Цианин

Цианины, также называемые тетраметилиндо(ди)-карбоцианинами. ^[1] представляют собой семейство синтетических красителей, принадлежащих к группе полиметинов . Хотя название этимологически происходит от терминов, обозначающих оттенки синего , семейство цианинов охватывает электромагнитный спектр от ближнего ИК до УФ .

Химически цианины представляют собой сопряженную систему двух азота атомов ; в каждой резонансной структуре ровно один атом азота окисляется до иминия . Обычно они образуют часть азотистой гетероциклической системы . ^[2]

Основное применение цианиновых красителей — биологическая маркировка . Тем не менее, существует обширная литература как по их синтезу, так и по использованию, а цианины широко распространены в некоторых носителях CD и DVD .

Структура

Цианины:
I = стрептоцианины,
II = гемицианины,
III = Закрытые цианины

Цианины классифицируются по-разному: ^[3]

Стрептоцианины или цианины с открытой цепью :

Р ₂ Н ⁺=СН[СН=СН] _n -NR ₂ (I)

Гемицианины :

Арил=N ⁺=СН[СН=СН] _n -NR ₂ (II)

Цианины с закрытой цепью :

Арил=N ⁺=CH[CH=CH] _n -N=Арил (III)

Кроме того, эти классы признаются: ^[4]

Нейтроцианины :

Р ₂ Н ⁺=CH[CH=CH] _n -CN и R ₂ N ⁺=CH[CH=CH] _n -CHO

Мероцианины, включая спиропираны и хинофталоны .
Апоцианины

где два четвертичных атома азота соединены полиметиновой цепью. ^[5] Оба атома азота могут каждый независимо входить в состав гетероароматической группы , такой как пиррол , имидазол , тиазол , пиридин , хинолин , индол , бензотиазол и т. д.

История и использование в промышленности

Цианины были впервые синтезированы более века назад. Первоначально они использовались и используются до сих пор для увеличения диапазона чувствительности фотоэмульсий , т. е. для увеличения диапазона длин волн , которые будут формировать изображение на пленке, делая пленку панхроматической . ^[4] Цианины также используются в носителях CD-R и DVD-R . Используемые материалы в основном имеют зеленый или светло-голубой цвет и химически нестабильны. По этой причине нестабилизированные цианиновые диски непригодны для использования в архивах CD и DVD. Современные цианиновые диски содержат стабилизаторы, обычно атом металла, связанный с молекулой цианина. ^[6] что значительно замедляет ухудшение состояния. Срок хранения этих дисков часто составляет 75 лет и более. Другими красителями, используемыми в CD-R, являются фталоцианин и азо .

Использование в биотехнологии

Для применения в биотехнологии специальные цианиновые красители синтезируются из 2, 3, 5 или 7-метиновых структур с реакционноспособными группами на одном или обоих азотистых концах, так что они могут быть химически связаны либо с нуклеиновыми кислотами , либо с белковыми молекулами. Маркировка делается для целей визуализации и количественного определения. Биологические применения включают сравнительную геномную гибридизацию и генные чипы , которые используются в транскриптомике , а также различные исследования в протеомике, такие как локализация РНК, ^[7] исследования молекулярного взаимодействия с помощью флуоресцентного резонансного переноса энергии ( FRET ) и флуоресцентного иммуноанализа .

Доступны цианиновые красители с различными модификациями, такими как метильные, этильные или бутильные заместители, карбоксильные, ацетилметокси- и сульфогруппы, которые изменяют их гидрофильность. ^[8]

Зонд	Ex (нм)	эм (нм)	МВт	Квантовый выход
Сай2	489	506	714	КГ 0,12
Сай3	(512);550	570;(615)	767	КГ 0,15 ^[9]*
Cy3B	558	572;(620)	658	КГ 0,67
Cy3.5	581	594;(640)	1102	КГ 0,15
Сай5	(625);650	670	792	КГ 0,27 ^[9]
Cy5.5	675	694	1128	КГ 0,28 ^[10]
Сай7	743	767	818	КГ 0,28

Ex (нм): длина волны возбуждения в нанометрах.
Em (нм): длина волны излучения в нанометрах.
MW: Молекулярный вес
QY: Квантовый выход

* Сильно зависит от вязкости, температуры и биомолекулярных взаимодействий. ^[11]

Распространенные цианиновые красители и их использование.

