gives very high values of s (i.e. gives a character of “SH inhibitors”) to the compounds, with a strong retardation of reaction rate at low n.

    In certain cases abnormally high rates of reaction with the hydroxyl ion are encountered. Thus β-OH (as in HOEMS) leads to 1,2-epoxide formation in rapid OH catalyzed reaction; β-carbonyl compounds exhibit a strongly OH dependent hydrolysis.

  • 4.

    In barley kernels the toxic action of the AA is in most instances reconcilable with alkylation at n ≈ 5·1, which corresponds to cysteine ester at pH 7, whereas genetic effects apparently are caused by alkylation of centres with n = 2·5–3, corresponding to primary phosphate and DNA. Kernels are therefore presumably killed by protein alkylation, e.g. leading to enzyme inactivation, whereas mutation (including sterility) is probably induced by DNA alkylation. Exceptions are the α-branched esters, indicated to kill by genetic mechanisms, and β-branched esters which are also more toxic than expected from kinetic data, however, for unknown reasons.

    iPMS (low s) induces mutation in a linear function of dose, whereas EMS and other esters of medium s exhibit an exponential dose response curve, possibly through simultaneous alkylation of DNA and protein, e.g. impairing repair enzyme function.

    The slight sterility induced by β-carbonyl esters implies that protein alkylation alone may provoke a certain genetic damage.

  • 5.

    Experiments imply that, for a deeper understanding of the biological action of AA, the following factors should also be considered: (a) secondary reactions after alkylation of, e.g. DNA (especially important for chromosomal aberrations) and protein; (b) lipid/water partition; (c) steric factors on the side of AA as well as the receptor molecule.

Résumé

  • 1.

    Pour servir de base à l'étude des mécanismes d'action des agents alkylants biologiques, on a étudié un nombre d'esters méthane sulfoniques en ce qui concerne leur vitesse d'hydrolyse et leur réaction avec différents groupes nucléophiles principalement à 20°, 25° et 37°.

  • 2.

    Les modes de réaction des agents alkylants monofonctionnels (AA) de l'espèce étudiée sont caractérisés par (a) le mécanisme de réaction (SN1 ou SN2); (b) la constante du substrat Swain-Scott(61,64) s qui décrit la dépendance de la constante de vitesse bimoléculaire de la nucléophilie n de la molécule réceptrice; (c) les vitesses absolues des réactions et leur dépendance thermique qui sont correctement décrites par l'énergie d'activation EA (≈ enthalpie d'activation, ΔH*) et l'entropie d'activation ΔS*. Ce dernier paramètre fournit en plus une information sur le mécanisme de réaction.

  • 3.

    Dans les séries étudiées des esters alkylants non-substituées, qui réagissent principalement suivant un mécanisme SN2, l'adjonction d'un groupe latéral sur un carbone-α comme dans PiPMS donne un type de réaction SN1 prédominant. L'empêchement stérique marqué de la réaction SN2 provoqué par le branchement β comme dans l'iBMS et le NeoMS conduit à l'apparition d'un comportement de type SN1 à faible n par exemple pour l'hydrolyse.

    Parmi les groupes substitués étudiés, le β-hydroxy et le β-méthoxy décroissent la réactivité sans influence considérable sur s. Le carbonyl en position β donne des valeurs très élevées de s (par exemple il confère un caractère “inhibiteur d'SH”) aux composés, avec un retard de la réaction aux n bas. Dans certains cas, on rencontre des vitesses de réaction anormalement élevées avec l'ion hydroxy. Ainsi le β-OH (comme dans HOEMS) conduit à la formation de 1,2-époxides dans les réactions rapides catalysées par OH. Les composés β-carbonyl montrent une hydrolyse fortement dépendante de OH.

  • 4.

    Dans les grains d'orge, l'action toxique de l'AA est compatible dans la majorité des cas avec une alkylation à n ≈ 5,1, ce qui correspond à l'ester de la cystéine au pH 7, alors que les effets génétiques sont apparemment produits par l'alkylation de centres avec n = 2,5–3, ce qui correspond au phosphate primaire et au DNA. Les grains sont done probablement tués par alkylation des protéines, par exemple par inactivation des enzymes, alors que les mutations (y compris la stérilité), est probablement induite par alkylation du DNA. Deux exceptions sont constituées par les esters ramifiés au carbon α qui tuent par des mécanismes génétiques et les esters ramifiés en position β qui, d'apres les donnés de la cinétique, sont aussi plus toxiques que prévu, bien que les raisons n'en soient pas connues. iPMS (faible s) produit des mutations en fonction linéaire de la dose alors que l'EMS ainsi que d'autres esters de s moyens montrent une relation exponentielle probablement en raison de l'alkylation simultanée du DNA et des protéines, par exemple en empêchant la récupération des fonctions enzymatiques. La faible stérilité induite par les esters β-carbonyl implique que l'alkylation des protéines seule peut provoquer un certain dommage génétique.

