胍類(lèi)衍生物的分子識(shí)別研究進(jìn)展

胍類(lèi)衍生物的分子識(shí)別研究進(jìn)展

1861年，這種化合物首次被用作鳥(niǎo)尾醇的分解產(chǎn)物。隨后在一系列天然產(chǎn)物如蛋白質(zhì)、核酸、鏈霉素、葉酸等中相繼被發(fā)現(xiàn)。胍及其衍生物具有抗細(xì)菌、抗病毒、抗真菌等性質(zhì),也有抗炎癥、抗高血壓、阻止DNA的合成,蛋白質(zhì)變性,線粒體和其他膜片的修飾等作用。許多具有生理活性的胍基化合物易于與酶,蛋白質(zhì)等配基和受體結(jié)合而具有特殊作用,如對(duì)核苷酸、磷酸腺苷、磷酸酯、羧酸酯等具有分子識(shí)別作用。作為一種有機(jī)堿,胍在許多反應(yīng)中被用作堿性催化劑或手性助催化劑,在諸多方面顯示出優(yōu)異的效能。關(guān)于胍基化合物在分子識(shí)別中的應(yīng)用起步較晚,在過(guò)去20多年內(nèi),以陽(yáng)離子為客體的主客體化學(xué)研究較多,然而對(duì)于在化學(xué)和生物學(xué)中有十分重要地位的陰離子絡(luò)合研究較少。質(zhì)子化多胺是文獻(xiàn)報(bào)道較多的陰離子人工受體。但胺的PKa值低,只有在強(qiáng)酸性溶液中才能保證其充分質(zhì)子化并與陰離子有效結(jié)合。而胍的PKa值高達(dá)13.5,且能在很寬的pH范圍內(nèi)保持正電性,因此,胍基是絡(luò)合陰離子的良好基團(tuán)。基于上述優(yōu)異性能,伴隨著主客體化學(xué)的迅速發(fā)展,胍基化合物已引起化學(xué)家的高度重視。日本、意大利等國(guó)家的科研人員就其合成和性能展開(kāi)了一系列研究,并在分子催化、分子識(shí)別等領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。國(guó)內(nèi)研究始于20世紀(jì)90年代,復(fù)旦大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院蘭州化物所等單位開(kāi)展了一系列研究并取得了一些有價(jià)值的研究成果。本文從分子識(shí)別的角度,重點(diǎn)討論了胍基化合物在主客體化學(xué)中的分子識(shí)別作用。1識(shí)別的分子特征從結(jié)構(gòu)上看,胍(又稱(chēng)亞胺脲)在一般生理環(huán)境中胍處于完全質(zhì)子化狀態(tài),質(zhì)子化后得到一個(gè)中介的、非常穩(wěn)定的胍翁離子CH6N+3,其共振結(jié)構(gòu)式見(jiàn)Scheme1。胍基化合物具有同樣的電子和空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn):如大的本體體積、正電荷、高度的離域性、抗衡負(fù)離子的高淌度等。從分子識(shí)別角度講,有幾個(gè)特點(diǎn):(1)胍離子官能團(tuán)在分子平面中擁有三個(gè)氨基,胍類(lèi)依靠氨基的質(zhì)子化,可以與帶負(fù)電荷的有機(jī)陰離子發(fā)生配合,以主客體配合形式形成超分子,如在精氨酸側(cè)鏈中可形成五個(gè)氫鍵。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得胍基化合物在分子識(shí)別和陰離子鍵合化學(xué)中成為萬(wàn)能分子。且對(duì)于保持蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)具有重要的意義,在不同的反應(yīng)機(jī)理和進(jìn)程中,對(duì)解釋胍的生理活性有著重要作用;(2)作為主體的胍基化合物中包含多個(gè)配位點(diǎn)。