[转载]科学新观之六：蛋白质修饰——生物模拟转氨反应

作为现代化学生物学的主要方向之一，生物正交反应具有高产率、高选择性、反应条件温和生物兼容等优点。通过生物正交反应，人们可以实现对蛋白质为代表的各种生物分子进行修饰、定位、功能化。...



请点击上方蓝色的“化学教育期刊”添加关注！化学教育好文尽在于此！

作者：鲲鹏驹，公众号：鲲鹏驹的奇思怪谈

一、研究背景与课题

作为现代化学生物学的主要方向之一，生物正交反应具有高产率、高选择性、反应条件温和生物兼容等优点[1]。通过生物正交反应，人们可以实现对蛋白质为代表的各种生物分子进行修饰、定位、功能化。因此，生物正交反应的发展与应用为生命科学研究提供了重要的化学工具[2]。

二、前人理论与工作

蛋白质的生物正交反应可以总体上分为基于天然结构[3]、基于非天然结构（例如非天然氨基酸引入）[4]和基于特定序列标签（例如Histag-金属离子、Halotag-端氯）[5]三类。其中，天然结构的修饰可以分为天然氨基酸残基、多肽碳-末端和氮-末端[6]（封面图）。对天然氨基酸残基的修饰一般不具有位置选择性，将同等地标记所有的该种氨基酸。而碳-末端和氮-末端由于其本身唯一性而作为选择性标记存在一定的优势。

大部分氮-末端的生物正交反应需要特定的氮-末端氨基酸[7]，而“生物模拟转氨反应”作为一种新型的氮-末端生物正交反应，对氮-末端氨基酸理论上没有选择性。该文从其原理入手，进一步分析了发展与改进，并对应用进行阐述。本文主要阐述其原理并与对应生物化学过程进行对比。

三、该文观点与分析：

Francis课题组[8]发展了利用磷酸吡哆醛（PLP）将蛋白质氮-末端转化为羰基的过程，并命名为“生物模拟转氨反应”。其过程包含三个步骤如图1，多肽1与PLP形成Schiff碱2，进而互变异构为二氢吡啶衍生物3。产物3水解释放吡哆胺得到氮-末端羰基肽4，最终可以被羟胺或肼选择性地荧光标记5或形成缀合物6。该过程中关键试剂磷酸吡哆醛是生物体内一种必不可少的辅因子维生素B6，参与转氨、脱羧、消旋化等过程[9]。主要功能是转氨反应可逆地将氨基酸（侧基R1）转化为对应酮酸，而自身转化为磷酸吡哆胺（图2a）。磷酸吡哆胺按逆过程将酮酸转化为对应氨基酸（侧基R2）。实际上，虽然生物模拟转氨反应的效果是转氨为羰，但机理上更类似的反应是氨基酸的消旋化（图2b，L-氨基酸红色质子拔去后水合得到蓝色质子的D-氨基酸过程）。因为其异构化的推动力同为质子化吡啶环系的逆芳构化过程。后续发展包括两方面。其一，人们探索了各种不同氮-末端氨基酸残基可能发生的反应，并解决了对应的问题[10]。其二，一些基于羰基的新型生物正交反应被发展出来用于进一步修饰形成的羰基[11]。生物模拟转氨反应已被广泛地用于蛋白质的固定、修饰和荧光标记[12]。

四、结论与意义

本文从磷酸吡哆醛作为辅因子参与的消旋化和转氨化反应入手，分析探索生物模拟转氨反应的。期对生物正交反应和蛋白质化学教学及后续研究有助。

改写自“有机化学, 2013, 33: 1874-1883”

• 参考文献：

[1]例：Wang, Z.-P.A.;Tian, C.-L.;Zheng, J.-S., RSC Advances,2015, 5: 107192-107199

[2]例：Sletten, E. M.;Bertozzi, C. R.Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 6974

[3]例：Kovacs, E. W.; Hooker, J. M.;Romanini, D. W.; Holder, P. G.; Berry, K. E.; Francis, M. B. Bioconjugate Chem.2007, 18, 1140−1147; Li, Y. M.; Pan, M.; Li, Y. T.; Huang, Y. C.; Guo, Q. X.Org. Biomol. Chem. 2013, 11, 2624.

[4]例：Gautier A.; Hinner M. J., Edited,Site-Specific Protein Labeling, Methods and Protocols, Humana Press, 2015

[5]例：Wang Z, Ding X, Li S, Shi J, LiY. RSC Advances, 2014, 4: 7235-7245

[6]例：Dawson, P. E.; Muir, T. W.;Clark-Lewis, I.; Kent, S. B. H. Science 1994, 266, 776； Fang, G. M.; Li, Y. M.; Shen,F.; Huang, Y. C.; Li, J. B.; Lin, Y.; Cui, H. K.; Liu, L. Angew. Chem., Int.Ed. 2011, 50, 7645

[7]例：Li, X.; Zhang, L.; Hall, S. E.;Tam, J. P. Tetrahedron Lett.2000, 41, 4069.

[8] Gilmore, J. M.;Scheck, R. A.; Esser-Kahn, A. P.; Joshi, N. S.; Francis, M. B. Angew. Chem.,Int. Ed. 2006, 45, 5307.

[9]例：Toney M. D., PLP-DependentEnzymes, Chemistry of, Wiley Encyclopedia of Chemical Biology. John Wiley &Sons, Inc., 2008

[10]例：Scheck, R. A.; Dedeo, M. T.;Iavarone, A. T.; Francis, M. B. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11762

[11]例：Alam, J.; Keller, T. H.; Loh,T.-P. Chem. Commun. 2011, 47, 9066.

[12]例：Dedeo, M. T.; Duderstadt, K. E.;Berger, J. M.; Francis M. B. Nano Lett. 2010, 10, 181. 

微信征稿：观点评述、教学案例、教学心得、微课视频、实验视频、趣味实验、活动报道、科普文章、论文交流、人物事迹、试题评析等，新鲜、热门、有趣、实用，统统都可以，让分享促进你我成长，让传播增强化学力量！如果文章阅读人数超过1000，朋友圈分享人数超过100，则赠送1套全年《化学教育》！投稿邮箱：lichuan1099@126.com,邮件主题请写明“微信投稿”。若参考了他人的文章，请注明来源，以免引起抄袭和剽窃的争议。

化学教育期刊公众号，版权属于中国化学会《化学教育》编辑部。若转载，请注明来源。请长按二维码识别添加关注。

    关注 化学教育期刊