Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Биоконъюгата )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Биоконъюгация - это химическая стратегия для образования стабильной ковалентной связи между двумя молекулами, по крайней мере, одна из которых является биомолекулой .

Функция [ править ]

Недавние успехи в понимании биомолекул сделали возможным их применение во многих областях, таких как медицина и материалы. Синтетически модифицированные биомолекулы могут иметь разнообразные функции, такие как отслеживание клеточных событий, выявление функции ферментов , определение биораспределения белков , визуализация конкретных биомаркеров и доставка лекарств к клеткам-мишеням. [1] [2] [3] [4] Биоконъюгация является важной стратегией, которая связывает эти модифицированные биомолекулы с различными субстратами .

Синтез [ править ]

Синтез биоконъюгатов связан с множеством проблем, начиная от простого и неспецифического использования маркера флуоресцентного красителя до сложной конструкции конъюгатов антитело-лекарство . [1] [3] В результате были разработаны различные реакции биоконъюгации - химические реакции, соединяющие две биомолекулы вместе - для химической модификации белков. Обычными типами реакций биоконъюгирования белков являются связывание аминокислотных остатков лизина , связывание остатков цистеина, связывание остатков тирозина , модификация остатков триптофана и модификация N- иC- конец . [1] [3] [4]

Однако этим реакциям часто не хватает хемоселективности и эффективности, поскольку они зависят от присутствия природных аминокислотных остатков, которые обычно присутствуют в больших количествах, что снижает селективность. Существует возрастающая потребность в химических стратегиях, которые могут эффективно прикреплять синтетические молекулы к белкам. Одна из стратегий состоит в том, чтобы сначала установить уникальную функциональную группу на белок, а затем использовать биоортогональную реакцию или реакцию типа щелчка для связывания биомолекулы с этой уникальной функциональной группой. [1] Биоортогональные реакции, нацеленные на ненативные функциональные группы, широко используются в химии биоконъюгирования. Некоторые важные реакции - это модификация кетона.и альдегиды , лигирование по Штаудингеру с азидами , катализируемое медью циклоприсоединение азидов по Huisgen и штамм, способствующий циклоприсоединению азидов по Huisgen. [5] [6] [7] [8]

Общие реакции биоконъюгации [ править ]

Наиболее распространенными биоконъюгациями являются связывание небольшой молекулы (такой как биотин или флуоресцентный краситель) с белком или конъюгация белок-белок, такая как связывание антитела с ферментом. [9] Другими менее распространенными молекулами, используемыми в биоконъюгации, являются олигосахариды , нуклеиновые кислоты , синтетические полимеры, такие как полиэтиленгликоль , [10] и углеродные нанотрубки . [11] Конъюгаты антитело-лекарственное средство, такие как брентуксимаб ведотин и гемтузумаб озогамицин.также являются примерами биоконъюгации и являются активной областью исследований в фармацевтической промышленности. [12] В последнее время биоконъюгирование также приобрело значение в приложениях нанотехнологий, таких как биоконъюгированные квантовые точки .

Реакции остатков лизина [ править ]

Нуклеофильный остаток лизина обычно целевой сайт в белковой биоконъюгации, как правило , через амин -reactive N -hydroxysuccinimidyl (NHS) эфиры . [3] Для того, чтобы получить оптимальное число депротонированных остатков лизина, то рН в водном растворе должен быть ниже рКа от лизина аммония группы, которая составляет около 10,5, так что типичное значения рН реакции составляет около 8 и 9. Общего реагентного для реакции сочетания представляет собой NHS-эфир (показанный в первой реакции ниже на рисунке 1 ), который реагирует с нуклеофильным лизином посредством ацилирования лизина.механизм. Другими подобными реагентами являются изоцианаты и изотиоцианаты, которые подвергаются аналогичному механизму (показано во второй и третьей реакциях на Рисунке 1 ниже). [1] Бензоилфториды (показанные в последней реакции на рисунке 1 ), которые позволяют модифицировать белки лизином в мягких условиях (низкая температура, физиологический pH ), были недавно предложены в качестве альтернативы классически используемым реагентам, специфичным для лизина. [13]

