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Chemical Science//铜介导的多肽N-末端选择性芳基化
今天分享一篇发表在Chemical Science的文章,题目是Copper-mediated peptide arylation selective for the N-terminus。本文的通讯作者是斯坦福大学的 Zachary T. Ball教授,他的主要研究领域是具有独特结构和功能的过渡金属配合物的设计,包括过渡金属配合物在化学生物学和药物化学中的应用。当前的项目集中在催化,金属酶样功能的设计以及化学生物学的有机金属工具。

目前,多肽和蛋白质的选择性修饰方法已用于药物偶联物、成像探针和杂化材料等领域。氨基(-NH2)是一种常见的生物结合位点,主要存在于N端和赖氨酸侧链。交叉偶联反应,通常由过渡金属配合物介导,已成为N-C键形成的重要工具,它们也给多肽和蛋白质选择性的修饰提供了一种有趣的方法。多肽中胺基的交叉偶联仅限于少数特殊情况,包括芳基钯试剂。虽然铜与N-末端基序结合是众所周知的,但这些配位配合物还没有被用作成键催化的中间体,与氨基末端的结合通常被用作保护基团来阻断反应活性。目前,在生理相关的水条件下氨基(N-末端和/或赖氨酸)的交叉偶联仍然是一个悬而未决的问题,对于常见的多个氨基的选择性问题在很大程度上还没有解决。基于此,作者本次描述了对氨基末端具有显著选择性的芳基化反应,同时,与赖氨酸的氨基不存在竞争性反应。在水溶液中,简单的铜(II)盐在温和的条件下就能与芳基硼酸试剂进行反应。
作者研究主链酰胺N-H键的硼酸偶联反应时,发现某些邻位取代芳基硼酸的化学选择性发生了变化。用磺酰胺取代试剂1,观察到酰胺N-H键上没有反应活性,而N-末端氨基发生高度化学选择性芳基化反应(如图1)。接下来作者又利用试剂1与各种修饰肽进行偶联反应,值得注意的是,赖氨酸侧链的伯胺基完全不反应(如图1d),反应序列的N末端乙酰化类似物未发生修饰反应,这与氨基上的反应一致。
图1. (a)用硼酸1a和1b修饰肽2-5;(b-e)多肽2-5反应的MALDI-MS谱(粗谱)
作者着手了解模型肽5(如图1e)的反应条件的范围,通过一系列条件的筛选,在PH为7的HEPES缓冲溶液中加入20%MeCN的有机助溶剂进行反应产率近乎定量值(97%)。
作者又通过检测硼酸的范围揭示了结构-反应性关系。仅在选择的吸电子邻位取代基观察到带有肽2的丙烯酸化产物。为了确定反应对不同N末端残基的耐受性,作者在N末端残基上合成了变体(如图2)。该反应可耐受多种N末端残基包括庞大的残基(色氨酸,缬氨酸和亮氨酸),带电残基(精氨酸,天冬氨酸)和甘氨酸。在赖氨酸侧链胺存在的情况下,N-末端氨基的反应化学选择性显示出特异性。作者假设化学选择性的来源可能是pKa的不同或者是N-端胺的螯合复合物的中间体,这在赖氨酸侧链上是不可能的。为了探索这一点,作者检测了含有非天然氨基酸的肽,这些氨基酸需要更大的环螯合结构:bAla和4Abu。与甘氨酸相比,这些肽变体具有更高的pKA。作者发现,能够形成6元环螯合物的bAla肽保留了反应性,而4Abu变体(至少需要7元环中间体)是不起反应的。螯合驱动的选择性模型最符合这些结果,尽管还需要进一步的研究。但反应性研究也揭示了可能的k2铜结合的性质。虽然铜与N-末端序列的结合得到了很好的研究,但规范结构通常采用N-结合酰胺结构(如图2,B)。
图2.  N-末端残基范围
炔基是操纵生物分子的最有用和最通用的方法之一,作者发现含炔基的硼酸可以保持有效的反应性。磺酰胺连接的炔烃硼酸是用于N端芳基化的有效试剂。由于预期产物苯胺在生理条件下不带电荷,因此芳基化会显著改变N端的电荷状态。作者研究N-芳基化所提供的电荷和结构扰动是否引起肽对酶促降解的稳定性。使用氨基肽酶I(一种从肽和蛋白质释放N末端残基的酶),追踪了血管紧张素IV 5及其芳基化类似物5a与Pfu氨基肽酶I的反应,发现10分钟后5完全被消耗了(图3b)。而5a甚至在孵育2小时后仍保持稳定(图3c)。
图3. (a)用硼酸酯1O和1P对肽5进行修饰。用反相高效液相色谱法计算得产率;(b)反相高效液相色谱法测定氨肽酶I对血管紧张素IV(5)和芳基化血管紧张素IV(5a)的酶解条件:100μM5,4.0μM5a,0.08μmgL-1氨基肽酶I,20 μMCu(OAc)2在95NaOAc缓冲液(5μmpH6.0)中定量。(c)肽酶活性:芳基化血管紧张素IV(5a,橙色)和血管紧张素IV(5,蓝色)氨基肽酶I裂解的时间进程
总之,二价铜盐与邻磺酰胺基团的硼酸可诱导特定于N末端的NH芳基化反应。该反应在水中的中性条件下进行,并使多种N末端残基发生芳基化反应。反应性表明了铜催化胺官能化反应的新选择性范例,该选择性范例依赖于多肽局部结构特点。


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