隨著主客體化學(xué)從單點(diǎn)識(shí)別到多重識(shí)別或多點(diǎn)識(shí)別并向不對(duì)稱(chēng)識(shí)別方向發(fā)展,胍基化合物越來(lái)越顯示出其含有多個(gè)配位點(diǎn)的優(yōu)越,可以同時(shí)配合一個(gè)或多個(gè)客體。如胍離子可通過(guò)6個(gè)氫鍵識(shí)別三聚大環(huán)化合物;(3)胍類(lèi)化合物可作為強(qiáng)堿性試劑應(yīng)用于分子識(shí)別。2剛性東南角化合物受體因胍基在較寬的pH范圍內(nèi)保持正電性,有著特殊的兩性強(qiáng)氫鍵,所以含剛性胍基的受體可用于芳香族碳?xì)浠衔镫x子的分子識(shí)別,胍基化合物還能和各種氧代陽(yáng)離子形成氫鍵聯(lián)合體,并且可以作為氧負(fù)離子客體的受體。胍基化合物的特殊結(jié)構(gòu)使其在分子識(shí)別中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。2.1h與磷酸酯氧離子形成氫鍵早在20世紀(jì)60～70年代,研究人員就發(fā)現(xiàn)精氨酸殘鏈中的胍基在含磷酸酯的酶和非催化性蛋白質(zhì)的活性位中扮演著極其重要的角色,尤其在鍵合方面發(fā)揮重要作用。胍基分子識(shí)別磷酸酯的作用是靜電力與氫鍵的聯(lián)合,氫鍵作用是專(zhuān)一性的保證。報(bào)道稱(chēng),該類(lèi)主體分子與磷酸酯主要有三種不同的氫鍵排列方式:(1)兩個(gè)N-H與不同的氧離子形成氫鍵(Chart1中2a);(2)NH2中的兩個(gè)氫與磷酸酯的兩個(gè)氧離子形成氫鍵(Chart1中2b);(3)兩個(gè)N-H與磷酸酯的一個(gè)氧離子形成氫鍵(Chart1中2c)。Cotton等對(duì)此進(jìn)行了深入的研究,發(fā)現(xiàn)胍基處于平面結(jié)構(gòu),并且形成一種新的氫鍵排列方式,即磷酸酯的每個(gè)氧與兩個(gè)胍基的氫分別形成氫鍵,為酶-抗體提供了一優(yōu)良的識(shí)別模型。Jubian等的研究還表明,胍基與磷酸二酯可通過(guò)四氫鍵形成很強(qiáng)的三角雙錐聯(lián)合體(Scheme2中3b),可以大大加速膦酸二酯的裂解反應(yīng)(從表1中數(shù)據(jù)可以看出),這對(duì)控制DNA和RNA的水解具有深遠(yuǎn)意義。關(guān)于對(duì)RNA裂解反應(yīng)的影響,Smith等首次設(shè)計(jì)了含有兩個(gè)胍基離子的受體,并研究了其對(duì)RNA裂解反應(yīng)的作用,結(jié)果表明,胍基離子通過(guò)與磷酸酯氧負(fù)離子形成氫鍵,誘導(dǎo)RNA裂解反應(yīng)的產(chǎn)生。37℃,pH=7.05的條件下,其催化效率比單用咪唑提高8倍～20倍。此后,Kurz等利用環(huán)胍模擬核糖核酸酶的胍基活性部位,對(duì)RNA裂解反應(yīng)進(jìn)行了研究,也取得了較好的結(jié)果。胍基官能團(tuán)使精氨酸催化磷酸二酯水解的活性部位的假設(shè)也得到實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)際上,胍離子基團(tuán)在RNA的水解中至少起到三個(gè)作用:(1)局部氫鍵形式能夠鍵合和修正磷酸酯底物;(2)穩(wěn)定的電荷使得陰離子型如磷酸酯的相轉(zhuǎn)移達(dá)到靜電平衡;(3)質(zhì)子轉(zhuǎn)移到磷酸酯,致使產(chǎn)生離去基團(tuán)成為可能。