Química bioortogonal
De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación Saltar a búsqueda

El término química bioortogonal se refiere a cualquier reacción química que pueda ocurrir dentro de los sistemas vivos sin interferir con los procesos bioquímicos nativos. [1] [2] [3] El término fue acuñado por Carolyn R. Bertozzi en 2003. [4] Desde su introducción, el concepto de reacción bioortogonal ha permitido el estudio de biomoléculas como glucanos , proteínas , [5] y lípidos [6]en tiempo real en sistemas vivos sin toxicidad celular. Se han desarrollado varias estrategias de ligadura química que cumplen los requisitos de la bioortogonalidad, incluida la cicloadición 1,3-dipolar entre azidas y ciclooctinas (también denominada química de clic sin cobre ), [7] entre nitronas y ciclooctinas, [8] oxima / formación de hidrazona a partir de aldehídos y cetonas , [9] la ligadura de tetrazina , [10] la reacción de clic basada en isocianuro , [11]y más recientemente, la ligadura con cuadriciclano. [12]

El uso de la química bioortogonal normalmente se realiza en dos pasos. Primero, se modifica un sustrato celular con un grupo funcional bioorthogonal (indicador químico) y se introduce en la célula; los sustratos incluyen metabolitos, inhibidores de enzimas, etc. El reportero químico no debe alterar la estructura del sustrato dramáticamente para evitar afectar su bioactividad. En segundo lugar, se introduce una sonda que contiene el grupo funcional complementario para reaccionar y marcar el sustrato.

Aquí se muestra una ligadura bioorthogonal entre la biomolécula X y el socio reactivo Y. Para ser considerados bioorthogonales, estos socios reactivos no pueden perturbar otra funcionalidad química que se encuentra naturalmente dentro de la célula.

Aunque se han desarrollado reacciones bioortogonales efectivas, como la química de clic sin cobre, el desarrollo de nuevas reacciones continúa generando métodos ortogonales para el etiquetado que permiten utilizar múltiples métodos de etiquetado en los mismos biosistemas.

Requisitos de bioortogonalidad

Para ser considerada bioortogonal, una reacción debe cumplir una serie de requisitos:

  • Selectividad: la reacción debe ser selectiva entre grupos funcionales endógenos para evitar reacciones secundarias con compuestos biológicos.
  • Inercia biológica: los socios reactivos y el enlace resultante no deben poseer ningún modo de reactividad capaz de alterar la funcionalidad química nativa del organismo en estudio.
  • Inercia química: el enlace covalente debe ser fuerte e inerte a las reacciones biológicas.
  • Cinética: la reacción debe ser rápida para que se logre la ligadura covalente antes del metabolismo y el aclaramiento de la sonda. La reacción debe ser rápida, en la escala de tiempo de los procesos celulares (minutos) para evitar la competencia en reacciones que pueden disminuir las pequeñas señales de especies menos abundantes. Las reacciones rápidas también ofrecen una respuesta rápida, necesaria para realizar un seguimiento preciso de los procesos dinámicos.
  • Biocompatibilidad de la reacción: las reacciones deben ser atóxicas y deben funcionar en condiciones biológicas teniendo en cuenta el pH, los ambientes acuosos y la temperatura. La farmacocinética es una preocupación creciente a medida que la química bioorthogonal se expande a modelos animales vivos.
  • Ingeniería accesible: el reportero químico debe ser capaz de incorporarse en biomoléculas a través de alguna forma de ingeniería metabólica o de proteínas. De manera óptima, uno de los grupos funcionales también es muy pequeño para que no perturbe el comportamiento nativo.

Ligadura Staudinger

La ligadura de Staudinger es una reacción desarrollada por el grupo Bertozzi en 2000 que se basa en la clásica reacción de Staudinger de azidas con triarilfosfinas. [13] Lanzó el campo de la química bioorthogonal como la primera reacción con grupos funcionales completamente abióticos, aunque ya no se usa tan ampliamente. La ligadura de Staudinger se ha utilizado tanto en células vivas como en ratones vivos. [4]

Bioortogonalidad

La azida puede actuar como un electrófilo blando que prefiere los nucleófilos blandos como las fosfinas . Esto contrasta con la mayoría de los nucleófilos biológicos que son típicamente nucleófilos duros. La reacción procede selectivamente en condiciones tolerantes al agua para producir un producto estable.

Las fosfinas están completamente ausentes de los sistemas vivos y no reducen los enlaces disulfuro a pesar del leve potencial de reducción. Se ha demostrado que las azidas son biocompatibles en medicamentos aprobados por la FDA como la azidotimidina y a través de otros usos como reticulantes. Además, su pequeño tamaño les permite incorporarse fácilmente a biomoléculas a través de vías metabólicas celulares.

Mecanismo

La reacción clásica de Staudinger

La fosfina nucleofílica ataca a la azida en el nitrógeno terminal electrofílico. A través de un estado de transición de cuatro miembros, el N 2 se pierde para formar un aza-iluro. El iluro inestable se hidroliza para formar óxido de fosfina y una amina primaria. Sin embargo, esta reacción no es inmediatamente bioortogonal porque la hidrólisis rompe el enlace covalente en el aza-iluro.

