本文介绍了一种1,2-氮硼杂苯的合成方法及其与T4溶菌酶突变体蛋白复合物的制备方案。
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本文介绍了一种1,2-氮硼杂苯的合成方法及其与T4溶菌酶突变体蛋白复合物的制备方案。
我们描述了一种采用标准无水无氧技术合成1,2-氮杂硼杂苯的方法,以及通过蒸汽扩散法制备T4溶菌酶突变体蛋白复合物的流程。对氧气和湿气敏感的化合物需在惰性气氛(N₂)下进行制备和分离。2)使用真空气体操作装置或手套箱。作为氮杂硼杂苯合成的一个示例,我们演示了该挥发性物质的合成与纯化 N- H -B-乙基-1,2-氮杂硼杂苯通过五步反应序列制备,涉及蒸馏和柱层析以分离产物。T4溶菌酶突变体L99A和L99A/M102Q的表达采用 大肠杆菌 RR1 菌株。采用化学法裂解细胞后,通过羧甲基离子交换柱纯化,可获得纯度足以用于结晶的蛋白质。蛋白质结晶采用悬滴 vapor diffusion 法,在不同浓度的沉淀剂和不同 pH 范围内进行。小分子复合物的制备在惰性气氛下通过 vapor diffusion 法完成。对晶体复合物进行 X 射线衍射分析,可明确提供蛋白质结合位点与 1,2-氮硼杂萘之间结合相互作用的结构证据。
含硼-氮的杂环化合物(即 1,2-氮杂硼杂苯)近年来作为芳环的生物电子等排体引起了广泛关注。这种电子等排性可促进现有结构基元的多样化,从而拓展化学空间2,3,4。氮杂硼杂苯在生物医学研究中具有潜在应用价值5,6,7,8,尤其在药物化学领域,化学家常需合成结构和功能相关分子的化合物库。然而值得注意的是,尽管目前已有大量成熟的合成方法可用于制备含芳环的分子,但关于氮杂硼杂苯的合成方法报道却十分有限9,10,11,12,13。这主要归因于合成起始阶段硼源选择有限,且该类分子对空气和水分高度敏感。
本文的第一部分将描述使用标准无水无氧技术对N-TBS-B-Cl-1,2-氮杂硼烯(3)进行多克级合成的方法。该化合物是一种多功能的中间体,可进一步官能化生成结构更复杂的分子14,15。以化合物3为起始原料,本文还将描述用于蛋白质结合研究的N-H-B-乙基-1,2-氮杂硼烯(5)的合成与纯化过程。由于5具有挥发性,其高效分离需要对反应温度、反应时间和蒸馏条件进行精确控制。
在第二部分,将介绍T4溶菌酶突变体(L99A和L99A/M102Q)17,18,19,20的蛋白表达与分离纯化方案,随后介绍蛋白结晶及蛋白-配体晶体复合物的制备。选择T4溶菌酶突变体L99A和L99A/M102Q作为生物模型系统,用于研究含N-H键的氮杂硼杂苯分子的氢键形成能力17。采用标准的分子生物学方法,在大肠杆菌(Escherichia coli)RR1菌株中表达蛋白,并用异丙基-β-D-1-硫代半乳糖吡喃糖苷(IPTG)诱导表达。通过离子交换柱层析法进行蛋白纯化。采用悬滴气相扩散法进行蛋白结晶,所用蛋白溶液为高浓度且高度纯化的蛋白(经凝胶电泳检测纯度>95%)。由于本研究中所用配体对氧气敏感,蛋白-配体复合物的制备需在无氧条件下进行。
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注意:所有对氧气和湿气敏感的操作均在惰性气氛(N2)下进行,采用标准无水无氧操作技术或在手套箱中完成。四氢呋喃(THF)、乙醚(Et2O)、二氯甲烷(CH2Cl2)、甲苯和戊烷通过氩气保护下的中性氧化铝柱纯化。乙腈在氢化钙(CaH2)中干燥后,在氮气气氛下蒸馏后使用。Pd/C(钯碳催化剂)在使用前于100 °C高真空条件下加热12小时。硅胶(230–400目)在高真空下于180 °C干燥12小时。快速柱色谱在此硅胶上于惰性气氛下进行。其余所有化学品和溶剂均直接购买后使用,未经进一步处理。
注意:请在使用前查阅所有相关的材料安全数据表(MSDS)。合成过程中使用的多种化学品具有急性毒性和致癌性。
1. 1,2-氮杂硼杂苯的制备
注意:本研究中所有化合物的表征数据此前已有报道12, 13, 16。

图1:1,2-氮杂硼杂苯的合成路线。 各化合物(1-5)的详细合成方案见实验步骤部分。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2: 11通过B核磁共振谱监测形成过程 NTBS-B-Cl-1,2-氮杂硼杂苯(3)。A) N烯丙基-N-TBS-B-烯丙基氯加合物(1环化复分解反应的起始原料。 B16小时后的氧化反应。(未反应) NTBS缓冲液B-Cl 环化产物(2)并发生异构化 B-乙烯基环化产物(2')以及 N-TBS-B-Cl-1,2-氮杂硼杂苯3如图所示。 C) 额外培养24小时后的氧化反应。 D) 分离产物(3经真空蒸馏纯化后。 请点击此处以查看此图的放大版本。
2. T4溶菌酶突变体的蛋白质制备与结晶

图3:T4溶菌酶突变体L99A/M102Q蛋白纯化的代表性结果。A) 色谱图显示在280 nm处测得的紫外吸光度(以AU为单位,蓝色线)和电导率(mS/cm,红色线)。合并第20–23号组分,并通过SDS-PAGE测定其纯度。B) 15% SDS-PAGE凝胶显示第20–23号组分中存在分子量为18.6 kDa的纯化蛋白。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:T4溶菌酶突变体L99A在与配体形成复合物前的代表性晶体图像。晶体处于母液中(2.1 M 钠/钾磷酸盐,pH 6.9,50 mM 2-巯基乙醇,50 mM 2-羟乙基二硫化物)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:T4溶菌酶突变体L99A结合口袋的原子模型及其电子密度图。A) L99A空腔在结合位点处存在未建模的电子密度团块。B) L99A空腔中包含建模的氮硼杂苯配体5,呈现两种替代构象。请点击此处查看该图的高清版本。