Поскольку цианины дают более яркую и стабильную флуоресценцию, они могут с успехом заменить традиционные красители, такие как флуоресцеин и родамины .

Cy3 и Cy5 являются наиболее популярными, обычно используются в сочетании для обнаружения двух цветов.

Cy3 флуоресцирует зеленовато-желтым (возбуждение ~ 550 нм , излучение ~ 570 нм), а Cy5 флуоресцирует в дальней красной области (возбуждение ~ 650 нм, излучение 670 нм). ^[12] Cy3 можно обнаружить с помощью различных флуорометров, изображений и микроскопов со стандартными фильтрами для тетраметилродамина (TRITC). Благодаря высокому молярному коэффициенту экстинкции этот краситель также легко обнаруживается невооруженным глазом в гелях для электрофореза и в растворах. Cy5 стал популярной заменой дальнекрасных флуоресцентных красителей из-за его высокого коэффициента экстинкции (всего 1 наномоль можно обнаружить при гель-электрофорезе невооруженным глазом) и максимума эмиссии флуорофора в красной области, где многие ПЗС-детекторы имеют максимальную чувствительность и биологические объекты дают низкие фоновые помехи.

Сканеры ^{[ который? ]} фактически используют различные длины волн лазерного излучения (обычно 532 нм и 635 нм ) и длины волн фильтров (550–600 нм и 655–695 нм ), чтобы избежать фонового загрязнения. Таким образом, они могут легко отличать цвета Cy3 и Cy5, а также количественно определять количество меченых Cy3 и Cy5 в одном образце (многопараметрическое обнаружение). ^{[ нужна ссылка ]}

Другие цианиновые красители полезны:

Cy3.5 может заменить сульфородамин 101.

Cy5.5 представляет собой флуоресцентный краситель ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (максимум возбуждения/излучения 678/694 нм).

Cy7 представляет собой флюор ближнего ИК-диапазона, невидимый невооруженным глазом (максимум возбуждения/излучения 750/776 нм). Он используется в приложениях для визуализации in vivo , а также в качестве красителя Cy7.5.

Сульфо -цианиновые красители содержат одну или две сульфогруппы, что делает краситель Cy водорастворимым, но доступны три- и квадрисульфированные формы для еще более высокой растворимости в воде. ^[8] ПЭГилирование — еще одна модификация, придающая гидрофильность не только красителю, но и меченому конъюгату.

Номенклатура и структура

Номенклатура Cy3 и Cy5 была впервые предложена Ernst и соавт. ^[5] в 1989 году и является нестандартным, поскольку не дает никаких намеков на их химическую структуру. В исходной статье число обозначало количество метинов (как показано), а боковые цепи не были указаны. Из-за этой неоднозначности различные структуры в литературе обозначаются Cy3 и Cy5. Группы R не обязательно должны быть идентичными. В используемых красителях они представляют собой короткие алифатические цепи, одна или обе из которых оканчиваются высокореактивным фрагментом, таким как N-гидроксисукцинимид или малеимид .

Альтернативы

Было разработано множество аналогов стандартных красителей Cy 2/3/3,5/5/5,5/7/7,5 с использованием разнообразных модификаций: Красители Alexa Fluor , Dylight , Красители FluoProbes , Красители Sulfo Cy, ^[13] красители сета, ^[14] Красители IRIS от Cyanine Technologies. ^[15] и другие могут использоваться взаимозаменяемо с красителями Cy в большинстве биохимических применений, с заявленным улучшением растворимости, флуоресценции или фотостабильности. ^[16]^[17]

Хотя срок действия патентной защиты стандартной серии красителей Cy истек, наименование Cy под торговой маркой остается в силе. Следовательно, сейчас в продаже имеются красители, идентичные красителям Cy, но имеющие разные названия.