La ligadura de Staudinger

La reacción se modificó para incluir un grupo éster en posición orto al átomo de fósforo en uno de los anillos de arilo para dirigir el azailuro a través de una nueva ruta de reactividad con el fin de superar la hidrólisis inmediata colocando el éster para aumentar la concentración local. El ataque nucleofílico inicial sobre la azida es el paso limitante de la velocidad. El iluro reacciona con la trampa de éster electrófilo a través de la ciclación intramolecular para formar un anillo de cinco miembros. Este anillo se somete a hidrólisis para formar un enlace amida estable .

Limitaciones

Los reactivos de fosfina experimentan lentamente la oxidación del aire en los sistemas vivos. Además, es probable que sean metabolizados in vitro por las enzimas del citocromo P450 .

La cinética de las reacciones es lenta con constantes de velocidad de segundo orden alrededor de 0.0020 M −1 • s −1 . Los intentos de aumentar las tasas de ataque nucleofílico mediante la adición de grupos donantes de electrones a las fosfinas mejoraron la cinética, pero también aumentaron la tasa de oxidación del aire.

La mala cinética requiere que se utilicen altas concentraciones de fosfina, lo que conduce a problemas con una alta señal de fondo en las aplicaciones de formación de imágenes. Se han realizado intentos para combatir el problema del fondo elevado mediante el desarrollo de reactivos de fosfina fluorogénica basados ​​en fluoresceína y luciferina , pero la cinética intrínseca sigue siendo una limitación. [14]

Química de clic sin cobre

La química de clic sin cobre es una reacción bioortogonal desarrollada por primera vez por Carolyn Bertozzi como una variante activada de una cicloadición de azida alquina Huisgen , basada en el trabajo de Karl Barry Sharpless et al. A diferencia de CuAAC, la química de clic sin Cu se ha modificado para que sea bioortogonal al eliminar un catalizador de cobre citotóxico, lo que permite que la reacción se desarrolle rápidamente y sin toxicidad de células vivas. En lugar de cobre, la reacción es una cicloadición de alquino-azida promovida por cepas ( SPAAC). Se desarrolló como una alternativa más rápida a la ligadura de Staudinger, y las primeras generaciones reaccionaron sesenta veces más rápido. La increíble bioortogonalidad de la reacción ha permitido que la reacción de clic sin Cu se aplique dentro de células cultivadas, peces cebra vivos y ratones.

Toxicidad del cobre

La cicloadición azida-alquino catalizada por cobre clásica ha sido una reacción de clic extremadamente rápida y eficaz para la bioconjugación, pero no es adecuada para su uso en células vivas debido a la toxicidad de los iones Cu (I). La toxicidad se debe al daño oxidativo de las especies reactivas de oxígeno formadas por los catalizadores de cobre. También se ha descubierto que los complejos de cobre inducen cambios en el metabolismo celular y son absorbidos por las células.

Ha habido cierto desarrollo de ligandos para prevenir el daño de las biomoléculas y facilitar la eliminación en aplicaciones in vitro . Sin embargo, se ha encontrado que diferentes entornos de ligandos de complejos aún pueden afectar el metabolismo y la captación, introduciendo una perturbación no deseada en la función celular. [15]

Bioortogonalidad

El grupo azida es particularmente bioortogonal porque es extremadamente pequeño (favorable para la permeabilidad celular y evita perturbaciones), metabólicamente estable y no existe de forma natural en las células y, por lo tanto, no tiene reacciones secundarias biológicas competitivas. Aunque las azidas no son el 1,3-dipolo más reactivo disponible para la reacción, se prefieren por su relativa falta de reacciones secundarias y estabilidad en condiciones sintéticas típicas. [16] El alquino no es tan pequeño, pero aún tiene la estabilidad y ortogonalidad necesarias para el etiquetado in vivo . Los ciclooctinos son tradicionalmente el cicloalquino más común para los estudios de marcaje, ya que son el anillo de alquino estable más pequeño.

Mecanismo

La reacción procede como una cicloadición 1,3-dipolar estándar, un tipo de desplazamiento pericíclico concertado y asincrónico . La naturaleza ambivalente del 1,3-dipolo debería hacer imposible la identificación de un centro electrófilo o nucleófilo en la azida, de modo que la dirección del flujo cíclico de electrones carece de sentido. [p] Sin embargo, los cálculos han demostrado que la distribución de electrones entre los nitrógenos hace que el átomo de nitrógeno más interno tenga la mayor carga negativa. [17]

Regioselectividad

Aunque la reacción produce una mezcla regioisomérica de triazoles, la falta de regioselectividad en la reacción no es una preocupación importante para la mayoría de las aplicaciones actuales. Los requisitos más regioespecíficos y menos bioortogonales se satisfacen mejor con la cicloadición de Huisgen catalizada por cobre, especialmente dada la dificultad sintética (en comparación con la adición de un alquino terminal) de sintetizar una ciclooctina deformada.

Desarrollo de ciclooctinas

CiclooctinaConstante de velocidad de segundo orden (M −1 s −1 )
OCT0,0024
ALO0,0013
MOFO0,0043
DIFO0,076
DIBO0,057
BARAC0,96
DIBAC (ADIBO)0,31
DIMAC0,0030

OCT fue la primera ciclooctina desarrollada para la química de clic sin Cu. Si bien los alquinos lineales no son reactivos a temperaturas fisiológicas, la OCT pudo reaccionar fácilmente con azidas en condiciones biológicas sin mostrar toxicidad. Sin embargo, era poco soluble en agua y la cinética apenas mejoró con respecto a la ligadura de Staudinger. ALO (octino sin arilo) se desarrolló para mejorar la solubilidad en agua, pero todavía tenía una cinética pobre.