Реакции остатков цистеина [ править ]

Поскольку свободный цистеин редко встречается на поверхности белка, это отличный выбор для хемоселективной модификации. [14] В основных условиях остатки цистеина будут депротонированы с образованием тиолатного нуклеофила, который будет реагировать с мягкими электрофилами , такими как малеимиды и йодацетамиды (показаны в первых двух реакциях на рисунке 2 ниже). В результате образуется связь углерод-сера . Другая модификация остатков цистеина включает образование дисульфидной связи (показано в третьей реакции на рисунке 2 ). В уменьшенные остатки цистеина реагируют сэкзогенные дисульфиды, образующие новую дисульфидную связь в белке. Для запуска реакции часто используется избыток дисульфидов, таких как 2-тиопиридон и 3-карбокси-4-нитротиофенол. [1] [3] Было продемонстрировано, что электронодефицитные алкины избирательно реагируют с цистеиновыми остатками белков в присутствии других нуклеофильных аминокислотных остатков. В зависимости от замещения алкина эти реакции могут давать расщепляемые (при использовании производных алкинона) [15] или гидролитически стабильные биоконъюгаты (при использовании 3-арилпропиолонитрилов ; последняя реакция на рисунке 2 ). [16]

Реакции остатков тирозина [ править ]

Остатки тирозина относительно инертны; поэтому они не были популярными мишенями для биоконъюгации. Недавние разработки показали, что тирозин можно модифицировать посредством реакций электрофильного ароматического замещения (EAS), и он является селективным в отношении ароматического углерода, соседнего с фенольной гидроксильной группой. [1] Это становится особенно полезным в случае, если остатки цистеина не могут быть поражены. В частности, диазоний эффективно соединяется с остатками тирозина ( соль диазония показана в качестве реагента в первой реакции на Рисунке 3 ниже) и электроноакцепторным заместителем.в 4-м положении соль диазония может эффективно повысить эффективность реакции. Циклическое производное диазодикарбоксиамида, такое как 4-фенил-1,2,4-триазол-3,5-дион (PTAD), было описано для селективного биоконъюгирования по остаткам тирозина (вторая реакция на рисунке 3 ниже). [17] трехкомпонентная реакция Манниха типа с альдегидами и анилинами (последняя реакция в рисунке 3 ) также была описана быть относительно тирозин-селективным в мягких оптимизированных условиях реакции. [18]

Реакции N- и C-концов [ править ]

Поскольку природные аминокислотные остатки обычно присутствуют в больших количествах, часто бывает трудно изменить один единственный сайт. Были разработаны стратегии, нацеленные на концы белка, поскольку они значительно повышают избирательность сайта модификации белка. Одна из модификаций N-конца включает функционализацию концевой аминокислоты. Окисления из N-концевых серина и треонина остатков способны генерировать N-концевой альдегид, который может подвергаться дальнейшей bioorthogonal реакции ( как показано в первой реакции на рисунке 4 ). Другой тип модификации включает конденсацию N-концевого цистеина с альдегидом с образованием тиазолидина.который стабилен при высоком pH (вторая реакция на рисунке 4 ). Используя пиридоксальфосфат (PLP), несколько N-концевых аминокислот могут подвергаться трансаминированию с образованием N-концевого альдегида , такого как глицин и аспарагиновая кислота (третья реакция на рисунке 4 ).

Примером модификации C-конца является естественное химическое лигирование (NCL), которое представляет собой соединение между C-концевым тиоэфиром и N-концевым цистеином ( рис. 5 ).

