Химические методы получения изотопномеченых аминокислот и белков

Химические синтезы изотопно-меченных аминокислот Общая стратегия получения изотопно-меченых аминокислот и белков показана на рис. 1. Синтетические методы получения изотопно-меченых аминокислот представляют собой, как правило, модифицированный классический синтез аминокислот, в котором стадии карбоксилирования, аминирования, восстановления, гидрирования или гидролиза проводят с использованием меченых реагентов, содержащих стабильные изотопы 2Н, 13С, 15N, 18О с соответствующим уровнем изотопной чистоты. В частности, для синтеза [2Н]-, [15N]- и [18О]аминокислот используют 2Н2О; 2H2; 2HCl; LiAl2H4; B22H6; 15NH3; Na15NH2; 15NH2Cl, 18H2O и др. (более подробно о методах получения [2H]-и [15N]аминокислот см. обзоры [29, 30]).

Особую ценность для многих исследований имеют [13C]аминокислоты, которые можно получать за счёт карбоксилирования соответствующих органических соединений с помощью 13CO2 и Ni (13CO)4 по связи углерод-водород или углерод-металл с последующим гидролизом. Перспективные синтетические подходы по получению [13C]аминокислот, меченных изотопом углерода 13С по различным положениям молекул, включая карбоксильные СООНи Сaположения, продемонстрированы в работах [31−36], а также описан стереоселективный синтез [13С]аминокислот [37−39]. Несмотря на это, химические синтезы всё же часто многостадийны, требуют больших расходов ценных реагентов и меченых субстратов и приводят в результате к продукту, представляющему собой рацемическую смесь Dи L-форм аминокислот, для разделения которых требуются специальные методы [40]. Значительным недостатком метода является то, что он приводит к синтезу [13С]аминокислот, у которых атомы углерода 13С локализуются по карбоксильным СООН-положениям молекул. Последнее существенно ограничивает использование данных [13C]аминокислот для биологических исследований вследствие возможной потери изотопной метки 13С за счёт функционирования многочисленных реакций ферментативного декарбоксилирования, происходящих в организме [41]. Кроме этого, до настоящего времени практически не существует подходящего метода для введения изотопа 13C в положения углеродных атомов боковых радикалов молекул аминокислот, так чтобы каждая стадия химического синтеза была бы развита детально. Разработанные за последние годы синтетические методы введения 13C-метки в аминокислоты затрагивают, как правило, такие положения углеродных атомов в молекулах аминокислот, как метильная СН3- группа метионина [42], С2- положение в имидазольном кольце молекулы гистидина [43], а также атомы углерода при карбоксильных СООНгруппах аспарагиновой [44], и глутаминовой кислот [45].

Более тонкие синтезы изотопномеченых аминокислот были связаны с использованием комбинации химических и ферментативных подходов. Например, L-[4−13C]валин, L-[3−13C]триптофан и другие L-[13C]аминокислоты, были синтезированы с использованием препаратов ферментов [46] (более подробно о химико-ферментативных подходах по синтезу изотопно-меченых аминокислот см ниже).

Изотопный (1Н-2Н) — и (16О-18О)-обмен в молекулах аминокислот и белков Весьма эффективным подходом для препаративного получения [2H]аминокислот является селективное замещение определённых легко обмениваемых на дейтерий ароматических протонов в бензольном кольце фенилаланина и тирозина, в индольном кольце триптофана и в имидазольном кольце гистидина, как в виде индивидуальных аминокислот, так и в составе аминокислотных остатков в белках [47, 48]. Реакция изотопного (1Н-2Н)-обмена протекает по механизму электрофильного замещения и затрагивает лишь определённые, наиболее чувствительные к замещению протоны в ароматических аминокислотах. Этим методом могут быть получены в граммовых количествах L-[2,3,4,5,6−2Н]фенилаланин в 85% 2H2SO4 при 500 C, L-[3,5−2H]тирозин в 6 н. 2H2SO4 при слабом кипячении раствора, L-[2,4,5,6,7−2H]триптофан в 75% [2H]трифторуксусной кислоте при 250 С и L-[2−2H]гистидин в 6 н. NaO2H при 800 С.

Вследствие того, что замещаемые на дейтерий протоны в молекулах белков прочно связаны с атомами углерода и трудно обмениваются на дейтерий в мягких условиях, метод несколько лимитируется из-за нестабильности белков в жестких условиях (85−90% НCl/H2SO4, 80−1000 C), необходимых для проведения реакции изотопного обмена [49]. Кроме того, проведение изотопного обмена в более жёстких условиях сопровождается рацемизацией аминокислот. Избежать этого позволяет непосредственное введение полученных за счёт (1Н-2Н)-обмена дейтерированных аналогов аминокислот — L-[2,3,4,5,6−2Н]фенилаланина, L-[3,5−2H]тирозина и L-[2,4,5,6,7−2H]триптофана в молекулы индивидуальных белков, например, в бактериородопсин, синтезируемый бактерией Halobacterium halobium [50].

Недавно разработан новый метод получения равномерно меченых a -[2H]аминокислот (глицин, аланин, валин, изолейцин, серин, треонин, пролин, гистидин) реакцией высокотемпературного твёрдофазного каталитического изотопного обмена [51, 52]. В соответствии с этим методом L-аминокислота в протонированой форме реагирует с газообразным дейтерием при 200−2500 С в присутствии высокодисперстного катализатора группы платины (Pt, Pd, Rh), и неорганического носителя (BaSO4, CaCO3, Al2O3).

С помощью изотопного обмена можно также получать и [18O]аминокислоты. Для этого используют реакцию изотопного (16О-18О)-обмена по атомам кислорода карбоксильных СООНгрупп в молекулах аминокислот в присутствии Н218О в качестве источника метки [53]. Использование этого метода лимитируется высокой стоимостью полученных таким способом [18О]аминокислот. Однако, он полностью оправдывает себя при проведении многочисленных биомедицинских исследований с применением синтезированных [18O]аминокислот, так как они, в отличие от их дейтерированных аналогов, стабильны по отношению к обратному изотопному обмену. Например, [18О]аминокислоты стабильно существовали в плазме крови в течении нескольких дней после инъекции: обратный изотопный (18О-16О)-обмен по карбоксильным положениям в молекуле [18О]тирозина и других [18O]аминокислот проявлялся лишь при длительной инкубации клеток крови с питательной средой [54].