综述与进展

席夫碱型荧光探针对氨基酸化学选择性识别研究进展

  • 彭澳霈 a ,
  • 李扬 a ,
  • 朱园园 , b, * ,
  • 吴广文 , a, * ,
  • 古双喜 , a, *
展开
  • a 武汉工程大学化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室&新型反应器与绿色化学工艺湖北省重点实验室 武汉 430205
  • b 武汉工程大学化学与环境工程学院 武汉 430205

收稿日期: 2025-03-16

  修回日期: 2025-04-18

  网络出版日期: 2025-05-16

基金资助

国家自然科学基金(22377097)

国家自然科学基金(22307036)

国家自然科学基金(22074114)

湖北省自然科学基金(2020CFB623)

湖北省自然科学基金(2021CFB556)

磷资源开发利用教育部工程研究中心(LCX202305)

Advances in Chemoselective Recognition of Amino Acids by Schiff Base Fluorescent Probes

  • Aopei Peng a ,
  • Yang Li a ,
  • Yuanyuan Zhu , b, * ,
  • Guangwen Wu , a, * ,
  • Shuangxi Gu , a, *
Expand
  • a Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education & Hubei Key Laboratory of Novel Reactor and Green Chemical Technology, School of Chemical Engineering and Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205
  • b School of Chemistry and Environmental Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205
* E-mail: ;

Received date: 2025-03-16

  Revised date: 2025-04-18

  Online published: 2025-05-16

Supported by

National Natural Science Foundation of China(22377097)

National Natural Science Foundation of China(22307036)

National Natural Science Foundation of China(22074114)

Natural Science Foundation of Hubei Province(2020CFB623)

Natural Science Foundation of Hubei Province(2021CFB556)

Engineering Research Center of Phosphorus Resources Development and Utilization of Ministry of Education(LCX202305)

摘要

氨基酸作为组成蛋白质的基本单元, 是构成生命的基本砌块. 不同结构的氨基酸在生命体内发挥着各自重要的功能. 另外, 氨基酸也是食品药品工业、功能材料及有机合成的重要原料. 对20种常见氨基酸的精准化学选择性识别是一项意义重大的研究工作. 含C=N双键的席夫碱结构具有特有的碱性、共轭性、与金属的强配位性以及强的氢键形成能力, 在荧光探针分子的构建中具有独特的优势. 综述了近十年席夫碱结构的荧光探针对氨基酸化学选择性识别的研究进展, 包括探针分子结构特征、识别机制、应用潜能等, 并总结分析了目前氨基酸精准识别研究的难点, 以及要突破的科学问题.

本文引用格式

彭澳霈 , 李扬 , 朱园园 , 吴广文 , 古双喜 . 席夫碱型荧光探针对氨基酸化学选择性识别研究进展[J]. 有机化学, 2025 , 45(9) : 3301 -3313 . DOI: 10.6023/cjoc202503015

Abstract

Amino acids, as the fundamental building blocks of proteins, are essential components of life. Different amino acids, with their unique structures, play vital roles in biological systems. Additionally, amino acids serve as important raw materials in the food and pharmaceutical industries, functional materials, and organic synthesis. The precise chemoselective recognition of the 20 common amino acids represents a highly significant research endeavor. Schiff base structures, characterized by the C=N double bond, possess unique properties such as alkalinity, conjugation, strong metal coordination capability, and hydrogen bond formation capacity, rendering them particularly advantageous for constructing fluorescent probes. The research progress over the past decade on Schiff base-based fluorescent probes for the chemoselective recognition of amino acids is summarized, including the structural features of the probes, recognition mechanisms, and potential applications. Furthermore, the current challenges in the precise recognition of amino acids are analyzed and the key scientific issues that require further exploration are highlighted.

氨基酸作为蛋白质的基本组成单元, 不仅在构建生命体的过程中起着核心作用, 同时也参与着重要的生理过程[1-2], 而且氨基酸在生物化学药品[3-4]、食品添加 剂[5-6]、有机合成[7-8]及功能材料[9]领域也有着广泛的应用. 不同类别氨基酸的功能和来源各异. 如必需氨基酸苯丙氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸等对于维持人体正常的生理功能至关重要, 它们在蛋白质合成过程中必须从食物中获取[10-11], 而非必需氨基酸则可以在体内合成. 亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸这三种支链氨基酸不仅是蛋白质的基本组成单位, 还可作为信号分子调节糖脂代谢、凋亡及自噬而发挥重要的生理功能[12-14]. 临床及基础研究发现, 血浆中支链氨基酸含量与糖尿病、冠心病及心力衰竭等疾病紧密相关, 并参与疾病的发生与发展[15-16]. 因此, 研究与开发氨基酸的精准分子识别荧光探针, 在生物医学、药物研发、食品及有机合成等领域具有巨大的实用价值和应用前景.
荧光探针一般由荧光团、连接基团和识别基团三部分组成, 在合成中往往会经历条件较为苛刻的偶联反 应[17-19], 而希夫碱型荧光探针一般通过胺类化合物与羰基化合物(如醛、酮)发生缩合反应制备[20-21]. 反应条件相对温和, 通常在常温或较低的加热温度下可以快速进行[22]. 基于其反应活性高, 条件温和的优势, 利用席夫碱的—C=N—连接基可灵活选择连接不同荧光团和识别基团, 得到结构多样的荧光探针[23,24]. 另外席夫碱结构中的C=N双键易与金属离子发生配位反应, 席夫碱型荧光探针常被用于金属离子的识别[25-27], 而金属离子同时又可以与氨基酸侧链中的特定基团(如羧基、氨基、羟基或硫醇基)形成配位键[28-29]. 因此, 在金属离子参与下, 利用氨基酸与席夫碱探针分子同金属离子的共配位, 或氨基酸对金属离子的竞争配位产生荧光信号的变化, 可实现对氨基酸的分子识别. 此外, C=N具有易于形成氢键, 及异构化的特征, 因此在无金属离子参与的条件下, 也可能与某些结构氨基酸之间通过氢键作用改变分子电荷分布或电子转移而产生荧光信号变化, 或由于氢键形成诱导或抑制C=N的异构化而导致荧光的变化, 从而达到对氨基酸分子识别的目的. 由此可见, 希夫碱型荧光探针在氨基酸识别方面具有独特的优势.
本文将基于近十年来希夫碱型荧光探针对不同结构氨基酸的化学选择性识别研究进展进行综述, 分别阐述探针分子结构、对氨基酸的选择性光谱响应、与氨基酸的作用机制及应用价值, 最后将针对氨基酸化学选择性识别的研究难点和席夫碱结构的特征, 进行总结与分析, 提出该研究方向未来要突破的科学问题.