Sasaki等還作了胍類(lèi)化合物對(duì)ATP中磷酸酯的識(shí)別報(bào)道,作用常數(shù)可達(dá)1.7×107mol-1。Seel研究小組設(shè)計(jì)合成的一系列含胍基團(tuán)的主體分子對(duì)磷酸酯也有較好的識(shí)別能力,且部分主體分子由于具有脂溶性,表現(xiàn)出可攜帶客體分子進(jìn)出液態(tài)膜的性質(zhì)。2.2化合物的分子身份證作用胍基化合物對(duì)DNA的分子識(shí)別主要也有3種形式:靜電結(jié)合;溝內(nèi)結(jié)合;嵌插結(jié)合。胍基小分子通過(guò)鑲嵌或嵌插于DNA堿基或螺溝中,或作用于磷酸骨架,阻礙DNA信息的正常表達(dá),達(dá)到對(duì)細(xì)菌或病變細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖的破壞。也由于該類(lèi)主體分子具有這樣的識(shí)別能力而成為新藥設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。1996年,Blaasko’A將胍與DNA中的核苷酸相互作用,形成DNA聚合體,可擴(kuò)大DNA及RNA在抗敏感和抗原方面的應(yīng)用。Fukutomi等研究表明,由于DNA的AT溝區(qū)負(fù)的靜電勢(shì)大于GC富集區(qū),使其具有特異性,便于帶正電的胍基識(shí)別。這樣,胍基化合物能夠作為堿離子對(duì)氫鍵供電子體和芳香基的分子鏈接,與雙鏈DNA按照特殊序列精確地組裝鍵合,對(duì)基因的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄起到調(diào)制作用,對(duì)生命科學(xué)具有重要意義。2000年,Barawkar等將穩(wěn)定電荷的胍離子與中性DNA序列經(jīng)全自動(dòng)固相合成的嵌合體,可用于治療學(xué)的生物探頭和抗原。而抗原與抗體生物分子的自組裝被認(rèn)為是生命進(jìn)化的關(guān)鍵和生物合成的必須步驟。這對(duì)于啟動(dòng)了免疫過(guò)程,實(shí)現(xiàn)免疫功能具有重要意義。同時(shí),胍基化合物對(duì)DNA中的核苷酸的分子識(shí)別,充分利用了多位點(diǎn)作用,為主客體分子提供了一有利的微環(huán)境,如液-氣界面或微膠束體系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)堿基的識(shí)別。Onda等研究發(fā)現(xiàn),核苷酸能夠通過(guò)弱相互作用力(氫鍵、靜電引力)與含胍基官能團(tuán)的液體膠束和雙流體進(jìn)行分子識(shí)別作用,進(jìn)一步開(kāi)拓了胍類(lèi)化合物在超分子化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。2.3手性結(jié)構(gòu)的分子身份證在中性水溶液中,氨基酸大多以強(qiáng)兩性離子結(jié)構(gòu)存在,羧酸和氨基官能團(tuán)的電荷密度受互鄰位效應(yīng)影響,使受體的鍵合基團(tuán)對(duì)配體形成的鍵合力減弱。因此,氨基酸兩性離子受體的設(shè)計(jì)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。1992年,Galan等設(shè)計(jì)并制備出新型受體(Chart2),其特點(diǎn)一是含有手性胍和冠醚識(shí)別點(diǎn),防止了受體從中心流失;二是手性結(jié)構(gòu)為局部選擇性識(shí)別提供了特殊的條件。該類(lèi)受體的特殊結(jié)構(gòu),使這方面的研究工作不僅僅集中在酸性(氨基酸或氨基酸酯鹽)或堿性(羧酸鹽類(lèi))條件下的單電荷底物的研究。