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1,2-氮杂硼杂苯的示意图合成路线如图1所示。本方案适用于五种不同含硼-氮分子的合成。图2展示了在步骤1.3过程中测得的11B核磁共振谱,用于监测目标产物(3)的生成。蛋白质纯化采用低压色谱系统进行,典型的色谱图如图3所示。收集组分的纯度通过SDS-PAGE测定。T4溶菌酶突变体L99A的晶体结构如图4所示。图5展示了L99A的结合口袋,包含未建模的电子密度,以及配体5结合后经精修的结合空腔。
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在本实验方案的第一部分中,我们描述了一种基于先前报道方法改进的1,2-氮杂硼杂苯合成方法12, 13三烯丙基硼烷22 被用作替代烯丙基三苯基锡或烯丙基三氟硼酸钾路线以制备 N-烯丙基-NTBS-缓冲液B-烯丙基氯加合物(1)。该方法实现了更高的原子经济性,并且对环境更加友好。适用于以下合成: N-TBS-B-Cl-1,2-氮杂硼杂苯(3),采用了一锅法两步反应序列(关环复分解反应后接氧化反应),其分离产率高于先前涉及中间体分离的方法(2)(两步反应产率分别为52%和29%)。 (然而,产率取决于加合物的纯度(1),在氧化步骤之前可能需要通过减压蒸馏分离环化产物。此时,使用二氯甲烷代替甲苯作为溶剂,可缩短蒸馏前去除挥发性物质所需的时间。)监测 ...
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所有作者声明本稿件不存在竞争性经济利益。
本研究由美国国立卫生研究院普通医学科学研究所(NIGMS,资助号:R01-GM094541)和波士顿学院资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 四氢呋喃(THF),无抑制剂,用于高效液相色谱 ≥99.9% | Sigma Aldrich | 34865 | |
| 乙醚(Et2高效液相色谱用 ≥99.9%,无抑制剂 | Sigma Aldrich | 309966 | |
| 二氯甲烷 (CH2Cl2),(稳定化/认证ACS) | Fisher | D37-20 | |
| 甲苯 | Fisher | T290-4 | |
| 戊烷,HPLC | Fisher | P399-4 | |
| 乙腈 | Fisher | A21-4 | |
| 氢化钙(CaH2),试剂级,95% | Sigma Aldrich | 208027 | 易燃的 |
| 活性炭负载钯(Pd/C),10 wt% Pd | Strem | 46-1900 | |
| 1.0 M 三氯化硼己烷溶液 | Sigma Aldrich | 211249 | 剧毒/自燃性 |
| 三乙胺 ≥99.5% | Sigma Aldrich | 471283 | |
| 格拉布斯 1st 生成催化剂 | 材料 | C823 | |
| 乙酰胺 | Sigma Aldrich | A0500 | |
| 正丁醇,无水,99.8% | Sigma Aldrich | 281549 | |
| 乙基锂溶液,0.5 苯/环己烷中的 M 浓度 | Sigma Aldrich | 561452 | 剧毒/自燃性 |
| 2.0 M HCl溶液,溶于Et2O | Sigma Aldrich | 455180 | |
| 2-甲基丁烷,无水 ≥99% | Sigma Aldrich | 277258 | |
| 大肠杆菌,(Migula)Castellani 和 Chalmers(ATCC® 31343™) | ATCC | 31343 | |
| T4溶菌酶野生型*(L99A) | Addgene | 18476 | |
| T4溶菌酶突变体(S38D L99A M102Q N144D) | Addgene | 18477 | |
| 氨苄青霉素钠盐 | Sigma Aldrich | A0166 | |
| 异丙基-β异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG) | Invitrogen | AM9464 | |
| 无水磷酸二氢钠 | Fisher | BP329 | |
| 无水磷酸氢二钠 | Fisher | BP332 | |
| 氯化钠 | Fisher | S642212 | |
| 乙二胺四乙酸 | Fisher | BP118 | |
| 氯化镁 | Sigma Aldrich | M4880 | 腐蚀性 |
| Thermo Scientific Pierce DNase I | Fisher | PI-90083 | |
| GE Healthcare Sepharose Fast Flow 阳离子交换介质 | Fisher | 45-002-931 | |
| Tris碱 | Fisher | BP152-500 | |
| 叠氮化钠 | TCI | S0489 | 剧毒 |
| 2-巯基乙醇 | Fisher | ICN806443 | |
| 赛多利斯 Vivaspin 20 离心浓缩管 | Fisher | 14-558-501 | |
| 磷酸二氢钾 | Sigma Aldrich | P5379 | |
| 2-羟乙基二硫化物 | Sigma Aldrich | 380474 | |
| N-对甲苯磺酰基对氨基苯甲酸 | Hampton Research | HR2-643 | |
| 4 RC 透析膜管,12,000 至 14,000 道尔顿截留分子量 | Fisher | 08-667E | |
| CryoLoop | Hampton Research | 环形低温管 | |
| CryoTong | 赛默飞世尔科技 | 低温钳 | |
| Coot | 电子密度图像是由软件生成的 |
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