1 席夫碱型荧光探针对氨基酸的化学选择性识别

1.1 精氨酸的识别

精氨酸(arginine, Arg)作为一种半必需氨基酸, 在人体特定生理状态下能够自行合成, 但在快速生长、受伤或疾病等情况下可能需要额外补充. 它在多胺合成中扮演着关键角色, 多胺对于细胞增殖、蛋白质合成和细胞周期的调控至关重要[30]. 精氨酸因此被视为细胞生长和分裂的重要调节因素. 此外, 精氨酸还作为癌细胞代谢的信号分子, 可能成为潜在的治疗靶点和表观遗传调节因子. 精氨酸的化学选择性识别在生物医学领域具有重要的意义.
在席夫碱型荧光探针应用于Arg的化学选择性识别方面, Shang研究组利用—C=N—连接基分别连接两个苯环、苯环和萘环、两个萘环的策略, 设计合成了系列探针1[31], 2[32], 3~5[33](图1), 并研究了在DMSO/H2O (V:V=1:1)体系中, 该系列探针对18种常见氨基酸的紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱和荧光光谱, 发现除探针4对Arg没有荧光响应外, 其余4种结构的探针对Arg均呈现出明显的化学选择性荧光增强(图1a~1e), 且探针2对Arg的化学选择性能力最强. 从图1b可以看到, 探针2对除Arg以外的其它氨基酸均只有非常微弱的荧光响应. 作者通过job‐plot的分析方法推测探针1, 2, 3与Arg形成1:1的主客体复合物, 而探针4, 5与Arg分别形成1:2和2:3的复合物, 同时通过非线性最小二乘法的方法计算得到探针12与Arg的结合常数明显大于他们与其它氨基酸的结合常数. 结合实验结果, 作者推测该席夫碱系列的探针由于其C=N的碱性和分子的共轭, 其与Arg的胍基之间有强的氢键作用和共轭效应, 从而与Arg有较大的结合常数, 且探针1, 3, 5与Arg作用后改变了探针分子中的C=N与羟基形成的分子内氢键上的电子转移, 探针2与Arg作用后削弱了探针分子中的C=N与硝基之间的氢键作用, 在这些机制的作用下产生了对Arg的特异性荧光增强响应.
图1 荧光探针1~5的分子结构及对氨基酸的荧光响应[31-33]

Figure 1 Molecular structures of probes 1~5, and the fluorescence response toward amino acids[31-33]

Among (a), (b), (c), and (e), F-F0 represents the increment in the fluorescence response intensity of the probe to the amino acids, where F0 and F are the fluorescence intensity of probe before and after interaction with the amino acids. (d) shows the fluorescence spectra of probe 4 for 0~2 mmol/L Arg.

1.2 半光氨酸的识别

半胱氨酸(cysteine, Cys)的侧链含有硫醇基团, 使其具有独特的化学性质. 半胱氨酸的硫醇基团可以形成二硫键(—S—S—), 这对维持蛋白质的三维结构至关重要. 其硫醇基团也常作为酶的活性中心, 参与催化反应. 另外, Cys是谷胱甘肽(glutathione)的前体, 而谷胱甘肽在细胞内具有抗氧化和解毒功能[34]. 因此Cys在抗氧化、蛋白质折叠、细胞信号传导和免疫反应方面均起着重要的作用. Cys的检测与分析也是目前常见20种氨基酸中研究最多的.
对于Cys化学选择性识别的席夫碱结构的荧光探针可分为有金属离子参与型和无金属离子参与型. 无金属离子参与型如Xie等[35]基于苯并噁二唑小分子荧光化合物衍生的荧光探针6, 该探针通过其醛基与Cys及高半胱酸(homocysteine, Hcy)的巯基发生环化反应(图2a), 生成的四氢噻唑的NH与C=N的N原子通过分子内氢键作用形成五元环, 抑制C=N异构化诱导的荧光淬灭, 从而对Cys和Hcy产生吸收光谱的变化及荧光的增强, 并且在自然光下就可以通过颜色将Cys和Hcy与其它常见氨基酸区分(图2b). 研究还发现在pH 7.2的PBS溶液中, 探针6对Cys在0~100 μmol/L浓度范围内荧光响应灵敏, 检测限达到3.6 nmol/L(图2c~2d). 此外, 细胞实验表明, 探针6具有低细胞毒性和良好的生物相容性, 且能够有效进入细胞并进行Cys和Hcy的活体成像检测.
图2 (a)探针6的分子结构; (b)探针6与各种氨基酸作用后在自然光下的照片; (c)探针6对半胱氨酸(0~100 μmol/L)的荧光光谱; (d)探针6的荧光响应强度对低浓度半胱氨酸的(0到10 μmol/L)线性相关性[35]

Figure 2 (a) Molecular structure of probe 6; (b) Photographs of probe 6 treated by several amino acids and irradiated under natural light; (c) Fluorescence spectra of probe 6 after its interaction with Cys (0~100 μmol/L); (d) The linear relationship between the fluorescence intensity of probe 6 and low concentrations of Cys (0~10 μmol/L)[35]