Приложения

Цианиновые красители используются для маркировки белков, антител, пептидов, зондов нуклеиновых кислот и любых других биомолекул, которые используются в различных методах флуоресцентного обнаружения: проточная цитометрия , микроскопия (в основном видимый диапазон, но также УФ , ИК ), микропланшет. анализы, микрочипы , а также «зонды со светом» и визуализация in vivo. ^[18]

Маркировка нуклеиновой кислоты

В на микрочипах экспериментах ДНК или РНК метят либо Cy3, либо Cy5, которые были синтезированы и несут реакционноспособную группу N-гидроксисукцинимидилового эфира ( NHS -эфир). Поскольку NHS-эфиры легко реагируют только с алифатическими аминогруппами , которых нет в нуклеиновых кислотах, нуклеотиды необходимо модифицировать аминоаллильными группами. Это достигается за счет включения аминоаллил-модифицированных нуклеотидов в ходе реакций синтеза. Хорошее соотношение — это метка через каждые 60 оснований, чтобы метки не располагались слишком близко друг к другу, что могло бы привести к гашения эффекту .

Маркировка белков

Для мечения белков красители Cy3 и Cy5 иногда содержат сукцинимидиловую группу для реакции с аминами или малеимидную группу для реакции с сульфгидрильной группой остатков цистеина .

Cy5 чувствителен к своей электронной среде. Изменения в конформации белка, к которому он прикреплен, приводят либо к усилению, либо к подавлению излучения. Скорость этого изменения можно измерить для определения кинетических параметров фермента. Красители можно использовать для аналогичных целей в экспериментах FRET .

Cy3 и Cy5 используются в экспериментах по протеомике, так что образцы из двух источников можно смешивать и проводить вместе в процессе разделения. ^[19]^[20] Это устраняет различия из-за различий в экспериментальных условиях, которые неизбежны, если образцы анализировались отдельно. Эти различия делают чрезвычайно трудным, если не невозможным, использование компьютеров для автоматизации сбора данных после завершения разделения. Использование этих красителей упрощает автоматизацию.

Этимология

Слово цианин происходит от английского слова «cyan», которое условно означает оттенок сине-зеленого (близкий к «аква») и происходит от греческого κυάνεος / κυανοῦς kyaneos/kyanous, что означает несколько иной цвет: «темно-синий». ".