Se crearon ciclooctinas monofluoradas ( MOFO ) y difluoradas ( DIFO ) para aumentar la velocidad mediante la adición de sustituyentes de flúor que atraen electrones en la posición propargílica . El flúor es un buen grupo captador de electrones en términos de accesibilidad sintética e inercia biológica. En particular, no puede formar un aceptor de Michael electrófilo que pueda reaccionar lateralmente con nucleófilos biológicos. [7] DIBO(dibenzociclooctina) se desarrolló como una fusión a dos anillos de arilo, lo que resultó en una tensión muy alta y una disminución en las energías de distorsión. Se propuso que la sustitución de biarilo aumenta la tensión del anillo y proporciona conjugación con el alquino para mejorar la reactividad. Aunque los cálculos han predicho que la sustitución de monoarilo proporcionaría un equilibrio óptimo entre el choque estérico (con la molécula de azida) y la cepa, [18] se ha demostrado que los productos monoarilados son inestables.

BARAC (biarilazaciclooctinona) siguió con la adición de un enlace amida que agrega un centro similar a sp 2 para aumentar la velocidad por distorsión. La resonancia de amida contribuye a una tensión adicional sin crear una insaturación adicional que daría lugar a una molécula inestable. Además, la adición de un heteroátomo en el anillo de ciclooctina mejora tanto la solubilidad como la farmacocinética de la molécula. BARAC tiene suficiente velocidad (y sensibilidad) hasta el punto de que no es necesario lavar el exceso de sonda para reducir el fondo. Esto lo hace extremadamente útil en situaciones en las que el lavado es imposible, como en imágenes en tiempo real o en imágenes de animales completos. Aunque BARAC es de gran utilidad, su baja estabilidad requiere que se almacene a 0 ° C, protegido de la luz y el oxígeno.[19]

La síntesis fue diseñada por el grupo Bertozzi como una ruta modular para facilitar futuras modificaciones en el análisis SAR. El primer paso es la síntesis de indol de Fischer. El producto se alquila con bromuro de alilo como asa para la futura unión de la sonda; Luego se agrega TMS. La oxidación abre los anillos centrales para formar una amida cíclica. La cetona se trata como un enolato para agregar un grupo triflato. La reacción del alqueno terminal genera un enlazador para la conjugación a una molécula. La reacción final con CsF introduce el alquino filtrado en el último paso.

Se realizaron variaciones de ajustes adicionales en BARAC para producir DIBAC / ADIBO para agregar tensión del anillo distal y reducir los estéricos alrededor del alquino para aumentar aún más la reactividad. Keto-DIBO, en el que el grupo hidroxilo se ha convertido en una cetona, tiene un aumento de tres veces en la velocidad debido a un cambio en la conformación del anillo. Los intentos de hacer una difluorobenzociclooctina ( DIFBO ) no tuvieron éxito debido a la inestabilidad.

Los problemas con DIFO con estudios in vivo en ratones ilustran la dificultad de producir reacciones bioortogonales. Aunque DIFO fue extremadamente reactivo en el marcaje de células, tuvo un desempeño deficiente en estudios con ratones debido a la unión con albúmina sérica . La hidrofobicidad de la ciclooctina promueve el secuestro por membranas y proteínas séricas, reduciendo las concentraciones biodisponibles. En respuesta, se desarrolló DIMAC (dimetoxiazaciclooctina) para aumentar la solubilidad en agua, la polaridad y la farmacocinética, [20] aunque los esfuerzos en el etiquetado bioorthogonal de modelos de ratón aún están en desarrollo.

Reactividad

Los esfuerzos computacionales han sido vitales para explicar la termodinámica y la cinética de estas reacciones de cicloadición, lo que ha jugado un papel vital para continuar mejorando la reacción. Hay dos métodos para activar alquinos sin sacrificar la estabilidad: disminuir la energía del estado de transición o disminuir la estabilidad del reactivo.

La flecha roja muestra la dirección del cambio de energía. Las flechas negras muestran la diferencia en la energía de activación antes y después de los efectos.

Disminución de la estabilidad del reactivo: Houk [21] ha propuesto que las diferencias en la energía (E d ‡ ) requerida para distorsionar la azida y el alquino en las geometrías del estado de transición controlan las alturas de barrera para la reacción. La energía de activación (E ‡ ) es la suma de las distorsiones desestabilizadoras y las interacciones estabilizadoras (E i ‡ ). La distorsión más significativa está en el grupo funcional azida con menor contribución de distorsión alquina. Sin embargo, solo el ciclooctino puede modificarse fácilmente para una mayor reactividad. Las barreras de reacción calculadas para fenil azida y acetileno (16,2 kcal / mol) frente a ciclooctina (8,0 kcal / mol) dan como resultado un aumento de la velocidad prevista de 106 . La ciclooctina requiere menos energía de distorsión (1,4 kcal / mol frente a 4,6 kcal / mol), lo que resulta en una energía de activación más baja a pesar de la energía de interacción más pequeña.