由于探针分子结构中的C=N连接基与金属离子之间能产生较强的络合作用, 同时金属离子与识别底物氨基酸之间也有强的络合作用, 因此金属离子的参与往往能提高席夫碱型荧光探针对氨基酸的识别能力, 所以关于有金属离子参与的席夫碱型荧光探针的研究较无金属离子参与的要多, 且涉及到的金属离子多数为Cu2+. 如Chen研究组[36]将亚胺荧光素与Cu2+络合得到能够选择性识别Cys的荧光探针7. 通过竞争配位, Cys诱导Cu²⁺从弱荧光复合物7-Cu2+中解离, 随后亚胺荧光素水解释放出具有强发射光的荧光素醛(图3a). 7-Cu2+在pH 7.4 HEPES buffer/1% MeCN溶液中对Cys的检测限为9 μmol/L. 作者研究发现除Cys外, 其它被检测的氨基酸均不能使该探针发射强荧光(图3b). 作者还尝试利用该探针检测细胞中硫醇结构的氨基酸, 通过对比探针7-Cu2+对未孵育硫醇封闭试剂N-乙基马来酰亚胺(N-Ethylmaleimide, NEM)和孵育了NEM试剂的MCF细胞的共聚焦成像结果, 发现该探针对细胞中的硫醇氨基酸具有明显的荧光增强效应(图3c), 该探针可用于选择性检测细胞中硫醇氨基酸.
图3 (a)探针7-Cu2+与Cys的作用机理; (b)探针7-Cu2+对氨基酸的荧光响应; (c)探针7-Cu2+对MCF-7细胞成像[孵育7-Cu2+ 30 min(上); 经过硫醇封闭试剂NEM孵育后再孵育7-Cu2+ 30 min(下)[36]

Figure 3 (a) Interaction mechanism of probe 7-Cu2+with Cys; (b) Fluorescence response of probe 7-Cu2+to amino acids; (c) Imaging of MCF-7 cells with probe 7-Cu2+ (incubation with 7-Cu2+for 30 minutes (top); incubation with thiol-blocking reagent NEM followed by incubation with 7-Cu2+for 30 min (bottom)[36]

在Cu2+离子参与下席夫碱型探针对Cys选择性识别的另一研究工作, 如Yu等[37]利用4-N,N-二乙氨基水杨醛与2-吡啶甲酰肼的缩合反应, 合成了二乙氨基吡啶甲酰席夫碱化合物8, 该化合物的铜配合物在PBS缓冲溶液中基于铜的置换反应, 对半胱氨酸(Cys)表现出快速且明显的荧光开启响应, 化合物8的分子结构及 Cu2+置换反应如图4a所示. 8-Cu2+复合物对不同量Cys的UV-Vis吸收光谱和荧光光谱结果显示, 随着Cys的增加, 吸收峰从428 nm蓝移至383 nm, 且488 nm处的荧光逐渐增强(图4b~4c). 8-Cu2+在pH 7.4 PBS缓冲溶液中对Cys检测限为6.4×10-4 μmol/L. 与上述7-Cu2+类似, 8-Cu2+同样也对细胞中的硫醇氨基酸Cys呈现明显的荧光成像效应(图4d).
图4 (a)探针8的分子结构及与Cys的作用机理; (b) 8+Cu2+对不同量Cys的UV-Vis吸收光谱; (c) 8+Cu2+对不同量Cys的荧光光谱; (d) HeLa细胞中8+Cu2+对Cys的荧光成像[(A1)~(A3) 0.5 mmol/L NEM预孵育30 min的HeLa细胞共聚焦荧光图像; (D1)~(D3) HeLa细胞用0.5 mmol/L NEM预孵育, 然后用8-Cu2+(20 μmol/L)处理30 min; (E1)~(E3) HeLa细胞用0.5 mmol/L NEM预孵育30 min, 然后用8-Cu2+(20 μmol/L)和Cys(0.1 mmol/L)处理15 min[37]]

Figure 4 (a) Molecular structure of probe 8 and its interaction mechanism with Cys; (b) UV-Vis absorption spectra of 8+Cu2+with different equivalents of Cys; (c) Fluorescence spectra of 8+Cu2+with different equivalents of Cys; (d) Fluorescence imaging of Cys in HeLa cells using 8+Cu2+ ((A1)~(A3) Confocal fluorescence images of HeLa cells pre-incubated with 0.5 mmol/L NEM for 30 min; (D1)~(D3) HeLa cells pre-incubated with 0.5 mmol/L NEM and then treated with 8-Cu2+(20 μmol/L) for 30 min; (E1)~(E3) HeLa cells pre-incubated with 0.5 mmol/L NEM for 30 min and then treated with 8-Cu2+(20 µmol/L) and Cys (0.1 mmol/L) for 15 min[37])

以上检测Cys的亚胺型探针均是基于荧光增强的响应信号来进行化学选择性识别. 据研究报道, 也有基于荧光淬灭响应对Cys进行特异性识别的亚胺型荧光探针. 如Yang等[38]报道了一种罗丹明B酰肼结构的化合物9(图5a), 该化合物与Cu2+络合后诱导罗丹明内酰胺环的打开, 导致吸收和荧光显著增强, 当向该溶液中加入Cys时, 由于Cys能够与Cu²⁺形成更强的配位作用, 因此Cys从9-Cu2+中捕获Cu²⁺, 从而导致探针的内酰胺环重新形成(图5a), UV-Vis吸收和荧光信号几乎消失, 而其它被研究的阴离子和氨基酸却不能淬灭复合物9-Cu2+的强荧光(图5b~5c). 该探针通过荧光淬灭的信号可以实现对Cys的化学选择性识别, 在MeOH/H2O (V/V=3/7)的体系中对Cys检测限为1.2 μmol/L.
图5 (a)探针9的分子结构及在Cu2+参与条件下对Cys的识别机制; (b)~(c)探针9-Cu2+分别与Cys及其它8种氨基酸和9种不同阴离子作用后的UV-Vis吸收光谱和荧光光谱[38]

Figure 5 (a) Molecular structure of probe 9 and its recognition mechanism for Cys in the presence of Cu2+; (b)~(c) UV-Vis absorption spectra and fluorescence spectra of probe 9-Cu2+upon interaction with Cys, eight other amino acids, and nine different anions[38]

基于荧光淬灭进行Cys选择性识别的席夫碱型荧光探针还有如Devender等[39]报道的香豆素-芘衍生物10(图6a). 与上述研究工作不同的是, 该探针识别Cys的参与金属离子为Zn2+离子. 与研究的其它金属离子比较, Zn2+能显著增强10的荧光(图6b), 接着作者又发现复合物10-Zn2+的强荧光能被Cys淬灭(图6c), 对Cys的检测限为1.2 μmol/L. 其它常见氨基酸对10-Zn2+的荧光影响微弱. 依据这种选择性的荧光淬灭, 10-Zn2+能将Cys从12种氨基酸中识别出来. 该探针对Cys的识别机理与上述探针9的识别机理类似, 也是基于Cys对金属离子的竞争配位作用, 将探针分子从金属复合物中释放出来.
图6 (a)探针10的分子结构及与Zn2+离子的作用模式; (b)探针10对不同金属离子的荧光响应; (c) 10+Zn2+对不同氨基酸的荧光响应[39]

