La ligadura de Staudinger es una modificación de la reacción de Staudinger , ampliamente utilizada en biología química y bioconjugación para la unión covalente de biomoléculas con marcadores de bajo peso molecular, así como para el etiquetado de células en organismos vivos. La reacción fue propuesta en 2000 por el grupo de C. Bertozzi [1] . Dado que los grupos funcionales involucrados en ella ( azida y fosfina ) prácticamente no están representados en los organismos y no tienden a interactuar con compuestos naturales, la ligadura de Staudinger se refiere a reacciones bioortogonales .
La ligadura de Staudinger fue el primer ejemplo de una reacción bioortogonal capaz de ocurrir en las células de los organismos vivos sin interferir con los procesos bioquímicos naturales. Su descubrimiento provino de la búsqueda de reacciones químicas entre grupos funcionales que son raros en las biomoléculas y, como resultado, tienen una reactividad completamente diferente a la de los grupos funcionales naturales más comunes.
Según la teoría de los ácidos y bases duros y blandos , la azida y la fosfina son electrófilos y nucleófilos blandos , respectivamente, mientras que las biomoléculas contienen principalmente nucleófilos duros, que no pueden reaccionar con las azidas.
Usando el ejemplo de las drogas ( azidotimidina ), se demostró que las azidas son biocompatibles y que las fosfinas prácticamente no se encuentran en las biomoléculas [2] y no restauran los enlaces disulfuro .
La reacción se basa en la interacción de la azida , que es un electrófilo blando, y la fosfina , un nucleófilo blando. En la primera etapa, se produce la adición nucleófila de fosfina al átomo de nitrógeno terminal del grupo azida, lo que da como resultado la formación de fosfazida 1 . Además, a través de la formación intermedia de un anillo 2 de cuatro miembros, la fosfazida se separa de una molécula de nitrógeno y forma iminofosforano 3 . En la reacción clásica de Staudinger, esta etapa era la final, después de la cual el iminofosforano generalmente se sometía a hidrólisis con la formación de dos productos: una amina y un óxido de fosfina. La modificación propuesta por C. Bertozzi consiste en introducir un grupo éster en uno de los sustituyentes arilo de la fosfina a modo de trampa electrofílica. En este caso, el átomo de nitrógeno nucleofílico del iminofosforano ataca al grupo éster para formar el producto bicíclico 4 . La hidrólisis del enlace P—N da un producto final 5 en el que la biomolécula y el marcador están unidos mediante un fuerte enlace amida [3] .
Poco después de la publicación de C. Bertozzi, se propusieron varias variantes de la ligadura de Staudinger, en las que el óxido de fosfina formado en la reacción se elimina del producto final por hidrólisis. Esta modificación se llama ligadura sin rastro según Staudinger . Desde un punto de vista químico, la eliminación del óxido de fosfina se realizó modificando los reactivos de tal manera que la fosfina terminara en la parte de alcohol del éster y se escindiera cuando el átomo de nitrógeno nucleofílico del intermedio iminofosforano fuera atacado.
El grupo de R. T. Raines insertó un resto de mercaptano auxiliar en la fosfina para transesterificar el tioéster del aminoácido protegido. Cuando se introduce azida en la reacción, se forma iminofosforano, como resultado de la transposición en la que la fosfina se separa y luego se hidroliza con agua. Este enfoque se ha aplicado a la síntesis del péptido y puede convertirse en una alternativa a la ligadura química nativa [4] .
Saxon y Bertozzi también propusieron sus reactivos de fosfina para la ligadura de Staudinger sin trazas, demostrando las posibilidades de la reacción utilizando un nucleósido que contiene azida como ejemplo [5] .
Se ha utilizado un enfoque similar para la síntesis de glicoproteínas. En este caso, se introdujo fosfina en el grupo éster del carbohidrato modificado, que luego reaccionó con una proteína que contenía azida para formar un producto en el que el carbohidrato y la proteína estaban unidos por un fuerte enlace amida [6] .
La reacción se utilizó para modificar biomoléculas que contenían azida con varios marcadores de bajo peso molecular ( biotina , colorantes fluorescentes, péptido FLAG ), así como para conjugar péptidos, proteínas, modificar superficies, etc. [7]