用于识别ATP的尿嘧啶连接的羟基黄酮探针

背景：核苷酸是生命系统中必不可少的分子，因为它们在各种生理过程中至关重要。在过去几年中，已经进行了许多尝试以使用小分子荧光化学传感器选择性地识别和检测这些分析物，尤其是ATP。尽管存在各种解决方案，但由于各种核苷酸的结构相似性，ATP的选择性检测仍然具有挑战性。在本文中，我们报道了尿嘧啶核碱基与已知的4'-二甲氨基 - 羟基黄酮荧光团的缀合。

结果：该支架与ATP的复合是已知的。复合物通过堆叠和静电相互作用结合在一起。为了实现多点识别，我们设计了该探针的附加尿嘧啶的版本，以包括互补的碱基配对相互作用。理论计算揭示了多种复杂结构的可用性。使用点击化学进行合成，并使用荧光光谱法评估探针的核苷酸识别特性。

结论：合成并评价了基于羟基黄酮荧光团的第一种含尿嘧啶的荧光ATP探针。观察到与ATP的选择性络合并且在激发光谱中具有比率响应。

关键词： ATP传感; 碱基配对; 荧光探针; 3-羟基黄酮; 核苷酸识别

核苷酸在各种生理过程中起着重要作用，如能量转运[1]，DNA合成[2]和细胞信号转导事件[3]。特别是，腺苷-5'-三磷酸（ATP）是至关重要的，因为它是生命系统中的主要能量来源[4]。因此，识别和感知ATP对于理解生物过程至关重要。在众多解决方案[5-9]中，荧光化学传感器使用指示剂置换分析[10-15]，基于阳离子的识别单元[16-20]，金属络合物[21-27]和其他直接传感系统[28- 30]与传统的基于分离的方法相比具有显着的优势。设计ATP化学传感器的主要困难是ATP与其他核苷酸（即鸟苷-5'-三磷酸，GTP）的结构相似性以及化学传感器和分析物在水介质中的强溶剂化，降低了结合常数他们的复杂，并通过传感器的灵敏度[31,32]。大多数化学传感器中核苷酸的分子识别是通过带电识别位点[16,18,19,33]或Zn-二吡啶胺配合物[21,23,24]吸引ATP的带负电荷的磷酸盐单元并通过π-堆积来实现的。传感器的荧光团和ATP的腺嘌呤部分[29]。在生理pH的水溶液中，四电荷阴离子ATP由亲水性（磷酸盐和核糖）和更疏水的部分（腺嘌呤）组成。前者确保了ATP在水中的良好溶解性并在其周围产生静电场，而后者则需要与ATP生化过程中涉及的类似平面疏水分子相关联[34]。。具有结合ATP的所有先决条件的理想ATP探针应该对溶液和分子组装中的静电场敏感。3-羟基黄酮（HF）荧光团，尤其是高度可极化的4'-二烷基氨基亚族表现出对溶液中离子和分子产生的电场的强烈敏感性。沿着ESIPT过程（激发态分子内质子转移）[35]的这种性质使它们成为比率环境敏感探针和传感器的理想选择[36-43]。其中4'-二甲氨基衍生物（DMHF，4'-二甲氨基羟基黄酮）被Pivovarenko及其合作者用于水溶液和线粒体中的ATP传感[34,44]。发现DMHF与ATP形成1：1和1：2复合物。这两种组分通过π-堆积和DMHF的正极化二甲氨基与ATP的负电荷的静电相互作用保持在一起。还报道了DMHF与核苷酸的相互作用以及计算机辅助模拟真空中DMHF∙ATP复合物的几何结构。同一作者最近的一项研究描述了具有各种关联常数的其他黄酮[45]，然而，它们都不是合理设计的结果。

自Watson和Crick的工作以来，碱基配对是DNA双螺旋结构中众所周知的现象。还已知双链的内聚力由有效的π-堆积相互作用提供[46]。。向现有核苷酸受体分子添加额外的识别位点可以导致ATP点化学传感器的多点识别和增强的选择性/灵敏度。在我们正在进行的研究中，我们感兴趣的是探索ATP识别中互补碱基配对的功能，作为提高选择性的可能方法。由于ATP具有一个腺嘌呤核碱基，因此附加到主要通过π相互作用操作的中性化学传感器的简单尿嘧啶/胸腺嘧啶单元可以是用于研究的良好模型。我们选择DMHF作为荧光团和核心支架，因为它易于合成和比率荧光性质。首先，我们通过量子化学计算我们的目标化合物UHF（尿嘧啶 - 羟基黄酮）和ATP来检测可能的结构和超分子相互作用（见图1）对于结构）。理论结果表明了碱基配对相互作用的可能性，这促使我们通过点击化学合成UHF。荧光光谱显示与ATP的选择性络合，其结合常数约为2×10 4 M -1，并且在激发光谱中具有比率响应。