Figure 6 (a) Molecular structure of probe 10 and its interaction mode with Zn2+ions; (b) Fluorescence response of probe 10 to different metal ions; (c) Fluorescence response of 10+Zn2+to different amino acids[39]

1.3 赖氨酸的识别

赖氨酸(Lysine, Lys)作为一种人体必需氨基酸, 在蛋白质合成中起着重要作用, 并参与免疫反应、激素合成和组织修复等生理过程[40]. 此外, Lys还有助于钙的吸收, 促进骨骼健康, 且在胶原蛋白的合成中扮演关键角色, 具有改善免疫功能和促进组织修复的潜力. 因此Lys的分析与检测也受到了科学家们的关注. 2023年, Zeng课题组[41]设计并合成了一种基于BINOL骨架的亚胺型荧光探针11(图7a), 该探针对Lys展现出高选择性和灵敏度(图7b), 在0~50 μmol/L浓度范围内能够有效检测Lys, 其检测限为12.53 nmol/L. 研究表明, 探针11分子中的C=N基团与Lys的氨基和羧基同锌离子形成共配位复合物, 且探针分子中的另一C=N基团与Lys的另一氨基质子之间产生氢键作用, 在配位和氢键的共同作用下产生增强的荧光信号, 且在紫外光下可以通过颜色差异选择性识别Lys(图7c). 但利用该探针进行Lys精准识别还有一定的困难, 从探针对20种常见氨基酸的荧光响应结果来看, 同为碱性氨基酸的Arg在类似的作用机制下也使该探针的荧光有显著增强.
图7 (a)探针11的分子结构; (b)在Zn2+存在条件下探针11对20种氨基酸(包括Lys)的荧光响应; (c)探针11+Zn2+与20种氨基酸作用后分别在自然光下和紫外灯照射下的照片[41]

Figure 7 (a) Molecular structure of probe 11; (b) Fluorescence response of probe 11 to 20 amino acids (including Lys) in the presence of Zn2+; (c) Photographs of probe 11+Zn2+respectively treated by 20 amino acids then irradiated under natural light and UV light[41]

1.4 苯丙氨酸的识别

苯丙氨酸(phenylalanine, Phe)是另一种人体必需氨基酸, 它不仅参与体内蛋白质的合成过程, 还是合成酪氨酸以及多巴胺和去甲肾上腺素的关键原料. 这种氨基酸对于大脑功能、情绪控制和神经系统健康至关重要, 同时也在能量代谢和维持身体健康中发挥着重要作用[42].
2022年, Gurjaspreet等[43]设计了一种基于苯并噻唑的席夫碱型荧光探针12(图8a), 该探针对Phe表现出荧光淬灭, 而对Al3+离子呈现荧光增强(图8b). 探针荧光强度分别与Phe和Al3+的浓度呈线性关系, 对Phe的检测限为18.45 μmol/L. 结合红外(IR)和核磁共振氢谱(1H NMR)的结果, 作者推测探针分子中的C=N质子与Phe的氨基, 及探针分子中的OCH2和三唑环与Phe的羧基之间均存在氢键作用, 这是产生探针荧光淬灭的主要原因.
Figure 8 (a)探针12与Phe的作用模式; (b)探针12对Al3+离子的选择性荧光增强; (c)探针12对Phe的选择性荧光淬灭[43]
(a) Interaction mode of probe 12 with Phe; (b) Selective fluorescence 增强 of probe 12 toward Al<sup>3+</sup>ions; (c) Selective fluorescence quenching of probe 12 toward Phe<sup>[<a href="javascript:;" class="mag_content_a" onclick="piaofuRef(this,'b43')" rid="b43">43</a>]</sup>

1.5 色氨酸的识别

色氨酸(tryptophan, Trp)是一种功能性必需氨基酸. 据研究报道, 由于色氨酸本身代谢, 以及与肠道微生物的相互作用, 使一系列有助于增强肠道粘膜屏障功能的生物活性物质得以产生, 进而对身体健康起到促进作 用[44]. 作为哺乳动物的必需氨基酸, 在维持神经元功能、免疫调节和维持肠道稳态等方面, 色氨酸的作用举足轻重, 因此识别及监测色氨酸的浓度意义重大.
2020年, Pundi等[45]报道通过苯胺三聚体与(S)-(+)-1-苯基乙基异硫氰酸酯反应合成了含亚胺连接基且具有苯胺部分和手性硫脲结合位点的高效多功能荧光探针13 (CAS)(图9a). 该探针与Fe³⁺、Cu²⁺和Ag⁺反应时, 表现出显著的颜色变化(图9b)及紫外可见(UV- Vis)吸收光谱变化, 与对其他金属离子(如Na、K、Ca²、Mg²等)的吸收和荧光光谱比较, 探针13对Fe³⁺、Cu²⁺和Ag⁺呈现较高的选择性, 且探针13与Cu²⁺的复合物能够进一步作为L-Trp的化学选择性荧光传感器. 当L-Trp加入13-Cu2+的溶液中时, 复合物的荧光强度显著增强, 而其他氨基酸如L-His、L-Pro、L-Phe则没有类似的荧光响应(图9c~9d). 作者结合研究结果, 推测这种“荧光开启”现象来源于L-Trp通过对Cu²⁺的竞争配位, 置换出探针与Cu²⁺结合最弱的位点, 形成三元复合物, 进而导致荧光增强. 进一步的活细胞荧光成像实验显示, 探针13-Cu²⁺复合物能够有效地用于细胞内L-Trp的检测, 并且具有良好的生物相容性.
图9 (a)探针13的分子结构; (b)探针13与金属离子作用后溶液颜色的变化; (c) 13-Cu2+复合物对8种不同结构氨基酸的荧光响应; (d) 13-Cu2+复合物与8种不同结构氨基酸作用后的溶液照片[45]

Figure 9 (a) Molecular structure of probe 13; (b) Color changes of probe 13 after interaction with metal ions; (c) Fluorescence response of the 13-Cu2+complex to 8 amino acids; (d) Photographs of the 13-Cu2+complex solution after interaction with 8 amino acids[45]