Relación entre la energía de activación, la energía de distorsión y la energía de interacción

Disminución de la energía del estado de transición: los grupos de extracción de electrones, como el flúor, aumentan la tasa al disminuir la energía LUMO y la brecha HOMO-LUMO. Esto conduce a una mayor transferencia de carga de la azida al ciclooctino fluorado en el estado de transición, aumentando la energía de interacción (valor negativo más bajo) y la energía de activación general. [22] La disminución del LUMO es el resultado de la hiperconjugación entre los orbitales donantes de alquino π y los aceptores de CF σ *. Estas interacciones proporcionan estabilización principalmente en el estado de transición como resultado de una mayor capacidad donante / aceptor de los enlaces a medida que se distorsionan. Los cálculos de NBO han demostrado que la distorsión del estado de transición aumenta la energía de interacción en 2,8 kcal / mol.

La hiperconjugación entre enlaces π fuera del plano es mayor porque los enlaces π en el plano están mal alineados. Sin embargo, la flexión del estado de transición permite que los enlaces π en el plano tengan una disposición más antiperiplanar que facilita la interacción. La estabilización de la energía de interacción hiperconjugativa adicional se logra a través de un aumento en la población electrónica de σ * debido a la formación del enlace CN. La hiperconjugación negativa con los enlaces σ * ​​CF mejora esta interacción estabilizadora. [17]

Regioselectividad

Aunque la regioselectividad no es un gran problema en las aplicaciones de imágenes actuales de la química de clic sin cobre, es un problema que impide futuras aplicaciones en campos como el diseño de fármacos o los peptidomiméticos. [23]

Actualmente, la mayoría de los ciclooctinos reaccionan para formar mezclas regioisoméricas. [m] El análisis computacional ha encontrado que mientras que la regioselectividad en fase gaseosa se calcula para favorecer la adición 1,5 sobre la adición 1,4 hasta en 2,9 kcal / mol en energía de activación, las correcciones de solvatación dan como resultado las mismas barreras de energía para ambos regioisómeros. Mientras que el isómero 1,4 en la cicloadición de DIFO está desfavorecido por su momento dipolar más grande, la solvatación lo estabiliza con más fuerza que el isómero 1,5, erosionando la regioselectividad. [22]

Ciclooctinas simétricas como BCN (biciclo [6.1.0] nonino) forman un solo regioisómero tras la cicloadición [24] y pueden servir para abordar este problema en el futuro.

Aplicaciones

La aplicación más extendida de la química de clic sin cobre es en la obtención de imágenes biológicas en células o animales vivos utilizando una biomolécula marcada con azida y una ciclooctina que contiene un agente de formación de imágenes.

Las variantes de ceto y oxima fluorescentes de DIBO se utilizan en reacciones de clic con interruptor de flúor en las que la fluorescencia de la ciclooctina se apaga mediante el triazol que se forma en la reacción. [25] Por otro lado, ciclooctinas conjugadas con cumarina como coumBARAC se han desarrollado de tal manera que el alquino suprime la fluorescencia mientras que la formación de triazol aumenta diez veces el rendimiento cuántico de fluorescencia . [26]

La fluorescencia de coumBARAC aumenta con la reacción.

Se ha investigado el control espacial y temporal del etiquetado del sustrato utilizando ciclooctinas fotoactivables. Esto permite el equilibrio del alquino antes de la reacción para reducir los artefactos como resultado de los gradientes de concentración. Los ciclooctinos enmascarados no pueden reaccionar con azidas en la oscuridad, pero se vuelven alquinos reactivos al irradiarlos con luz. [27]

Se está explorando la química de clic sin cobre para su uso en la síntesis de agentes de formación de imágenes de PET que deben fabricarse rápidamente con alta pureza y rendimiento para minimizar la desintegración isotópica antes de que se puedan administrar los compuestos. Tanto las constantes de alta velocidad como la bioortogonalidad de SPAAC son adecuadas para la química de PET. [28]

Otras reacciones bioortogonales

Cicloadición dipolo de nitrona

La química de clic sin cobre se ha adaptado para usar nitronas como el 1,3-dipolo en lugar de azidas y se ha usado en la modificación de péptidos. [8]

Esta cicloadición entre una nitrona y una ciclooctina forma isoxazolinas N-alquiladas. La velocidad de reacción se mejora con el agua y es extremadamente rápida con constantes de velocidad de segundo orden que varían de 12 a 32 M −1 • s −1 , dependiendo de la sustitución de la nitrona. Aunque la reacción es extremadamente rápida, se enfrenta a problemas para incorporar la nitrona en biomoléculas a través del marcaje metabólico. El marcaje solo se ha logrado mediante la modificación del péptido postraduccional.

Cicloadición norbornene

Las cicloadiciones 1,3 dipolares se han desarrollado como una reacción bioortogonal utilizando un óxido de nitrilo como 1,3-dipolo y un norborneno como dipolo- rófilo . Su uso principal ha sido en el etiquetado de ADN y ARN en sintetizadores de oligonucleótidos automatizados. [29]

Los norbornenos se seleccionaron como dipolorófilos debido a su equilibrio entre la reactividad y la estabilidad promovidas por la cepa. Los inconvenientes de esta reacción incluyen la reactividad cruzada del óxido de nitrilo debido a una fuerte electrofilia y una cinética de reacción lenta.