Ссылки

^ Kvach, Maksim V.; Ustinov, Alexey V.; Stepanova, Irina A.; Malakhov, Andrei D.; Skorobogatyi, Mikhail V.; Shmanai, Vadim V.; Korshun, Vladimir A. (2008). "A Convenient Synthesis of Cyanine Dyes: Reagents for the Labeling of Biomolecules" . European Journal of Organic Chemistry . 2008 (12): 2107–2117. doi : 10.1002/ejoc.200701190 . ISSN 1099-0690 .
^ «Цианиновые красители» . Сборник химической терминологии ИЮПАК . 2014. doi : 10.1351/goldbook.C01487 .
^ Ким, Ынха; Пак, Сын Бом (2010). «Открытие новых синтетических красителей: целенаправленный синтез или комбинаторный подход?» . В Демченко Александр П. (ред.). Передовые репортеры флуоресценции в химии и биологии I: Основы и молекулярный дизайн, том 8 серии Springer по флуоресценции . Берлин: Шпрингер. п. 172. ИСБН 9783642047022 .
^ Jump up to: ^а ^б Бернет, Хорст (2008). «Метиновые красители и пигменты». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a16_487.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
^ Jump up to: ^а ^б Эрнст Л.А., Гупта Р.К., Муджумдар Р.Б., Вагонер А.С. (январь 1989 г.). «Реагенты для мечения сульфгидрильных групп цианиновыми красителями» . Цитометрия . 10 (1): 3–10. дои : 10.1002/cyto.990100103 . ПМИД 2917472 .
^ «Срок жизни архива CD-R TDK» . cdrom2go.com . Цифровые СМИ США . Проверено 3 апреля 2022 г.
^ Блоуэр, доктор медицинских наук, Ферик Э., Вейс К., Хилд Р. (декабрь 2007 г.). «Полногеномный анализ демонстрирует консервативную локализацию информационных РНК в митотических микротрубочках» . Журнал клеточной биологии . 179 (7): 1365–73. дои : 10.1083/jcb.200705163 . ПМК 2373496 . ПМИД 18166649 .
^ Jump up to: ^а ^б цианиновые красители
^ Jump up to: ^а ^б Муджумдар Б., Эрнст А., Муджумдар С.Р., Льюис С.Дж., Вагонер А.С. (март 1993 г.). «Реагенты для мечения цианиновыми красителями: сульфоиндоцианин-сукцинимидиловые эфиры». Биоконъюгатная химия . 4 (2): 105–111. дои : 10.1021/bc00020a001 . ПМИД 7873641 .
^ Умэдзава К., Мацуи А., Накамура Ю., Читтерио Д., Сузуки К. (2009). «Яркие флуоресцентные красители с возможностью настройки цвета в видимом / ближнем ИК-диапазоне: создание новых «индивидуальных» многоцветных флуорофоров на основе бордипиррометена». Химия: Европейский журнал . 15 (5): 1096–106. дои : 10.1002/chem.200801906 . ПМИД 19117043 .
^ Левит, Марсия; Ранджит, Суман (2011). «Цианиновые красители в биофизических исследованиях: фотофизика полиметиновых флуоресцентных красителей в биомолекулярных средах» . Ежеквартальные обзоры биофизики . 44 (1): 123–151. дои : 10.1017/S0033583510000247 . ISSN 1469-8994 . ПМИД 21108866 . S2CID 7345293 .
^ Джексон ИммуноИсследование. «Цианиновые красители (Cy2, Cy3 и Cy5)» . Проверено 31 октября 2008 г.
^ ООО «Сянди» . Архивировано из оригинала 03.10.2018 . Проверено 1 ноября 2013 г.
^ SETA BioMedicals
^ «Ирисовые красители | Циановые технологии» . Архивировано из оригинала 26 января 2015 г. Проверено 26 января 2015 г.
^ Сравнение FluoProbes488 с FITC, Cyanine2
^ Сравнение FluoProbes547H в конфокальной микроскопии
^ Армитидж, Брюс А. (27 января 2005 г.). «Взаимодействие цианинового красителя с ДНК: интеркаляция, связывание канавок и агрегация». Связующие ДНК и связанные с ними темы . Том. 253. С. 55–76. дои : 10.1007/b100442 . ISBN 978-3-540-22835-6 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^ Унлю М., Морган М.Э., Минден Дж.С. (октябрь 1997 г.). «Разностный гель-электрофорез: метод с одним гелем для обнаружения изменений в белковых экстрактах». Электрофорез . 18 (11): 2071–7. дои : 10.1002/elps.1150181133 . ПМИД 9420172 . S2CID 604007 .
^ Osterman IA, Ustinov AV, Evdokimov DV, Korshun VA, Sergiev PV, Serebryakova MV, Demina IA, Galyamina MA, Govorun VM, Dontsova OA (Jan 2013). "A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE" (PDF) . Proteomics . 13 (1): 17–21. doi : 10.1002/pmic.201200393 . PMID 23161590 . S2CID 9002232 . Archived from the original (PDF) on 2015-06-30 . Retrieved 2015-06-27 .

Внешние ссылки

[1] Kvach, Maksim V.; Ustinov, Alexey V.; Stepanova, Irina A.; Malakhov, Andrei D.; Skorobogatyi, Mikhail V.; Shmanai, Vadim V.; Korshun, Vladimir A. (2008). "A Convenient Synthesis of Cyanine Dyes: Reagents for the Labeling of Biomolecules" . European Journal of Organic Chemistry . 2008 (12): 2107–2117. doi : 10.1002/ejoc.200701190 . ISSN 1099-0690 .

[2] «Цианиновые красители» . Сборник химической терминологии ИЮПАК . 2014. doi : 10.1351/goldbook.C01487 .

[3] Ким, Ынха; Пак, Сын Бом (2010). «Открытие новых синтетических красителей: целенаправленный синтез или комбинаторный подход?» . В Демченко Александр П. (ред.). Передовые репортеры флуоресценции в химии и биологии I: Основы и молекулярный дизайн, том 8 серии Springer по флуоресценции . Берлин: Шпрингер. п. 172. ИСБН 9783642047022 .