2024年, Liu等[46]报道了一种二茂铁查尔酮衍生的希夫碱探针14(图10a), 作者发现该探针分别与18种不同结构氨基酸作用后, 对Trp表现出特异性的UV-Vis吸收和荧光发射响应(图10b~10c). 作者也研究了该探针通过荧光识别Trp时其它氨基酸的干扰行为, 结果显示, 该探针对Trp的识别具有高的抗干扰性. 作者结合IR和1H NMR的结果, 推测探针14的C=O和C=C分别与Trp的氨基和羧基之间通过氢键作用形成包含 C=N的大环, 模式如图10a所示. 由于氢键作用力较弱, 容易被破坏, 探针14在与色氨酸作用后再经EDTA处理, 探针14的光学性质恢复, 因此该探针在识别Trp的过程中还显示出良好的可逆性和再生能力.
图10 探针14的分子结构及与Trp的作用模式; (b)~(c)探针14对不同氨基酸的UV-Vis吸收光谱和荧光光谱[46]

Figure 10 (a) Molecular structure of probe 14 and its interaction mode with Trp; (b)~(c) UV-Vis absorption spectra and fluorescence spectra of probe 14 with different amino acids[46]

1.6 丝氨酸的识别

丝氨酸(serine, Ser)是一种非必需氨基酸, 在人体内可以通过多种途径自行合成, 但其代谢的不平衡与某些神经退行性疾病的发生有很大的关系. 研究还显示, 血清中丝氨酸含量的变化与精神分裂症的发生有着密切的关系, 这也暗示了丝氨酸代谢的变化可能与精神卫生状况之间存在着重要的联系[47]. 因此, 丝氨酸的代谢水平的分析和监测对相关疾病的早期发现和保持机体健康具有重要意义.
Mohanan等[48]设计并合成了一种基于苯并噻吩的席夫碱型荧光探针15, 通过电荷转移机制选择性检测Ser(图11). 在有机溶剂(如DMF)中, 探针15表现出蓝色荧光, 在与Ser作用后荧光强度明显增强, 而与其他氨基酸如半胱氨酸、甲硫氨酸等作用荧光变化微弱, 结果显示探针15对Ser具有良好的荧光增强选择性. 作者还通过荧光滴定实验得到了探针15荧光强度对Ser浓度的线性关系, 线性检测范围为5×10⁻⁸到3×10⁻⁷ mol/L, 检测限为1.74 nmol/L. 研究还显示探针15在Ser检测中表现出良好的稳定性和重复性, 能在生物样品中持续稳定地发出强荧光, 如在尿液样品中对Ser的检测呈现出高的准确度.
图11 探针15的分子结构及与Ser之间的电荷转移, 探针15对Ser的荧光响应[48]

Figure 11 Molecular structure of probe 15 and its charge transfer with Ser, and the fluorescence response of probe 15 to Ser[48]

1.7 谷氨酸的识别

谷氨酸(glutamic acid, Glu)是中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质, 起着调节突触传递和支持大脑正常功能的重要作用. 通过NMDA受体等途径, 它在神经相关疾病的治疗中展现出潜在的应用价值. 谷氨酸信号失衡可能导致神经病理问题, 如中风、阿尔茨海默氏症和精神分裂症, 且过量信号会引发兴奋毒性, 损伤神经 元[49]. 另外, 在食品工业中, 谷氨酸及其衍生物谷氨酸钠(MSG)常被用作增强鲜味的调味剂[50]. 因此, 精准识别谷氨酸不管是在生物医学还是食品工业领域, 均具有重要的研究价值.
Prabhakaran等[51]报道基于香豆素衍生的席夫碱型化合物1617(图12), 其中17与Al³⁺络合后表现出荧光淬灭, 而复合物17-Al³⁺继续与L-Glu作用后荧光又显著增强, 与其他12种氨基酸作用未发现明显荧光增强响应(图13a). 与17不同的是, 16的荧光能被Cu2+淬灭, 复合物16+Cu2+L-Arg作用后荧光明显增强. 17-Al³⁺对L-Glu和16+Cu2+L-Arg的检测限分别为185和148 nmol/L. 探针16L-Arg与17L-Glu的识别机制类似, 均为探针分子和氨基酸与金属离子的共配位作用. 作者分别利用1717-Al³⁺和17-Al³⁺-Glu对MDA- MB-231乳腺癌细胞进行了荧光成像实验(图13b), 结果显示, 与对照组细胞相比, 经DCFH-DA、DAPI或共染色的细胞在以上三种物质处理下荧光强度增加, 表明1717与Al3+L-Glu复合物导致细胞内活性氧(ROS)水平升高. 细胞内ROS水平的升高被认为是细胞凋亡的标志. 因此, 实验结果显示, 上述化合物通过增加细胞内ROS水平, 具有诱导乳腺癌细胞凋亡的潜力. 作者结合Job曲线分析、Benesi-Hildebrand方程, 及质谱结果推测17-Al³⁺与L-Glu以1:1形成复合物, 结合模式如图14所示, 并且利用基于密度泛函理论(DFT)的高斯计算, 对复合的分子模型、电荷分步及HOMO-LUMO能级进行了模拟, 进一步验证了复合物的结合模式.
图12 化合物16和17的合成路线[51]

Figure 12 Synthetic routes of compounds 16 and 17[51]

图13 (a)探针17-Al3+对13种氨基酸(包括Glu)的荧光响应; (b)探针17、17-Al3+和17-Al3+-Glu在MDA-MB-231乳腺癌细胞中的共聚焦荧光成像(从左至右依次是10 µmol/L的DCFH-DA、DAPI及DAPI+DCFH-DA染色定位)[51]

Figure 13 (a) Fluorescence response of probe 17-Al3+to 13 amino acids (including Glu); (b) Confocal fluorescence imaging of probe 17, 17-Al3+, and 17-Al3+-Glu in MDA-MB-231 breast cancer cells, showing staining localization with 10 µmol/L DCFH-DA, DAPI, and DAPI+DCFH-DA from left to right[51]

图14 化合物17与Al3+、复合物17-Al3+与L-Glu的作用机制; 17-Al3+与L-Glu复合物的分子模型及HOMO和LUMO轨道电荷分布及能级值(Hartree理论水平)[51]