隨后,Metzger等進(jìn)行了類(lèi)似的設(shè)計(jì)和研究,不僅將氨基酸以前所未有的效率萃取到有機(jī)相中(3000倍率),而且通過(guò)分子識(shí)別得到(40%e.e.)苯丙氨酸。何衛(wèi)江等也報(bào)道了有關(guān)含有手性雙環(huán)胍分子識(shí)別點(diǎn)的芳香族氨基酸人工受體的合成,及將雙環(huán)胍的手性結(jié)構(gòu)用于氨基酸的對(duì)映手性識(shí)別。各步反應(yīng)均未涉及雙環(huán)胍的兩個(gè)手性中心,所以各步中間體和最終產(chǎn)物都保持S,S-手性結(jié)構(gòu),具有光學(xué)活性。1998年,Czekalla等根據(jù)手性雙環(huán)胍離子的雙環(huán)系統(tǒng)具有較低的溶合作用及與客體雙方均具有特殊的結(jié)構(gòu),將其以部分氨離子鍵合形式作為羧酸酯和冠醚類(lèi)兩性離子氨基酸的錨接基團(tuán),進(jìn)一步提高了氨基酸兩性離子的收率和選擇性。2.4雙環(huán)菇作為羧酸體的其它二酸晶體胍基化合物容易與帶負(fù)電的羧酸、硝酸等離子形成強(qiáng)的離子氫鍵(N-H+O-)。如Schmidtchen等通過(guò)X-射線衍射和NMR證明手性雙環(huán)胍(5a,Chart3)能夠通過(guò)特殊的離子對(duì)與氧負(fù)離子客體形成氫鍵(5b,Chart3)含有羧酸氧負(fù)離子的客體通過(guò)雙環(huán)胍的兩個(gè)取代基間的裂隙,與質(zhì)子化氨基形成兩個(gè)平行的氫鍵,實(shí)驗(yàn)證明,客體在裂隙間仍能保持較好的熱力學(xué)性質(zhì),其它二酸,如D,L-2-甲基奶油酸,D,L-2-溴基奶油酸和D,L-苯丙氨酸也有同樣的效果。近年來(lái),我們對(duì)部分胍基化合物與核苷酸及二酸類(lèi)化合物分子間的相互作用也進(jìn)行了初步研究,從表2可以看出,胍基化合物對(duì)于核苷酸及二酸類(lèi)化合物在適當(dāng)?shù)娜軇┲芯哂休^強(qiáng)的分子間相互作用,能明顯地改變客體(Chart4)的化學(xué)位移,表明此類(lèi)化合物確實(shí)對(duì)核苷酸及二酸類(lèi)化合物具有分子識(shí)別功能,為進(jìn)一步研究胍基與生命物質(zhì)——蛋白質(zhì)和核酸的特異性識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。2.5主體分子的識(shí)別和使用分子自組裝是當(dāng)今超分子化學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)話題之一。借助于胍基的化學(xué)反應(yīng)活性,可進(jìn)行胍類(lèi)化合物超分子的自組裝。1999年,Nishizawa等發(fā)現(xiàn)胍基芘能形成自組裝體系,對(duì)生理相關(guān)的焦磷酸(PPi)有高度的識(shí)別作用,可以作為自組裝體系的一個(gè)模板(Scheme3)用于PPi的陰離子熒光傳感器。在分子識(shí)別研究中,由于氫鍵具有很好的方向性和選擇性,通過(guò)選擇可與目標(biāo)客體分子形成互補(bǔ)氫鍵的識(shí)別官能團(tuán)以及合適的發(fā)光基團(tuán)是發(fā)光型受體分子設(shè)計(jì)的一條重要途徑。含有胍基的氫鍵配體間的分子識(shí)別,可用于合成超分子自組裝體系,進(jìn)而用于光電材料。劉磊等通過(guò)跟蹤主體分子結(jié)合客體前后胍基芘的激基二聚體與單體熒光強(qiáng)度的比值的變化,研究了胍基芘對(duì)不同酸根陰離子的識(shí)別能力和識(shí)別選擇性。