Химические синтезы изотопномеченных аминокислот

Общая стратегия получения изотопномеченых аминокислот и белков показана на рис. 1. Синтетические методы получения изотопномеченых 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 СООН- и Сa- положения, 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 D- и 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 СООН- группах 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 использованинем препаратов ферментов [46] (более подробно о химико-ферментативных подходах по синтезу изотопномеченых аминокислот см ниже).