Figure 14 Interaction mechanism of compound 17 with Al3+ and the complex 17-Al3+ with L-Glu; molecular model of the 17-Al3+- L-Glu complex along with the charge distribution of HOMO and LUMO orbitals and their energy level values (Hartree level of theory)[51]

2 总结与展望

在20种常见氨基酸中, 有2种酸性(天冬氨酸、谷氨酸)、3种碱性(组氨酸、精氨酸、赖氨酸)、8种非极性(苯丙氨酸、丙氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、色氨酸、脯氨酸、缬氨酸)和7种极性氨基酸(甘氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、丝氨酸、酪氨酸、苏氨酸). 这些氨基酸不论是人体必须还是非必须氨基酸, 均在生命活动中发挥着不可或缺的作用, 同时也各自在食品、药品、材料及有机合成领域有着广泛的应用. 高效精准地识别和检测氨基酸一直是人们追求的目标. 席夫碱化学结构的荧光探针应用于氨基酸分子识别时, 有着分子结构易于构建及反应条件温和的优势. 从以上综述的内容可以看到, 不同结构的席夫碱型荧光探针可以分别选择性识别以上四种不同性质的氨基酸, 具体如表1所示. 探针分子中的席夫碱典型结构基团C=N在识别氨基酸的机制中起到了重要作用, 主要包括如下几种作用形式: (1) C=N参与的氢键作用(探针1~3, 5, 12, 14); (2) C=N参与的共配位作用(探针13, 16, 17); (3)氨基酸对金属离子的竞争配位释放席夫碱探针分子(探针7~10); (3) C=N参与的共配位与氢键协同作用(探针11); (4)氨基酸与探针反应产物的分子内氢键抑制C=N异构化(探针6).
表1 化学选择性识别氨基酸的席夫碱型荧光探针汇总

Table 1 Summary of Schiff-base fluorescence probes for chemoselective recogniton on amino acids

氨基酸 探针 荧光响应 检测限 溶剂 pH 金属离子 识别机理
酸性 Glu 17[51] 增强 185.0 nmol/L EtOH/H2O (V/V=1/4) 7.0 Al3+ C=N、氨基酸的氨基和羰基与Al3+的共配位作用
碱性 Arg 1[31] 增强 DMSO/H2O (V/V=1/1) 7.0 No 与Arg的作用改变了C=N与OH之间氢键上电子转移
2[32] 增强 DMSO/H2O (V/V=1/1) 7.0 No 与Arg作用后C=N与NO2之间氢键变化
3[33] 增强 DMSO/H2O (V/V=1/1) 7.0 No 与Arg的作用改变了C=N与OH之间氢键上电子转移
4[33] 无响应 DMSO/H2O (V/V=1/1) 7.0 No
5[33] 增强 DMSO/H2O (V/V=1/1) 7.0 No 与Arg的作用改变了C=N与OH之间氢键上电子转移
11[41] 增强 13.07 nmol/L THF/H2O 7.0 Zn2+ C=N、Arg的氨基和羧基与Zn2+的共配位作用, C=N与Arg胍基质子氢键作用
16[51] 增强 148.0 nmol/L EtOH/H2O (V/V=1/4) 7.0 Cu2+ C=N、Arg的氨基和羧基与Cu2+的共配位作用
Lys 11[41] 增强 12.53 nmol/L H2O/1.25% THF 7.0 Zn2+ C=N、Lys的氨基、羧基与Zn2+的共配位作用, C=N与Lys氨基质子氢键作用
非极性 Phe 12[43] 淬灭 18.45 μmol/L MeOH/H2O (V/V=6/4) 7.0 No C=N、三唑环、OCH2与Phe的氨基、羧基之间的氢键作用
Trp 13[45] 增强 DMSO/H2O (V/V=9/1) 7~11 Cu2+ 竞争配位与共配位形成三元复合物
14[46] 增强 130.7 μmol/L MeOH 2~12 No C=O、C=C与Trp的氨基、羧基之间通过氢键作用, 形成包含C=N的大环
极性 Cys 6[35] 增强 3.6 nmol/L CH3CN-PBS (V/V=1/2) 7.2 No 探针醛基与Cys巯基发生环化反应后通过分子内氢键形成五元环, 抑制C=N异构化诱导的荧光淬灭
7[36] 增强 9 μmol/L HEPES buffer/1% MeCN 7.4 Cu2+ Cys对Cu2+的竞争配位, C=N水解释放荧光素
8[37] 增强 0.64 nmol/L PBS buffer 7.4 Cu2+ 探针的C=N, C=O, OH与Cu2的配位作用淬灭荧光, Cys对Cu2+的竞争配位, 释放探针分子, 荧光恢复
9[38] 淬灭 1.2 μmol/L MeOH/H2O (V/V=3/7) 7.0 Cu2+ Cys对Cu2+的竞争配位, 释放罗丹明分子且使其内酰胺环重新形成, 荧光淬灭
10[39] 淬灭 1.23 μmol/L MeCN/H2O (V/V=8/2) 7.0 Zn2+ Cys对Zn2+的竞争配位, 释放探针分子
Ser 15[48] 增强 1.74 nmol/L DMF 7.0 No Ser与探针分子之间的电荷转移
另外, 从表1也可以看到, Arg和Cys化学选择性识别的席夫碱型荧光探针研究得最多, 除表中列出的7种氨基酸外, 其它13种氨基酸化学选择性荧光识别的席夫碱型荧光探针鲜有报道. 由于20种常见氨基酸分子结构有一定相似度, 均含有活性官能团氨基和羧基, 且均处于邻位, 所以精准识别某一种氨基酸是一项具有挑战性的工作. 之所以关于Arg和Cys荧光识别报道得最多, 除了他们重要的生物功能外, 还与他们特殊的分子结构有关. Arg分子结构中含有特殊的胍基, 由于胍基的强碱性、能形成多重氢键、与金属的强络合性以及平面共轭性, 使其能够与探针分子之间产生不同于其它氨基酸与探针分子之间的作用力. 如探针1~5对Arg的特异性识别可归因于探针分子中的C=N与Arg的胍基之间有强的氢键作用和共轭效应. 另外一种报道较多的Cys, 其分子结构中有特有的巯基, 而巯基具有高反应活性、还原性和与金属离子的强配位能力, 因此对Cys特异性识别大多是基于其巯基与探针分子之间的强相互作用. 如探针6对Cys的特异性识别机制是探针分子的醛基与Cys的巯基发生环化反应, 抑制探针分子中C=N键的异构化, 从而产生荧光的变化; 探针7~10之所以能把Cys从多种氨基酸中识别出来, 是基于Cys的巯基与探针-金属络合物中的金属离子的强配位作用, 导致原络合物解离, 释放出探针分子, 从而产生荧光增强或荧光淬灭的响应.
从以上分析可知, 除Arg和Cys这类含有特殊活性官能团的氨基酸之外, 其它结构相似度较高的氨基酸的精准选择性识别是未来研究要突破的难点. 同时, 由于氨基酸作为疾病诊断的生物标记物, 在血清、尿液及其它分泌物和体液中的含量一般是极其微量的, 这就要求探针对检测物氨基酸具有高的灵敏度, 同时探针还需具备对生物样品中的其它生物分子及阴离子和阳离子的抗干扰能力. 此外, 目前报道的席夫碱结构探针对氨基酸的荧光响应多在黄光和绿光的波长范围, 应用于活体成像时存在生物物质自吸收和发光的干扰, 以及穿透力不足的缺陷. 因此席夫碱型近红外荧光探针的开发是拓展该类探针应用于生物体内氨基酸识别与检测的关键问题之一. 另外一个值得关注的问题是, 在20种常见氨基酸中, 有19种具有手性, 虽然在自然界中它们大部分是以L-构型存在, 但在上世纪中叶, 在乳草蝽的组织和细菌的细胞壁中发现了D-氨基酸, 随后越来越多的研究证实了D-氨基酸的存在, 其也参与生命活动, 而且与相关疾病的发病机制相关. 因此设计手性结构的席夫碱型荧光探针对映选择性识别手性氨基酸是该领域一个值得关注的研究方向.
(Li, L.)
[1]
Kelly, B.; Pearce, E. L. Cell Metab. 2020, 32(2), 154.