Биоортогональные реакции [ править ]

Модификация кетонов и альдегидов [ править ]

Кетон или альдегид могут быть присоединены к белку посредством окисления N-концевых остатков серина или трансаминирования с помощью PLP. Кроме того, они могут быть введены путем включения неприродных аминокислот с помощью метода Тиррелла или метода Шульца . [5] Затем они будут избирательно конденсироваться с алкоксиамином и гидразином , образуя производные оксима и гидразона (показанные в первой и второй реакциях, соответственно, на рисунке 6 ). Эта реакция очень хемоселективна с точки зрения биоконъюгации белков, но скорость реакции низкая. Механистические исследования показывают, чтостадия , определяющая скорость является обезвоживанием из тетраэдрических промежуточных , поэтому мягкий кислотный раствора часто используется , чтобы ускорить стадию дегидратации. [2]

Введение нуклеофильного катализатора может значительно повысить скорость реакции (показано на рисунке 7 ). Например, при использовании анилина в качестве нуклеофильного катализатора менее населенный протонированный карбонил становится высоконаселенным протонированным основанием Шиффа . [19] Другими словами, он генерирует высокую концентрацию реактивного электрофила. В этом случае легко может происходить лигирование оксима, и сообщалось, что скорость увеличивалась до 400 раз в умеренно кислых условиях. [19] Ключевым моментом этого катализатора является то, что он может генерировать реактивный электрофил, не конкурируя с желаемым продуктом.

Недавние разработки, в которых используются проксимальные функциональные группы, позволили конденсации гидразона [20] работать при 20 M -1 с -1 при нейтральном pH, в то время как были обнаружены оксимные конденсации, которые протекают при 500-10000 M -1 с -1 при нейтральном pH без добавления катализаторы. [21] [22]

Перевязка Штаудингера азидами [ править ]

Штаудингер лигирование азидов и фосфина широко используется в области химической биологии. Поскольку он способен образовывать стабильную амидную связь в живых клетках и животных, его применяли для модификации клеточной мембраны , визуализации in vivo и других исследований биоконъюгации. [23] [24] [25] [26]


В отличие от классической реакции Штаудингера, лигирование Штаудингера является реакцией второго порядка, в которой лимитирующей стадией является образование фосфазида (специфический механизм реакции показан на рисунке 9 ). В трифенилфосфине первые реагирует с азидом с получением azaylide через четыре-членное кольцо переходного состояния , а затем внутримолекулярную реакцию приводит к иминофосфорану промежуточного соединения, которое затем получает амид-связь при гидролизе. [27]

Циклизация азидов по Хьюсгену [ править ]

Основная статья: циклоприсоединение Хьюсгена
Катализируемая медью циклизация азидов по Хьюисгену [ править ]

Азиды стали популярной мишенью для хемоселективной модификации белков, поскольку они имеют небольшой размер и имеют благоприятный термодинамический реакционный потенциал . Одной из таких реакций азидов является реакция [3 + 2] циклоприсоединения с алкином , но реакция требует высокой температуры и часто дает смеси региоизомеров .

Усовершенствованная реакция, разработанная химиком Карлом Барри Шарплессом, включает катализатор меди (I), который соединяет азид с концевым алкином, что дает только 1,4-замещенные 1,2,3-триазолы с высокими выходами (показано ниже на Фигуре 11 ). Механическое исследование предполагает ступенчатую реакцию. [8] Cu (I) сначала соединяется с ацетиленами , а затем реагирует с азидом с образованием шестичленного промежуточного соединения. Процесс очень устойчивый, так как он происходит при pH от 4 до 12, а сульфат меди (II) часто используется в качестве катализатора в присутствии восстанавливающего агента . [8]

Штамм способствовал циклизации азидов по Хьюсгену [ править ]

Несмотря на то, что лигирование по Штаудингеру является подходящей биоконъюгацией в живых клетках без большой токсичности, чувствительность фосфина к окислению воздухом и его плохая растворимость в воде значительно снижают его эффективность. Азид-алкиновое сочетание, катализируемое медью (I), имеет приемлемую скорость реакции и эффективность в физиологических условиях, но медь обладает значительной токсичностью и иногда нарушает функции белка в живых клетках. В 2004 году лаборатория химика Кэролайн Р. Бертоцци разработала безметалловое [3 + 2] циклоприсоединение с использованием напряженного циклооктина и азида. Циклооктин, который является наименьшим стабильным циклоалкином, может соединяться с азидом посредством [3 + 2] циклоприсоединения, что приводит к двум региоизомерным триазолам ( фиг. 12 ). [6]Реакция легко протекает при комнатной температуре и, следовательно, может использоваться для эффективной модификации живых клеток без отрицательных эффектов. Также сообщалось, что установка заместителей фтора на циклический алкин может значительно ускорить скорость реакции. [2] [28]

