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Nat. Chem. 光催化体系的C-末端选择性脱羧型bioconjugation

光催化领域的”大哥大”MacMillan教授这回是要进入化学生物学领域的节奏?

Decarboxylative alkylation for site-selective bioconjugation of native proteins via oxidation potentials

Bloom, S.; Liu, C.; Kölmel, D.; Qiao, J.; Zhang, Y.; Poss, M.; Ewing, W.; MacMillan, D.

Nat. Chem. DOI: 10.1038/NCHEM.2888

这一次他们把光催化应用在了小分子反应方法学开发的人来说比较容易上手的bioconjugation上(纯属个人臆断)。

bioconjugation是什么?放心,请戳我,chem-station早就有该词条的详细文章介绍。

Bioconjugation的必要条件有

bioconjugation是以多肽/蛋白质为底物,

  1. 反应必须在含水体系中进行。
  2. 一般来说蛋白质溶液无法配置成高浓度的(溶解性低),所以反应必须能在低浓度条件下也能进行。
  3. 条件必须温和 (避免破坏蛋白质的三级结构)
  4. 必须具有高选择性。(多种官能团共存)

这是相当困难的条件,而Macmillan的方法显然满足了这些必要条件。

 

水中的反应性与官能团选择性

在这次的论文中,他们使用光催化剂产生自由基脱羧并进而进行官能团化反应。迄今为止,就反应性而言,已经有报道表明具有高反应性的自由基反应在水中的对蛋白质修饰也是可行的[1]、因此,本反应体系用于bioconjugation也是比较“顺其自然”。

自由基反应应用于Bioconjugation

 

接下来是选择性的问题。这次报道的论文是C末端选择性的脱羧型官能团化反应。在蛋白质中除了碳末端以外,天冬氨酸和谷氨酸的侧链上也带有羧酸基团,然而,在苯反应中,相对与天冬氨酸与谷氨酸的侧链羧酸基团来说,反应选择性的发生在微量的的C末端的羧酸(C-terminalcarboxylate)上。碳末端的羧酸脱羧后形成的自由基由于邻位有杂原子(氮原子)的存在,因此它比由天冬氨酸或谷氨酸侧链产生的自由基更稳定。这就是为什么C末端选择性的发生脱羧反应的缘由。

反应的选择性:侧链的羧酸 vs C末端的羧酸

光催化剂的探讨

在大致了解为何在碳末端的羧酸上发生选择性反应后。也就是说MacMillan他们把以前用在小分子中的方法学用到蛋白质上就搞定了,然而,实际上并非这么简单。

作者发现,本反应在常用的反应体系-水溶性镍催化剂与有机光敏试剂的条件下,反应并不能进行。因此,他们筛选后选择flavin(黄素衍生物)作为SET催化剂,因为有报道表明flavin可以催化α-取代的乙酸酯的脱羧反应,但是它是二电子转移反应。看似flavin并不适合用在但电子移动反应(SET)上,然而,真正试了后发现效果非常好。

反应机理: flavin作为SET催化剂作用

Limitation是?

一般对于自由基反应来说比较在意的第一感觉就是官能团的兼容性。在拥有以下氨基酸的蛋白质中,

Lys与His→酸性条件下,反应能够顺利进行。

Tyr→低活性的flavin催化剂条件下反应可以顺利进行,但是产率比较低。Tyr具有潜在的还原性,所以比较容易被氧化。

Cys、Met、Trp→具有这些氨基酸的多肽/蛋白质的底物没有在论文中出现。对于Cys,由于这次反应中用到了迈克尔受体,因此估计该条件很难适用于Cys。对于Met与Trp,硫醚和吲哚的氧化反应应该会优先进行。

上述以外的氨基酸都适用于本条件。

胰岛素的官能团化

作为本手法的应用,作者尝试着应用于胰岛素的官能化。也就是说,该蛋白质有两处具有碳末端羧酸结构,另外,这两条肽链含有四个谷氨酸残基。此外,在这个反应体系中有本反应体系比较难搞定的四个酪氨酸残基,也就是说胰岛素其实是一个具有挑战性的目标底物。

但是,实际在尝试后发现,A-chain优先发生了C末端羧酸的官能团化反应。当然,二硫键,谷氨酸的羧酸和其他杂原子都被保留下来,并没有受到影响。

应用于胰岛素

 

对于A-chain优先于B-chain发生反应,作者给出了以下两点可能的理由。

其中一点是单纯的A-chain的碳末端比B-chain的更容易被氧化。

另一点他们认为有可能是,A-chain的碳末端近旁的疏水表面更容易”聚集”光催化剂,通过该近旁效果,A-chain的C末端优先发生反应。虽然这两个可能性假说并没有直接的证据,但是A-chain与B-chain的选择性差异这一发现还是非常有趣的。

 

结尾

完美的bioconjugation的方法学还并没有被开发出来,预计还有很长的路要走,但不可否认,这会是一个非常热点的课题。

这次,Macmillan组仅仅是尝试应用于bioconjugation,而未来或者是否目前已经在尝试应用于bioorthogonal反应,甚至是活细胞中天然蛋白质的标记等等?让我们拭目以待。

参考文献

[1]Sato, S.; Nakamura, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 8681. DOI:10.1002/anie.201303831

 

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