[2]
Jungnickel, K. E. J.; Parker, J. L.; Newstead, S. Nat. Commun. 2018, 9, 550.

DOI PMID

[3]
Vong, L. B.; Trinh, N.-T.; Nagasaki, Y. J. Control. Release 2020, 326, 140.

[4]
Zhang, L.; Sui, C.; Yang, W.; Qiuhua, L. Asian J. Pharm. Sci. 2020, 15(2), 19.

[5]
Lyu, S.; Cai, Z.; Yang, Q.; Liu, J.; Yu, Y.; Pan, F.; Zhang, T. Food Chem. 2024, 451, 139337.

[6]
Santos, L. G.; Martins, V. G. Food Hydrocolloids 2024, 146, 109292.

[7]
Liu, T.; Peng, Z.; Lai, M.; Hu, L.; Zhao, J. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 4270.

[8]
Mayer, R. J.; Moran, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202212237.

[9]
Kim, D.; Han, S. A.; Kim, J. H.; Lee, J.-H.; Kim, S.-W.; Lee, S.-W. Adv. Mater. 2020, 32, 1906989.

[10]
Hilt, Z. T.; Morrell, C. N. Circulation 2020, 142, 1.

[11]
Gunarathne, R.; Guan, X.; Feng, T.; Zhao, Y.; Lu, J. Adv. Res. 2025, 70, 571.

[12]
McCann, J. R.; Rawls, J. F. Annu. Rev. Microbiol. 2023, 77, 479.

[13]
Lynch, C. J.; Adams, S. H. Nat. Rev. Endocrinol. 2014, 10, 723.

[14]
Kikushige, Y.; Miyamoto, T.; Maeda, T.; Akashi, K. Blood 2019, 134, 2516.

[15]
Vanweert, F.; Neinast, M.; Tapia, E. E.; van de Weijer, T.; Hoeks, J.; Schrauwen-Hinderling, V. B.; Blair, M. C.; Bornstein, M. R.; Hesselink, M. K. C.; Schrauwen, P.; Arany, Z.; Phielix, E. Nat. Commun. 2022, 13, 3508.

DOI PMID

[16]
Verkerke, A. R. P.; Wang, D.; Yoshida, N.; Taxin, Z. H.; Shi, X.; Zheng, S.; Li, Y.; Auger, C.; Oikawa, S.; Yook, J.-S.; Granath-Panelo, M.; He, W.; Zhang, G.-F.; Matsushita, M.; Saito, M.; Gerszten, R. E.; Mills, E. L.; Banks, A. S.; Ishihama, Y.; White, P. J.; McGarrah, R. W.; Yoneshiro, T.; Kajimura, S. Cell 2024, 187, 2359.

DOI PMID

[17]
Niu, H.; Liu, J.; O'Connor, H. M.; Gunnlaugsson, T.; James, T. D.; Zhang, H. Chem. Soc. Rev. 2023, 52, 2322.

[18]
Qi, Y.-L.; Li, Y.-Z.; Tan, M.-J.; Yuan, F.-F.; Murthy, N.; Duan, Y.-T.; Zhu, H.-L.; Yang, S.-Y. Coord. Chem. Rev. 2023, 486, 215130.

[19]
Zhu, Y.-Y.; Wu, X.-D.; Gu, S.-X.; Pu, L. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 175.

[20]
Fu, S.-W.; Huang, Z.-X.; Ni, C.-Z.; Zhang, F.-Q.; Li, Y.; Zhu, Y.-Y.; Sun, Q.; Gu, S.-X. Dyes Pigm. 2025, 239, 112739.

[21]
Li, F.-F.; Yu, K.; Ni, C. Z.; Zhu, Y.-Y.; Zeng, J.; Gu, S.-X. Chin. J. Org. Chem. 2024, 44, 1862 (in Chinese).

(李非凡, 余康, 倪传志, 朱园园, 曾婕, 古双喜, 有机化学, 2024, 44, 1862.)

DOI

[22]
Ding, X.-H.; Wang, L.-Z.; Chang, Y.-Z.; Wei, C.-X.; Lin, J.-Y.; Ding, M.-H.; Huang, W. Aggregate 2024, 5, e500.

[23]
Afrin, A.; Swamy, P. C. A. Coord. Chem. Rev. 2023, 494, 215327.

[24]
Liu, Y.; Li, L.; Yue, M.; Yang, L.; Sun, F.; Xu, G.; Fu, Y.; Ye, F. Chem. Eng. J. 2022, 430, 132758.