Cicloadición de oxanorbornadieno

La cicloadición de oxanorbornadieno es una cicloadición 1,3-dipolar seguida de una reacción retro- Diels Alder para generar un conjugado unido a triazol con la eliminación de una molécula de furano . [30] El trabajo preliminar ha establecido su utilidad en experimentos de etiquetado de péptidos, y también se ha utilizado en la generación de compuestos de imágenes SPECT . [31] Más recientemente, se describió el uso de un oxanorbornadieno en una reacción "iClick" a temperatura ambiente sin catalizador, en la que un aminoácido modelo se vincula al resto metálico, en un enfoque novedoso de las reacciones bioortogonales. [32]

La deformación del anillo y la deficiencia de electrones en el oxanorbornadieno aumentan la reactividad hacia el paso limitante de la velocidad de cicloadición. La reacción retro-Diels Alder se produce rápidamente después para formar el 1,2,3 triazol estable. Los problemas incluyen poca tolerancia a los sustituyentes que pueden cambiar la electrónica del oxanorbornadieno y tasas bajas (constantes de tasa de segundo orden del orden de 10 −4 ).

Ligadura con tetrazina

La ligadura de tetrazina es la reacción de un trans-cicloocteno y una tetrazina en una reacción de Diels Alder de demanda inversa seguida de una reacción retro-Diels Alder para eliminar el gas nitrógeno. [33] La reacción es extremadamente rápida con una segunda constante de velocidad de orden de 2000 M -1 -s -1 (en 9: 1 de metanol / agua) que permite modificaciones de biomoléculas en concentraciones extremadamente bajas.

Según el trabajo computacional de Bach, la energía de deformación de los Z-ciclooctenos es de 7,0 kcal / mol en comparación con las 12,4 kcal / mol del ciclooctano debido a la pérdida de dos interacciones transanulares. El E-cicloocteno tiene un doble enlace altamente retorcido que resulta en una energía de deformación de 17,9 kcal / mol. [34] Como tal, el trans-cicloocteno altamente tensado se usa como un dienófilo reactivo . El dieno es una 3,6-diaril-s-tetrazina que ha sido sustituida para resistir la reacción inmediata con agua. La reacción procede a través de una cicloadición inicial seguida de un Diels Alder inverso para eliminar el N 2 y evitar la reversibilidad de la reacción. [10]

No solo la reacción es tolerante al agua, sino que se ha encontrado que la velocidad aumenta en medios acuosos. También se han realizado reacciones utilizando norbornenos como dienófilos a velocidades de segundo orden del orden de 1 M −1 • s −1 en medios acuosos. La reacción se ha aplicado al etiquetado de células vivas [35] y al acoplamiento de polímeros. [36]

[4 + 1] Cicloadición

Esta reacción de clic de isocianuro es una cicloadición [4 + 1] seguida de una eliminación retro-Diels Alder de N 2 . [11]

La reacción procede con una cicloadición inicial [4 + 1] seguida de una reversión para eliminar un sumidero termodinámico y evitar la reversibilidad. Este producto es estable si se usa una amina terciaria o isocianopropanoato. Si se usa un isocianuro secundario o primario, el producto formará una imina que se hidroliza rápidamente.

El isocianuro es un indicador químico preferido debido a su pequeño tamaño, estabilidad, no toxicidad y ausencia en los sistemas de mamíferos. Sin embargo, la reacción es lenta, con constantes de velocidad de segundo orden del orden de 10 −2  M −1 • s −1 .

Química del fotoclick del tetrazol

La química de Photoclick utiliza una cicloreversión fotoinducida para liberar N 2 . Esto genera un intermedio de imina de 1,3 nitrilo de vida corta a través de la pérdida de nitrógeno gaseoso, que se somete a una cicloadición 1,3-dipolar con un alqueno para generar cicloadductos de pirazolina. [11]

La fotoinducción se lleva a cabo con una breve exposición a la luz (la longitud de onda depende del tetrazol) para minimizar el fotodaño a las células. La reacción se potencia en condiciones acuosas y genera un solo regioisómero.

La imina de nitrilo transitoria es altamente reactiva para la cicloadición 1,3-dipolar debido a una estructura doblada que reduce la energía de distorsión. La sustitución con grupos donantes de electrones en los anillos de fenilo aumenta la energía HOMO, cuando se coloca en la imina de nitrilo 1,3 y aumenta la velocidad de reacción.

Las ventajas de este enfoque incluyen la capacidad de controlar espacial o temporalmente la reacción y la capacidad de incorporar tanto alquenos como tetrazoles en biomoléculas usando métodos biológicos simples como la codificación genética. [37] Además, el tetrazol puede diseñarse para que sea fluorogénico con el fin de controlar el progreso de la reacción. [38]

Ligadura con cuadriciclano

La ligadura de cuadriciclano utiliza un cuadriciclano muy tenso para someterse a cicloadición [2 + 2 + 2] con sistemas π. [12]

El cuadriciclano es abiótico, no reacciona con biomoléculas (debido a la saturación completa), relativamente pequeño y muy tenso (~ 80 kcal / mol). Sin embargo, es muy estable a temperatura ambiente y en condiciones acuosas a pH fisiológico. Es capaz de reaccionar selectivamente con sistemas π pobres en electrones, pero no con alquenos, alquinos o ciclooctinos simples.