在質(zhì)子性溶劑甲醇中,發(fā)光型主體分子胍基芘通過(guò)氫鍵與二羧酸根陰離子結(jié)合,自組裝形成2∶1的主客體超分子復(fù)合物。結(jié)果表明,胍基芘對(duì)二羧酸根陰離子的識(shí)別能力與客體分子中兩個(gè)羧基間的距離、分子的平面構(gòu)型以及取代基的種類(lèi)密切相關(guān)。從超分子觀點(diǎn)看,模板就是客體,在反應(yīng)中與主體產(chǎn)生某種協(xié)同或組裝作用,促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物生成。模板效應(yīng)需要主、客體之間相互匹配、相互識(shí)別、相互組裝,它不僅能加快反應(yīng)的進(jìn)程,而且可以使原來(lái)不能進(jìn)行的或艱難進(jìn)行的反應(yīng)順利反應(yīng)。模板效應(yīng)進(jìn)行合成一般有以下特征:(1)用分子識(shí)別和相互匹配原理,使反應(yīng)具有一定的方向性;(2)借助分子間非共價(jià)鍵的弱相互作用,易于重排、耗能小;(3)拒絕有缺陷的分子進(jìn)入反應(yīng);(4)模仿自然界的自組裝體系,用簡(jiǎn)單的原料合成超級(jí)的,用其它方法難以得到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的目標(biāo)產(chǎn)物。因此,胍基化合物不僅可以作為客體,而且可以作為主體用于超分子化學(xué)。2.6磷酸酪氨酸包結(jié)物在免疫調(diào)化中的應(yīng)用主客體化學(xué)面臨的挑戰(zhàn)之一是制備出能夠影響分子排布的主體分子,這就要求對(duì)生物靶點(diǎn)(客體)的識(shí)別,這將有助于藥物分子的設(shè)計(jì),而且有理由預(yù)言,以該類(lèi)主體分子為平臺(tái),可以合成出大量的有預(yù)定結(jié)構(gòu)的主體分子。胍基修飾的環(huán)糊精即屬于這類(lèi)主體(Scheme4),通過(guò)選擇性包結(jié)磷酸酪氨酸,形成穩(wěn)定的包結(jié)物,可有效識(shí)別表面含有磷酸酯基的蛋白質(zhì),從而達(dá)到阻止細(xì)胞生長(zhǎng)的目的。對(duì)于尋找治療威脅人類(lèi)生命的一些疾病的藥物,闡明生命活動(dòng)的基本過(guò)程等具有重要的理論和實(shí)踐意義。新型抗病毒藥物ZANAMIVIR(Chart5)通過(guò)胍基與病毒神經(jīng)氨酸苷酶活性位點(diǎn)裂隙底部的兩種帶負(fù)電氨基酸的選擇性結(jié)合,使神經(jīng)氨酸苷酶的活性位點(diǎn)受阻,阻斷病毒入侵其它細(xì)胞的途徑,從而達(dá)到治療流感的目的。胍類(lèi)化合物具有分子識(shí)別的特性,對(duì)于生物信息的傳遞也起著重要作用。胍離子本身和它的氨-取代基衍生物能夠在神經(jīng)膜中傳遞Na+。而取代胍鹽分子(如tetra-dotoxin)阻礙Na+的傳遞,這樣就起到阻礙神經(jīng)反應(yīng)的作用。這些形式都靠分子識(shí)別作用。3化合物分子識(shí)別的應(yīng)用目前設(shè)計(jì)和合成具有功能性基團(tuán)的新型胍基化合物作為各種反應(yīng)的催化劑及作為超分子主體探討主客體分子的相互作用規(guī)律及其功能性基團(tuán)的特性,已成為近年來(lái)化學(xué)、生物學(xué)和藥學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。胍基化合物具有分子識(shí)別的特征對(duì)從分子水平上