[25]
Betiha, M. A.; Moustafa, Y. M.; El-Shahat, M. F.; Rafik, E. J. Hazard. Mater. 2020, 397, 122675.

[26]
Liang, X.; Lin, X.; Liao, H.; Hasan, M.; Gong, S.; Zhou, X. Chem. Eng. J. 2025, 507, 160606.

[27]
Kaur, M.; Kumar, S.; Yusuf, M.; Lee, J.; Brown, R. J. C.; Kim, K.-H.; Malik, A. K. Coord. Chem. Rev. 2021, 449, 214214.

[28]
Yoshinari, N.; Kuwamura, N.; Kojima, T.; Konno, T. Coord. Chem. Rev. 2023, 474, 214857.

[29]
Yang, M.; Song, W. J. Nat. Commun. 2019, 10, 5545.

[30]
Bi, G.; Liang, J.; Bian, Y.; Shan, G.; Huang, Y.; Lu, T.; Zhang, H.; Jin, X.; Chen, Z.; Zhao, M.; Fan, H.; Wang, Q.; Gan, B.; Zhan, C. Nat. Commun. 2024, 15, 2461.

[31]
Shang, X. F.; Li, J.; Guo, K. R.; Ti, T. Y.; Wang, T. Y.; Zhang, J. L. J. Mol. Struct. 2017, 1134, 369.

[32]
Li, J.; Zhang, Y.; Chen, Y.; Shang, X.; Ti, T.; Chen, H.; Wang, T.; Zhang, J.; Xu, X. J. Mol. Recognit. 2018, 31, e2657.

[33]
Shang, X.; Li, C.; Li, J.; Chen, Y.; Chen, H.; Wang, T. Heteroatom Chem. 2018, 29, e21449.

[34]
Rodado, V. R.; Dowdy, T.; Jung, J.; Dios-Esponera, A.; Lita, A.; Kramp, T.; Camphausen, K.; Gilbert, M.; Larion, M. Neuro-Onco- logy 2021, 23, vi209.

[35]
Xie, P.; Gao, G.; Liu, J.; Jin, Q.; Yang, G. J. Fluoresc. 2015, 25, 1315.

[36]
Wang, H.; Zhou, G.; Chen, X. Sens. Actuators, B 2013, 176, 698.

[37]
Yu, X. Y.; Wang, K. N.; Cao, D. X.; Liu, Z. Q.; Guan, R. F.; Wu, Q. Q.; Xu, Y. X.; Sun, Y. T.; Zhao, X. Sens. Actuators, B 2017, 250, 132.

[38]
Yang, M.; Ma, L.; Li, J.; Kang, L. RSC Adv. 2019, 9, 16812.

[39]
Singh, D.; Ibrahim, A.; Kumar, P.; Gupta, R. ChemistrySelect 2022, 7, e202202574.

[40]
Xie, Y.; Du, S.; Liu, Z.; Liu, M.; Xu, Z.; Wang, X.; Kee, J. X.; Yi, F.; Sun, H.; Yao, S. Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200303.

[41]
Huang, J.; Zhao, H.; Yu, X.; Limeng, Y.; Fan, C.; Liao, P.; Zhang, B.; Li, C.; Du, G.; Dong, Q.; Zeng, C. Dyes Pigm. 2023, 217, 111414.

[42]
Li, Y.; Tan, Z.; Zhang, Y.; Zhang, Z.; Hu, Q.; Liang, K.; Jun, Y.; Ye, Y.; Li, Y. C.; Li, C.; Liao, L.; Xu, J.; Xing, Z.; Pan, Y.; Chatterjee, S. S.; Nguyen, T. K.; Hsiao, H.; Egranov, S. D.; Putluri, N.; Coarfa, C.; Hawke, D. H.; Gunaratne, P. H.; Tsai, K. L.; Han, L.; Hung, M. C.; Calin, G. A.; Namour, F.; Guéant, J. L.; Muntau, A. C.; Blau, N.; Sutton, V. R.; Schiff, M.; Feillet, F.; Zhang, S. X.; Lin, C. R.; Yang, L. Science 2021, 373, 662.

[43]
Singh, G. T.; Diksha; Mohit; Suman; Shilpy; Devi, A.; Gupta, S.; Yadav, R.; Sehgal, R. J. Mol. Struct. 2022, 1262, 132967.

[44]
Sinha, A. K.; Laursen, M. F.; Brinck, J. E.; Rybtke, M. L.; Hjørne, A. P.; Procházková, N.; Pedersen, M.; Roager, H. M.; Licht, T. R. Nat. Microbiol. 2024, 9, 1964.

[45]
Pundi, A.; Chang, C. J.; Chen, Y. S.; Chen, J. K.; Yeh, J. M.; Zhuang, C. S.; Lee, M. C. Spectrochim. Acta A 2021, 247, 119075.

[46]
Liu, Y.; Dang, C.; Yin, D.; Zheng, R.; Zhang, Z.; Zhou, Y.; Chen, J. J. Fluoresc. 2024, https://doi.org/10.1007/s10895-024-03967-4.

[47]
MacKay, M. A. B.; Kravtsenyuk, M.; Thomas, R.; Mitchell, N. D.; Dursun, S. M.; Baker, G. B. Front. Psychiatry 2019, 10, 25.

[48]
Dhanya, T. M.; Krishnan, A.; Krishna, G. A.; Francis, S.; Aswathy, P. V.; Augustine, M.; Shanty, A. A.; Divya, K. M.; Savitha, D. P.; Mohanan, P. V. Bioorg. Chem. 2023, 136, 106525.

[49]
Shen, Z.; Xiang, M.; Chen, C.; Ding, F.; Wang, Y.; Shang, C.; Xin, L.; Zhang, Y.; Cui, X. Biomed. Pharmacother. 2022, 151, 113125.

[50]
Halpern, B. P. J. Nutr. 2000, 130, 910S.

[51]
Ranjani, M.; Thiruppathi, G. A.; Keerthana, V.; Ramya, M.; Kalaivani, P.; Selvakumar, S.; Shankar, R.; Srinivasan, K.; Sundararaj, P.; Prabhakaran, R. Dalton Trans. 2024, 53, 16941.

DOI PMID

文章导航

/