Se eligió bis (ditiobencil) níquel (II) como socio de reacción de una selección de candidatos basada en la reactividad. Para evitar la reversión a norbornadieno inducida por la luz, se agrega dietilditiocarbamato para quelar el níquel en el producto.

Estas reacciones se ven potenciadas por condiciones acuosas con una constante de velocidad de segundo orden de 0,25 M −1 • s −1 . De particular interés es que se ha demostrado que es bioortogonal tanto para la formación de oxima como para la química de clic sin cobre.

Usos

La química bioortogonal es una herramienta atractiva para realizar experimentos de focalización previa en imágenes nucleares y radioterapia . [39]

Referencias

  1. ^ Sletten, Ellen M .; Bertozzi, Carolyn R. (2009). "Química bioorthogonal: pesca de la selectividad en un mar de funcionalidad" . Angewandte Chemie International Edition . 48 (38): 6974–98. doi : 10.1002 / anie.200900942 . PMC  2864149 . PMID  19714693 .
  2. ^ Prescher, Jennifer A .; Dube, Danielle H .; Bertozzi, Carolyn R. (2004). "Remodelación química de superficies celulares en animales vivos". Naturaleza . 430 (7002): 873–7. Código bibliográfico : 2004Natur.430..873P . doi : 10.1038 / nature02791 . PMID 15318217 . S2CID 4371934 .  
  3. ^ Prescher, Jennifer A; Bertozzi, Carolyn R (2005). "Química en sistemas vivos". Biología química de la naturaleza . 1 (1): 13-21. doi : 10.1038 / nchembio0605-13 . PMID 16407987 . S2CID 40548615 .  
  4. ^ a b Sletten, Ellen M .; Bertozzi, Carolyn R. (2011). "Del mecanismo al ratón: una historia de dos reacciones bioortogonales" . Cuentas de Investigación Química . 44 (9): 666–676. doi : 10.1021 / ar200148z . PMC 3184615 . PMID 21838330 .  
  5. ^ Por favor, Tilman; Milles, Sigrid; Koehler, Christine; Schultz, Carsten; Lemke, Edward A. (2011). "Química de clic libre de cobre codificada genéticamente" . Angewandte Chemie International Edition . 50 (17): 3878–3881. doi : 10.1002 / anie.201008178 . PMC 3210829 . PMID 21433234 .  
  6. ^ Neef, Anne B .; Schultz, Carsten (2009). "Etiquetado selectivo de fluorescencia de lípidos en células vivas". Angewandte Chemie International Edition . 48 (8): 1498–500. doi : 10.1002 / anie.200805507 . PMID 19145623 . 
  7. ^ a b Baskin, JM; Prescher, JA; Laughlin, ST; Agard, Nueva Jersey; Chang, PV; Miller, IA; Lo, A .; Codelli, JA; Bertozzi, CR (2007). "Química de clic sin cobre para imágenes dinámicas in vivo" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 104 (43): 16793–7. Código Bibliográfico : 2007PNAS..10416793B . doi : 10.1073 / pnas.0707090104 . PMC 2040404 . PMID 17942682 .  
  8. ^ a b Ning, Xinghai; Temming, Rinske P .; Dommerholt, Jan; Guo, Jun; Blanco-Ania, Daniel; Debets, Marjoke F .; Wolfert, Margreet A .; Boons, Geert-Jan; Van Delft, Floris L. (2010). "Modificación de proteínas por cicloadición de alquino-nitrona promovida por cepas" . Angewandte Chemie International Edition . 49 (17): 3065–8. doi : 10.1002 / anie.201000408 . PMC 2871956 . PMID 20333639 .  
  9. ^ Yarema, KJ; Mahal, LK; Bruehl, RE; Rodríguez, EC; Bertozzi, CR (1998). "Entrega metabólica de grupos cetónicos a residuos de ácido siálico. APLICACIÓN A LA INGENIERÍA DE GLICOFORMOS DE SUPERFICIE CELULAR" . Revista de Química Biológica . 273 (47): 31168–79. doi : 10.1074 / jbc.273.47.31168 . PMID 9813021 . 
  10. ↑ a b Blackman, Melissa L .; Royzen, Maksim; Fox, Joseph M. (2008). "La ligadura de tetrazina: bioconjugación rápida basada en reactividad de Diels-Alder de demanda inversa de electrones" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 130 (41): 13518–9. doi : 10.1021 / ja8053805 . PMC 2653060 . PMID 18798613 .  
  11. ↑ a b c Stöckmann, Henning; Neves, André A .; Escaleras, Shaun; Brindle, Kevin M .; Leeper, Finian J. (2011). "Exploración de la química de clic basada en isonitrilo para la ligadura con biomoléculas". Química orgánica y biomolecular . 9 (21): 7303–5. doi : 10.1039 / C1OB06424J . PMID 21915395 . 
  12. ^ a b Sletten, Ellen M .; Bertozzi, Carolyn R. (2011). "Una ligadura de cuadriciclano bioorthogonal" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 133 (44): 17570–3. doi : 10.1021 / ja2072934 . PMC 3206493 . PMID 21962173 .  
