生物正交化学

生物正交化学（英語：Bioorthogonal chemistry）指能够在生物系统中发生而且不干扰内源性生物化学过程的化学反应。^[1][2][3] 该术语是由美国化学家卡罗琳·贝尔托西于2003年创造的反应。^[4]生物正交反应使得对生物体内的生物分子（如糖类、蛋白质^[5]和脂类^[6]等）的实时研究成为可能。在目前，已发展了大量满足生物正交性的化学偶联策略，如叠氮化合物与环炔烃的1,3-偶极环加成反应(又称无铜点击化学)^[7]、硝酮与环炔烃的反应^[8]、醛或酮形成肟或腙的反应^[9]、四嗪与环状烯烃或环状炔烃的狄尔斯-阿尔德反应^[10]、基于异氰化物的点击反应^[11]，以及四环烷偶联反应^[12]。

这里显示的是生物分子 X 和反应伙伴 Y 之间的生物正交连接。为了被认为是生物正交的，这些反应伙伴不能干扰细胞内自然发现的其他化学功能。

生物正交化学的使用通常分两个步骤进行。 第一步，用生物正交官能团（化学报告者）修饰细胞底物并将其引入细胞； 底物包括代谢物、酶抑制剂等。化学报告者分子不得显着改变底物的结构，以免影响其生物活性。 第二步，引入含有互补官能团的探针来反应并标记底物。

尽管已经开发出有效的生物正交反应（例如无铜点击化学），但新反应的开发仍在继续产生正交标记方法，以允许在同一生物系统中使用多种标记方法。 卡罗琳·贝尔托西因其对点击化学和生物正交化学的发展而荣获2022年诺贝尔化学奖^[13]。

生物正交性的要求

满足生物正交性的化学反应必须满足如下要求：

• 选择性： 反应必须选择性地与目标分子发生反应，没有副反应
• 生物学惰性： 反应物与产物不能干扰内源性生物化学过程。
• 化学惰性：发生偶联的共价键必须足够稳定，不受内源性生物化学反应影响。
• 动力学： 反应必须快速进行，以满足活体实时研究的需要。
• 反应生物兼容性：反應必須是無毒的，並且必須在考慮 pH 值、水環境和溫度的生物條件下發揮作用。 隨著生物正交化學擴展到活體動物模型，藥物動力學越來越受到關注。
• 可操作性： 化学报告分子必须可通过新陈代谢或蛋白质工程等方法引入到生物分子上。通常所引入的官能团要足够小，以免干扰生物分子的生物学功能。

施陶丁格偶联反应

施陶丁格偶联反应是由贝尔托西课题组于2000年基于施陶丁格反应发展而来。^[14]

生物正交性

叠氮化物是一种软亲电试剂，因此更倾向于与软亲核试剂膦反应（与多数生物体内亲核体相比）。该反应有很高的选择性，可在水相进行，生成稳定产物。

由于膦不是天然存在于生物体内的化合物，而且也不会还原二硫键，因此避免了副反应的发生。

有机叠氮化物已被证明具有很好的生物兼容性，比如叠氮胸苷早已是FDA批准的药物。叠氮基团由于分子体积小，易于通过新陈代谢引入到生物分子上。

机理

传统的施陶丁格反应

亲核性的膦进攻叠氮基团的末端氮原子。通过一个四元环过渡态，N₂离去而形成氮杂叶立德。不稳定的叶立德水解成氧化膦和伯胺。该反应不是生物正交反应，因为水解反应破坏了氮杂叶立德。

施陶丁格偶联反应

对叠氮基团的亲核进攻是限速步骤，叶立德与亲电性的酯发生分子内成环反应形成五元环，最后经过水解反应形成稳定的酰胺键。

局限性

膦试剂在活体内发生缓慢氧化。

该反应的动力学不够迅速，二级反应速率常数约0.0020 M⁻¹•s⁻¹。可以通过在膦上添加供电子基团提高亲核反应速率，但是这同时也加快了其被空气氧化的速率。

为了弥补反应动力学上的不足，常常需要使用高浓度的膦试剂。这往往会导致成像等应用中背景信号（噪音）太高的问题。为了克服背景过高的问题，又发展了基于荧光素和萤光素的荧光膦试剂。^[15]

无铜（催化的）点击化学

无铜点击化学不需要使用有毒的铜离子作为催化剂，同时又具有反应快速的优点，因此成为施陶丁格偶联反应的完美替代反应（第一级反应速率提高60倍）。该反应是一种环张力促进的叠氮-炔基环加成反应(SPAAC)。

生物正交性

尽管叠氮化物不是活性最高的1,3-偶极体，但其具有分子小、在新陈代谢过程中保持稳定、不是天然存在于生物体中，因此是一种极好的生物正交官能团。^[16]

炔基虽没有叠氮基团那么小，但也具有稳定性和生物正交性，常用于活体内标记。^[17]

反应机理

区域选择性

无铜点击化学缺乏区域选择性，反应产生的三唑是立体异构体混合物，但是这并不影响该反应的大多数应用。

环辛炔的发展

环辛炔	二级反应速率常数 (M−1s−1)
OCT	0.0024
ALO	0.0013
MOFO	0.0043
DIFO	0.076
DIBO	0.057
BARAC	0.96
DIBAC (ADIBO)	0.31
DIMAC	0.0030