Примеры прикладных методов биоконъюгации [ править ]

Факторы роста [ править ]

Сообщалось о биоконъюгации TGF-β с наночастицами оксида железа и его активации посредством магнитной гипертермии in vitro. [29] Это было сделано с использованием 1- (3-диметиламинопропил) этилкарбодиимида в сочетании с N-гидроксисукцинимидом для образования первичных амидных связей со свободными первичными аминами на факторе роста. Углеродные нанотрубки успешно использовались в сочетании с биоконъюгированием для связывания TGF-β с последующей активацией светом ближнего инфракрасного диапазона. [30] Обычно эти реакции включают использование сшивающего агента, но некоторые из них добавляют молекулярное пространство между представляющим интерес соединением и основным материалом и, в свою очередь, вызывают более высокие степени неспецифического связывания и нежелательной реакционной способности. [31]

См. Также [ править ]

  • Иммунофлуоресценция
  • Биомолекулярная инженерия
  • Биотинилирование
  • SpyTag / SpyCatcher
  • Неестественные аминокислоты
  • Bioconjugate Chemistry журнал

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g Stephanopoulos, N .; Фрэнсис, МБ (2011). «Выбор эффективной стратегии биоконъюгации белков». Природа Химическая биология . 7 (12): 876–884. DOI : 10,1038 / nchembio.720 . PMID  22086289 .
  2. ^ а б в Тилли, SD; Джоши, Н.С.; Фрэнсис, МБ (2008). «Белки: химия и химическая реакционная способность». Энциклопедия химической биологии Wiley . DOI : 10.1002 / 9780470048672.wecb493 . ISBN 978-0470048672.
  3. ^ a b c d e Фрэнсис, МБ; Каррико, ИС (2010). «Новые рубежи в биоконъюгации белков». Текущее мнение в химической биологии . 14 (6): 771–773. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2010.11.006 . PMID 21112236 . 
  4. ^ a b Kalia, J .; Рейнс, RT (2010). «Достижения в области биоконъюгации» . Современная органическая химия . 14 (2): 138–147. DOI : 10.2174 / 138527210790069839 . PMC 2901115 . PMID 20622973 .  
  5. ^ a b Каррико, ИС; Карлсон, Б.Л .; Бертоцци, CR (2007). «Введение генетически кодируемых альдегидов в белки». Природа Химическая биология . 3 (6): 321–322. DOI : 10,1038 / nchembio878 . PMID 17450134 . 
  6. ^ a b Агард, Нью-Джерси; Прешер, JA; Бертоцци, CR (2004). «Штамм-промотируемое \ 3 + 2] азид-алкиновое циклоприсоединение для ковалентной модификации биомолекул в живых системах». Журнал Американского химического общества . 126 (46): 15046–15047. DOI : 10.1021 / ja044996f . PMID 15547999 . 
  7. ^ Кольб, HC; Финн, MG; Шарплесс, КБ (2001). «Щелкните по химии: разнообразные химические функции из нескольких хороших реакций» . Angewandte Chemie International Edition . 40 (11): 2004–2021. DOI : 10,1002 / 1521-3773 (20010601) 40:11 <2004 :: АИД-ANIE2004> 3.0.CO; 2-5 . PMID 11433435 . 
  8. ^ a b c Ростовцев, Всеволод В .; Грин, Люк Дж .; Фокин, Валерий В .; Шарплесс, К. Барри (2002). «Поэтапный процесс циклоприсоединения по Хьюисгену: Региоселективное« лигирование »азидов и концевых алкинов, катализируемое медью (I)». Angewandte Chemie International Edition . 41 (14): 2596–2599. DOI : 10.1002 / 1521-3773 (20020715) 41:14 <2596 :: АИД-ANIE2596> 3.0.CO; 2-4 . ISSN 1433-7851 . PMID 12203546 .  