  13. ↑ Saxon, E .; Bertozzi, CR (2000). "Ingeniería de la superficie celular por una reacción de Staudinger modificada". Ciencia . 287 (5460): 2007–10. Código Bibliográfico : 2000Sci ... 287.2007S . doi : 10.1126 / science.287.5460.2007 . PMID 10720325 . S2CID 19720277 .  
  14. ^ Pamela, Chang .; Prescher, Jennifer A .; Hangauer, Matthew J .; Bertozzi, Carolyn R. (2008). "Imagen de glicanos de superficie celular con reporteros químicos bioortogonales" . J Am Chem Soc . 129 (27): 8400–8401. doi : 10.1021 / ja070238o . PMC 2535820 . PMID 17579403 .  
  15. ^ Kennedy, David C .; McKay, Craig S .; Legault, Marc CB; Danielson, Dana C .; Blake, Jessie A .; Pegoraro, Adrian F .; Stolow, Albert; Mester, Zoltan; Pezacki, John Paul (2011). "Consecuencias celulares de los complejos de cobre utilizados para catalizar reacciones de clic bioortogonal". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 133 (44): 17993–8001. doi : 10.1021 / ja2083027 . PMID 21970470 . 
  16. ^ Huisgen, Rolf. (1976). "Cicloadiciones 1,3-dipolares. 76. Naturaleza concertada de las cicloadiciones 1,3-dipolares y la cuestión de los intermedios dirradicales". La Revista de Química Orgánica . 41 (3): 403–419. doi : 10.1021 / jo00865a001 .
  17. ^ a b Oro, Brian; Shevchenko, Nikolay E .; Bonificación, Natalie; Dudley, Gregory B .; Alabugin, Igor V. (2011). "Estabilización del estado de transición selectiva a través de asistencia hiperconjugativa y conjugativa: concepto estereoelectrónico para la química de clic sin cobre". La Revista de Química Orgánica . 77 (1): 75–89. doi : 10.1021 / jo201434w . PMID 22077877 . 
  18. ^ Chenoweth, Kimberly; Chenoweth, David; Goddard III, William A. (2009). "Reactivos basados ​​en ciclooctina para la química de clic no catalizada: una encuesta computacional" (PDF) . Química orgánica y biomolecular . 7 (24): 5255–8. doi : 10.1039 / B911482C . PMID 20024122 .  
  19. ^ Jewett, John C .; Sletten, Ellen M .; Bertozzi, Carolyn R. (2010). "Química de clic rápido sin Cu con biarilazaciclooctinonas fácilmente sintetizadas" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 132 (11): 3688–90. doi : 10.1021 / ja100014q . PMC 2840677 . PMID 20187640 .  
  20. ^ Sletten, Ellen M .; Bertozzi, Carolyn R. (2008). "Una azaciclooctina hidrófila para la química de clic sin Cu" . Letras orgánicas . 10 (14): 3097–9. doi : 10.1021 / ol801141k . PMC 2664610 . PMID 18549231 .  
  21. ^ Ess, Daniel H .; Jones, Gavin O .; Houk, KN (2008). "Estados de transición de la química de clic libre de metales promovida por deformación: Cicloadiciones 1,3-dipolares de fenil azida y ciclooctinas". Letras orgánicas . 10 (8): 1633–6. doi : 10.1021 / ol8003657 . PMID 18363405 . 
  22. ↑ a b Schoenebeck, Franziska; Ess, Daniel H .; Jones, Gavin O .; Houk, KN (2009). "Reactividad y regioselectividad en cicloadiciones 1,3-dipolares de azidas a alquinos y alquenos deformados: un estudio computacional". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 131 (23): 8121–33. doi : 10.1021 / ja9003624 . PMID 19459632 . 
  23. ^ Lutz, Jean-François (2008). "Cicloadiciones de alquino azida sin cobre: ​​nuevas perspectivas y perspectivas". Angewandte Chemie International Edition . 47 (12): 2182–4. doi : 10.1002 / anie.200705365 . PMID 18264961 . 
  24. ↑ Dommerholt, Jan; Schmidt, Samuel; Temming, Rinske; Hendriks, Linda JA; Rutjes, Floris PJT; Van Hest, Jan CM; Lefeber, Dirk J .; Friedl, Peter; Van Delft, Floris L. (2010). "Ciclononinos fácilmente accesibles para el etiquetado bioortogonal y la obtención de imágenes tridimensionales de células vivas" . Angewandte Chemie International Edition . 49 (49): 9422–5. doi : 10.1002 / anie.201003761 . PMC 3021724 . PMID 20857472 .  
  25. ^ Mbua, Ngalle Eric; Guo, Jun; Wolfert, Margreet A .; Steet, Richard; Boons, Geert-Jan (2011). "Cicloadiciones de alquino-azida promovidas por cepas (SPAAC) revelan nuevas características de la biosíntesis de glicoconjugados" . ChemBioChem . 12 (12): 1912–21. doi : 10.1002 / cbic.201100117 . PMC 3151320 . PMID 21661087 .  
  26. ^ Jewett, John C .; Bertozzi, Carolyn R. (2011). "Síntesis de una ciclooctina fluorogénica activada por química de clic sin Cu" . Letras orgánicas . 13 (22): 5937–9. doi : 10.1021 / ol2025026 . PMC 3219546 . PMID 22029411 .  