基于SPAAC的无铜点击化学

OCT 是首个用于无铜点击化学的环辛炔。环辛炔可在生理条件下与叠氮化物反应，并且没有毒性。但是环辛炔水溶性差，反应速率仅仅略高于施陶丁格反应。

ALO是无芳环的环辛炔。与OCT相比水溶性有所提高，但反应动力学仍然不好。

在环辛炔的炔丙位引入吸电子效应的氟原子，可提高反应性，如单氟化的(MOFO)和双氟化的(DIFO)环辛炔。选氟原子作为吸电子基团的优点还在于合成上的可操作性和生物兼容性的优点。同时，氟取代基不能作为亲电性的麦克尔加成反应受体，避免了与生物体内源性亲核体的副反应。^[7]

二苯基环辛炔(DIBO )融合了两个芳环，因而具有很大的环张力。虽然理论计算表明单芳环取代物可提供最优的反应空间位阻与环张力的平衡^[18] ，但是单芳环取代物不够稳定，难以实际应用。

反应性

立体选择性

应用

其他生物正交反应

硝酮类化合物环加成反应

使用硝酮作为1,3-偶极体可用于修饰肽^[8]

降冰片烯环加成反应

氧杂降冰片二烯环加成反应

四嗪偶联反应

[4+1]环加成反应

四唑光点击化学

四环庚烷偶联反应

参考文献

1. Sletten, Ellen M.; Bertozzi, Carolyn R. Bioorthogonal Chemistry: Fishing for Selectivity in a Sea of Functionality. Angewandte Chemie International Edition. 2009, 48 (38): 6974–98. PMC 2864149 . PMID 19714693. doi:10.1002/anie.200900942.
2. Prescher, Jennifer A.; Dube, Danielle H.; Bertozzi, Carolyn R. Chemical remodelling of cell surfaces in living animals. Nature. 2004, 430 (7002): 873–7. PMID 15318217. doi:10.1038/nature02791.
3. Prescher, Jennifer A; Bertozzi, Carolyn R. Chemistry in living systems. Nature Chemical Biology. 2005, 1 (1): 13–21. PMID 16407987. doi:10.1038/nchembio0605-13.
4. Sletten, Ellen M.; Bertozzi, Carolyn R. From Mechanism to Mouse: A Tale of Two Bioorthogonal Reactions. Accounts of Chemical Research. 2011, 44 (9): 110815072703056. doi:10.1021/ar200148z.
5. Plass, Tilman; Milles, Sigrid; Koehler, Christine; Schultz, Carsten; Lemke, Edward A. Genetically Encoded Copper-Free Click Chemistry. Angewandte Chemie International Edition. 2011, 50 (17): 3878. doi:10.1002/anie.201008178.
6. Neef, Anne B.; Schultz, Carsten. Selective Fluorescence Labeling of Lipids in Living Cells. Angewandte Chemie International Edition. 2009, 48 (8): 1498–500. PMID 19145623. doi:10.1002/anie.200805507.
7. Baskin, J. M.; Prescher, J. A.; Laughlin, S. T.; Agard, N. J.; Chang, P. V.; Miller, I. A.; Lo, A.; Codelli, J. A.; Bertozzi, C. R. Copper-free click chemistry for dynamic in vivo imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2007, 104 (43): 16793–7. PMC 2040404 . PMID 17942682. doi:10.1073/pnas.0707090104.
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9. Yarema, K. J.; Mahal, LK; Bruehl, RE; Rodriguez, EC; Bertozzi, CR. Metabolic Delivery of Ketone Groups to Sialic Acid Residues. APPLICATION TO CELL SURFACE GLYCOFORM ENGINEERING. Journal of Biological Chemistry. 1998, 273 (47): 31168–79. PMID 9813021. doi:10.1074/jbc.273.47.31168.
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12. Sletten, Ellen M.; Bertozzi, Carolyn R. A Bioorthogonal Quadricyclane Ligation. Journal of the American Chemical Society. 2011, 133 (44): 17570–3. PMC 3206493 . PMID 21962173. doi:10.1021/ja2072934.
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14. Saxon, E.; Bertozzi, CR. Cell Surface Engineering by a Modified Staudinger Reaction. Science. 2000, 287 (5460): 2007–10. PMID 10720325. doi:10.1126/science.287.5460.2007.
15. Pamela, Chang.; Prescher, Jennifer A.; Hangauer, Matthew J.; Bertozzi, Carolyn R. Imaging Cell Surface Glycans with Bioorthogonal Chemical Reporters. J Am Chem Soc. 2008,. July 11; 129(27) (27): 8400–8401. PMC 2535820 . PMID 17579403. doi:10.1021/ja070238o.
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17. Schoenebeck, Franziska; Ess, Daniel H.; Jones, Gavin O.; Houk, K. N. Reactivity and Regioselectivity in 1,3-Dipolar Cycloadditions of Azides to Strained Alkynes and Alkenes: A Computational Study. Journal of the American Chemical Society. 2009, 131 (23): 8121–33. PMID 19459632. doi:10.1021/ja9003624.
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