  • 5.

    Ces expériences impliquent qu'en vue d'une meilleure compréhension de l'action biologique de l'AA, les facteurs suivants doicent aussi être considérés: (a) les réactions secondaires après alkylation, par exemple du DNA (ce qui est spécialement important pour les aberrations des chromosomes) et des protéines, (b) la répartition lipide/eau, (c) les facteurs stériques aussi bien que pour l'AA que pour la molécule réceptrice.

Zussamenfassung

  • 1.

    Als Grundlage für Untersuchungen des Wirkungsmechanismus biologisch alkylierend wirkender Agenzien wurde eine Anzahl Methansulfoester untersucht hinsichtlich der Hydrolyseraten und Reaktionen mit verschiedenen Nukleophilen, in der Regel bei 20°, 25° und 37°.

  • 2.

    Das Reaktionsschema monofunktioneller alkylierender Agenzien (AA) der untersuchten Gruppe wurde charakterisiert durch (a) den Reaktionsmechanismus (SN1 oder SN2). (b) die Swain-Scott(61,64) Substratkonstante s, die die Abhängigkeit der bimolekularen Geschwindigkeitskonstante von der Nukleophilie n des Rezeptormoleküls beschreibt; (c) die absoluten Reaktionsgeschwindigkeiten und ihre Temperaturabhängigkeit, die genau beschrieben werden durch die Aktivierungsenergie EA (≈ Aktivierungsenthalpie, ΔH*) und die Aktivierungsentropie ΔS*, wobei letztere zusätzlich Information über den Reaktions-mechanismus enthält.

  • 3.

    In der Reihe der untersuchten unsubstituierten Alkylester, die meistens nach dem SN2-Mechanismus reagieren, ergibt eine Verzweigung am α-Kohlenstoff wie bei iPMS hauptsächlich Reaktionen von SN1-Typ. Die starke sterische Hinderung der SN2-Reaktion, hervorgerufen durch die β-Verzweigung, wie bei iBMS und NeoMS, führt zum Auftreten eines SN1-Typ-Verhalten bei niederem n, z.B. bei Hydrolyse. Von den untersuchten Substituenten bedingen die β-hydroxy und β-methoxy-Substituenten eine Abnahme der Reaktivität ohne beträchtlichen Einfluss auf s. Carbonyl-Gruppen in β-Stellung ergeben sehr hohe s-Werte für die Verbindungen (d.h. ergeben ein Verhalten von “SH-Inhibitoren”) und bedingen dabei eine starke Verlangsamung der Reaktionsgeschwindigkeit bei geringem n.

    In gewissen Fällen wurden aussergewöhnlich hohe Geschwindigkeiten der Reaktion mit dem Hydroxyl-Ion gefunden. So führt β-OH (wie bei HOEMS) zu 1,2-Epoxid-Bildung in einer schnellen durch OH katalysierten Reaktion; β-Carbonyl-Verbindungen zeigen eine stark OH-abhängige Hydrolyse.

  • 4.

    In Gerstenkörnern ist die toxische Wirkung von AA in den meisten Fällen mit der Alkylierung bei n ≈ 5,1 zu vereinbaren, was dem Cysteinester bei pH 7 entspricht, wogegen genetische Wirkungen offensichtlich durch Alkylierung von Zentren mit n = 2,5–3 verursacht werden, was primärem Phosphat und DNS entspricht. Die Körner werden daher vermutlich durch Protein-Alkylierung, z.B. Enzym-Inaktivierung, abgetötet, während die Mutation (inkl. Sterilität) wahrscheinlich durch Alkylierung der DNS induziert wird. Ausnahmen sind die α-verzweigten Ester, die durch genetische Mechanismen abtöten sollen, und die β-verzweigten Ester, die ebenfalls toxischer sind als von der Kinetik erwartet wird, jedoch aus unbekannten Gründen.

    iPMS (niederes s) induziert Mutationen in einer linearen Funktion der Dosis, während EMS und andere Ester von mittlerem s eine exponentiale Dosisreaktionskurve zeigen, möglicherweise infolge von gleichzeitiger Inaktivierung von DNS und Protein, z.B. durch Hemmung von Repair-Enzymen.

    Die leichte Sterilität, die durch β-Carbonyl-Ester induziert wird, legt nahe, dass Protein-alkylierung allein eine gewisse genetische Schädigung hervorrufen kann.

  • 5.

    Die Versuche legen nahe, dass für ein tieferes Verständnis der biologischen Wirkung von AA die folgenden Faktoren ebenso berücksichtigt werden sollten: (a) sekundäre Reaktionen nach Alkylierung von beispielweise DNS (besonders wichtig für chromosomale Aberrationen) und Protein; (b) Lipid/Wasser Verteilung; (c) sterische Faktoren auf seiten von AA sowie die auf seiten des Rezeptormoleküls.

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