  27. ↑ Poloukhtine, Andrei A .; Mbua, Ngalle Eric; Wolfert, Margreet A .; Boons, Geert-Jan; Popik, Vladimir V. (2009). "Etiquetado selectivo de células vivas por una reacción de clic foto-activada" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 131 (43): 15769–76. doi : 10.1021 / ja9054096 . PMC 2776736 . PMID 19860481 .  
  28. ^ Carpintero, Richard D .; Hausner, Sven H .; Sutcliffe, Julie L. (2011). "Clic sin cobre para PET: Cicloadiciones rápidas 1,3-dipolares con una ciclooctina de flúor-18" . Cartas de Química Medicinal ACS . 2 (12): 885–889. doi : 10.1021 / ml200187j . PMC 4018166 . PMID 24900276 .  
  29. ^ Gutsmiedl, Katrin; Wirges, Christian T .; Ehmke, Veronika; Carell, Thomas (2009). "Sin cobre" Haga clic en "Modificación del ADN mediante cicloadición 1,3-dipolar norborneno de óxido de nitrilo". Letras orgánicas . 11 (11): 2405–8. doi : 10.1021 / ol9005322 . PMID 19405510 . 
  30. ^ Van Berkel, Sander S .; Dirks, A. (Ton) J .; Debets, Marjoke F .; Van Delft, Floris L .; Cornelissen, Jeroen JLM; Nolte, Roeland JM ; Rutjes, Floris PJT (2007). "Formación de triazol libre de metales como herramienta para la bioconjugación". ChemBioChem . 8 (13): 1504–8. doi : 10.1002 / cbic.200700278 . PMID 17631666 . 
  31. ^ Van Berkel, Sander S .; Dirks, A. (Ton) J .; Meeuwissen, Silvie A .; Pingen, Dennis LL; Boerman, Otto C .; Laverman, Peter; Van Delft, Floris L .; Cornelissen, Jeroen JLM; Rutjes, Floris PJT (2008). "Aplicación de la formación de triazol libre de metales en la síntesis de conjugados cíclicos de RGD DTPA". ChemBioChem . 9 (11): 1805–15. doi : 10.1002 / cbic.200800074 . PMID 18623291 . 
  32. ^ Henry, Lucas; Schneider, Christopher; Mützel, Benedict; Simpson, Peter V .; Nagel, Christoph; Fucke, Katharina; Schatzschneider, Ulrich (2014). "Bioconjugación de aminoácidos a través de la reacción iClick de un alquino enmascarado con oxanorbornadieno con una azida coordinada con MnI (bpy) (CO) 3" (PDF) . ChemComm . 50 (99): 15692–95. doi : 10.1039 / C4CC07892F . PMID 25370120 .  
  33. ^ Fila, R. David; Prescher, Jennifer A. (2016). "Tetrazine Marks the Spot" . Ciencia Central ACS . 2 (8): 493–494. doi : 10.1021 / acscentsci.6b00204 . PMC 4999966 . PMID 27610408 .  
  34. ^ Bach, Robert D. (2009). "Anillo de energía de deformación en el sistema ciclooctilo. El efecto de la energía de deformación en [3 + 2] reacciones de cicloadición con azidas". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 131 (14): 5233–43. doi : 10.1021 / ja8094137 . PMID 19301865 . 
  35. ↑ Devaraj, Neal K .; Weissleder, Ralph; Hilderbrand, Scott A. (2008). "Cicloadiciones basadas en tetrazina: aplicación a la obtención de imágenes de células vivas predefinidas" . Química del bioconjugado . 19 (12): 2297–9. doi : 10.1021 / bc8004446 . PMC 2677645 . PMID 19053305 .  
  36. ^ Hansell, Claire F .; Espeel, Pieter; Stamenovic, Milán M .; Barker, Ian A .; Dove, Andrew P .; Du Prez, Filip E .; o Reilly, Rachel K. (2011). "Hacer clic sin aditivos para la funcionalización de polímeros y el acoplamiento por química de tetrazina norbornene". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 133 (35): 13828–31. doi : 10.1021 / ja203957h . PMID 21819063 . 
  37. ^ Lim, Reyna KV; Lin, Qing (2011). "Química bioorthogonal fotoinducible: una herramienta controlable espacio-temporal para visualizar y perturbar proteínas en células vivas" . Cuentas de Investigación Química . 44 (9): 828–839. doi : 10.1021 / ar200021p . PMC 3175026 . PMID 21609129 .  
  38. ↑ Song, Wenjiao; Wang, Yizhong; Qu, Jun; Lin, Qing (2008). "Funcionalización selectiva de una proteína que contiene alquenos codificada genéticamente a través de" Química de Photoclick "en células bacterianas". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 130 (30): 9654–5. doi : 10.1021 / ja803598e . PMID 18593155 . 
  39. ^ Caballero, James C .; Cornelissen, Bart (2014). "Química bioorthogonal: implicaciones para la terapia y la formación de imágenes nucleares (PET / SPECT)" . Revista Estadounidense de Medicina Nuclear e Imágenes Moleculares . 4 (2): 96-113. ISSN 2160-8407 . PMC 3992206 . PMID 24753979 .   
Obtenido de " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bioorthogonal_chemistry&oldid=1036695281 "
Contribute a better translation