[Ullmann-4] Jump up to: ^а ^б Бернет, Хорст (2008). «Метиновые красители и пигменты». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a16_487.pub2 . ISBN 978-3527306732 .

[ernst-5] Jump up to: ^а ^б Эрнст Л.А., Гупта Р.К., Муджумдар Р.Б., Вагонер А.С. (январь 1989 г.). «Реагенты для мечения сульфгидрильных групп цианиновыми красителями» . Цитометрия . 10 (1): 3–10. дои : 10.1002/cyto.990100103 . ПМИД 2917472 .

[6] «Срок жизни архива CD-R TDK» . cdrom2go.com . Цифровые СМИ США . Проверено 3 апреля 2022 г.

[7] Блоуэр, доктор медицинских наук, Ферик Э., Вейс К., Хилд Р. (декабрь 2007 г.). «Полногеномный анализ демонстрирует консервативную локализацию информационных РНК в митотических микротрубочках» . Журнал клеточной биологии . 179 (7): 1365–73. дои : 10.1083/jcb.200705163 . ПМК 2373496 . ПМИД 18166649 .

[CYanine-8] Jump up to: ^а ^б цианиновые красители

[Mujumdar_1993-9] Jump up to: ^а ^б Муджумдар Б., Эрнст А., Муджумдар С.Р., Льюис С.Дж., Вагонер А.С. (март 1993 г.). «Реагенты для мечения цианиновыми красителями: сульфоиндоцианин-сукцинимидиловые эфиры». Биоконъюгатная химия . 4 (2): 105–111. дои : 10.1021/bc00020a001 . ПМИД 7873641 .

[10] Умэдзава К., Мацуи А., Накамура Ю., Читтерио Д., Сузуки К. (2009). «Яркие флуоресцентные красители с возможностью настройки цвета в видимом / ближнем ИК-диапазоне: создание новых «индивидуальных» многоцветных флуорофоров на основе бордипиррометена». Химия: Европейский журнал . 15 (5): 1096–106. дои : 10.1002/chem.200801906 . ПМИД 19117043 .

[11] Левит, Марсия; Ранджит, Суман (2011). «Цианиновые красители в биофизических исследованиях: фотофизика полиметиновых флуоресцентных красителей в биомолекулярных средах» . Ежеквартальные обзоры биофизики . 44 (1): 123–151. дои : 10.1017/S0033583510000247 . ISSN 1469-8994 . ПМИД 21108866 . S2CID 7345293 .

[12] Джексон ИммуноИсследование. «Цианиновые красители (Cy2, Cy3 и Cy5)» . Проверено 31 октября 2008 г.

[13] ООО «Сянди» . Архивировано из оригинала 03.10.2018 . Проверено 1 ноября 2013 г.

[14] SETA BioMedicals

[15] «Ирисовые красители | Циановые технологии» . Архивировано из оригинала 26 января 2015 г. Проверено 26 января 2015 г.

[16] Сравнение FluoProbes488 с FITC, Cyanine2

[17] Сравнение FluoProbes547H в конфокальной микроскопии

[18] Армитидж, Брюс А. (27 января 2005 г.). «Взаимодействие цианинового красителя с ДНК: интеркаляция, связывание канавок и агрегация». Связующие ДНК и связанные с ними темы . Том. 253. С. 55–76. дои : 10.1007/b100442 . ISBN 978-3-540-22835-6 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[19] Унлю М., Морган М.Э., Минден Дж.С. (октябрь 1997 г.). «Разностный гель-электрофорез: метод с одним гелем для обнаружения изменений в белковых экстрактах». Электрофорез . 18 (11): 2071–7. дои : 10.1002/elps.1150181133 . ПМИД 9420172 . S2CID 604007 .

[20] Osterman IA, Ustinov AV, Evdokimov DV, Korshun VA, Sergiev PV, Serebryakova MV, Demina IA, Galyamina MA, Govorun VM, Dontsova OA (Jan 2013). "A nascent proteome study combining click chemistry with 2DE" (PDF) . Proteomics . 13 (1): 17–21. doi : 10.1002/pmic.201200393 . PMID 23161590 . S2CID 9002232 . Archived from the original (PDF) on 2015-06-30 . Retrieved 2015-06-27 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]