  9. ^ Кониев, О .; Вагнер, А. (2015). «Разработки и последние достижения в области реакций образования селективных связей между эндогенными аминокислотами для биоконъюгирования» . Chem. Soc. Ред . 44 (15): 5495–5551. DOI : 10.1039 / C5CS00048C . PMID 26000775 . 
  10. ^ Thordarson, P .; Le Droumaguet, B .; Велония, К. (2006). «Четко определенные конъюгаты белок-полимер - синтез и потенциальные применения» . Прикладная микробиология и биотехнология . 73 (2): 243–254. DOI : 10.1007 / s00253-006-0574-4 . PMID 17061132 . S2CID 23657616 .  
  11. ^ Ян, Вт .; Тордарсон, П. (2007). «Углеродные нанотрубки для биологических и биомедицинских приложений». Нанотехнологии . 18 (41): 412001. Bibcode : 2007Nanot..18O2001Y . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 18/41/412001 .
  12. ^ Гербер, HP; Senter, PD; Grewal, IS (2009). «Конъюгаты антител и лекарств, направленные на сосудистую сеть опухоли: текущие и будущие разработки» . MAbs . 1 (3): 247–53. DOI : 10,4161 / mabs.1.3.8515 . PMC 2726597 . PMID 20069754 . Архивировано из оригинала на 2 февраля 2014 года.  
  13. ^ Довгань, И .; Ursuegui, S .; Erb, S .; Michel, C .; Колодыч, С .; Cianférani, S .; Вагнер, А. (2017). «Ацилфториды: быстрое, эффективное и универсальное конъюгирование белков на основе лизина с помощью стратегии Plug-and-Play». Bioconjugate Chem . 28 (5): 1452–1457. DOI : 10.1021 / acs.bioconjchem.7b00141 . PMID 28443656 . 
  14. ^ Fodje, Миннесота; Аль-Карадаги, С. (2002). «Возникновение, конформационные особенности и аминокислотные склонности для π-спирали» . Protein Eng . 15 (5): 353–358. DOI : 10,1093 / белок / 15.5.353 . PMID 12034854 . 
  15. ^ Shiu, H.-Y .; Chan, T.-C .; Ho, C.-M .; Lin, Y .; Вонг, М.-К .; Че, Ч.-М. (2009). «Электронодефицитные алкины как расщепляемые реагенты для модификации цистеин-содержащих пептидов в водной среде». Chem. Евро. Дж . 15 (15): 3839–3850. DOI : 10.1002 / chem.200800669 . PMID 19229937 . 
  16. ^ Кониев, О .; Leriche, G .; Nothisen, M .; Remy, J.-S .; Strub, J.-M .; Schaeffer-Reiss, C .; Dorsselaer, A .; Baati, R .; Вагнер, А. (2014). «Селективное необратимое химическое мечение цистеина с 3-арилпропиолонитрилами». Bioconjugate Chem . 25 (2): 202–206. DOI : 10.1021 / bc400469d . PMID 24410136 . 
  17. ^ Ban, H .; Nagano, M .; Гаврилюк, Дж .; Барбас, CF (2015). «Легкие и стабильные связи через тирозин: стратегии биоконъюгации с реакцией тирозин-щелчок» . Bioconjugate Chem . 4 (24): 520–532. DOI : 10.1021 / bc300665t . PMC 3658467 . PMID 23534985 .  
  18. ^ Джоши, NS; Уитакер, Л. Р.; Фрэнсис, МБ (2004). «Трехкомпонентная реакция типа Манниха для селективного биоконъюгирования тирозина». Варенье. Chem. Soc . 126 (49): 15942–15943. DOI : 10.1021 / ja0439017 . PMID 15584710 . 
  19. ^ a b Дирксен, А .; Hackeng, TM; Доусон, ЧП (2006). «Нуклеофильный катализ лигирования оксима». Angewandte Chemie International Edition . 45 (45): 7581–4. DOI : 10.1002 / anie.200602877 . PMID 17051631 . 
  20. ^ Kool, Эрик; Пак, До Хён; Крисалли, Пит (2013). «Быстрые гидразоновые реагенты: электронные и кислотно-щелочные эффекты сильно влияют на скорость биологического pH» . Журнал Американского химического общества . 135 (47): 17663–17666. DOI : 10.1021 / ja407407h . PMC 3874453 . PMID 24224646 .  
  21. ^ Шмидт, Паскаль; Чжоу, Линна; Тишинов, Кирилл; Циммерманн, Каспар; Джиллингем, Деннис (2014). «Диальдегиды приводят к исключительно быстрым биоконъюгациям при нейтральном pH благодаря циклическому промежуточному соединению». Angewandte Chemie International Edition . 53 (41): 10928–10931. DOI : 10.1002 / anie.201406132 . PMID 25164607 . 
  22. ^ Шмидт, Паскаль; Стресс, Седрик; Джиллингем, Деннис (2015). «Бороновые кислоты способствуют быстрой конденсации оксима при нейтральном pH» (PDF) . Химическая наука . 6 (6): 3329–3333. DOI : 10.1039 / C5SC00921A . PMC 5656983 . PMID 29142692 .   
  23. ^ Лемье, Джорджия; De Graffenrie, CL; Бертоцци, CR (2003). «Флуорогенный краситель, активированный лигированием Штаудингера». Журнал Американского химического общества . 125 (16): 4708–4709. DOI : 10.1021 / ja029013y . PMID 12696879 . 
  24. ^ Лафлин, ST; Баскин, JM; Amacher, SL; Бертоцци, CR (2008). «In vivo визуализация связанных с мембраной гликанов в развивающихся рыбках данио» . Наука . 320 (5876): 664–667. Bibcode : 2008Sci ... 320..664L . DOI : 10.1126 / science.1155106 . PMC 2701225 . PMID 18451302 .  
  25. ^ Saxon, E .; Бертоцци, CR (2000). «Инженерия клеточной поверхности с помощью модифицированной реакции Штаудингера». Наука . 287 (5460): 2007–2010. Bibcode : 2000Sci ... 287.2007S . DOI : 10.1126 / science.287.5460.2007 . PMID 10720325 . S2CID 19720277 .  
  26. ^ Прешер, JA; Дубе, DH; Бертоцци, CR (2004). «Химическое ремоделирование клеточных поверхностей у живых животных». Природа . 430 (7002): 873–877. Bibcode : 2004Natur.430..873P . DOI : 10,1038 / природа02791 . PMID 15318217 . S2CID 4371934 .  
  27. ^ Лин, Флорида; Хойт, HM; Van Halbeek, H .; Бергман, Р.Г.; Бертоцци, CR (2005). «Механистическое исследование перевязки Штаудингера». Журнал Американского химического общества . 127 (8): 2686–2695. DOI : 10.1021 / ja044461m . PMID 15725026 . 
  28. ^ Чанг, PV; Прешер, JA; Слеттен, EM; Баскин, JM; Миллер, ИА; Агард, штат Нью-Джерси; Lo, A .; Бертоцци, CR (2010). «Щелочная химия без меди у живых животных» . Труды Национальной академии наук . 107 (5): 1821–1826. Bibcode : 2010PNAS..107.1821C . DOI : 10.1073 / pnas.0911116107 . PMC 2836626 . PMID 20080615 .  
  29. ^ Ази, О; Гринберг, ZF; Батич, КД; Добсон, JP (2019). «Конъюгация карбодиимида латентного трансформирующего фактора роста β1 в суперпарамагнитные наночастицы оксида железа для удаленной активации» . Int J Mol Sci . 20 (13): 3190. DOI : 10,3390 / ijms20133190 . PMC 6651417 . PMID 31261853 .  
  30. ^ Lin, L .; Liu, L .; Чжао, Б .; и другие. (2015). «Оптическая активация передачи сигналов TGF-β с помощью углеродных нанотрубок ближним инфракрасным светом» . Природа Нанотехнологии . 10 (5): 465–471. Bibcode : 2015NatNa..10..465L . DOI : 10.1038 / nnano.2015.28 . PMID 25775150 . 
  31. ^ Lalli, E .; Sarti, G .; Бой, К. (2018). «Влияние спейсерного плеча на неспецифическое связывание в мембранной аффинной хроматографии». MRS Communications . 8 (1): 65–70. DOI : 10,1557 / mrc.2018.4 .