肽的人工合成

第六章第六章 肽的人工合成肽的人工合成前言前言20世纪初，世纪初，fischer 创立蛋白质的多肽结构学说创立蛋白质的多肽结构学说 1932年，年，Bergmann采用苄氧羰酰基作为氨基保护基采用苄氧羰酰基作为氨基保护基 同时期同时期Curtius创立酰氯法，叠氮法活化羧基的肽键生成法创立酰氯法，叠氮法活化羧基的肽键生成法50年代初，年代初，Wieland等发展了活化酯法和混合酸酐法等发展了活化酯法和混合酸酐法1953年，年，Vigneaud首次化学合成了多肽激素催产素首次化学合成了多肽激素催产素1963年，年，Schwyzer合成合成24aa的促肾上腺皮质激素的促肾上腺皮质激素(ACTH)1965年，我国合成年，我国合成51aa的牛胰岛素的牛胰岛素1979年，矢岛治明液相法合成牛胰年，矢岛治明液相法合成牛胰RNaseA(124aa)80年代，年代，Merrifield提出固相合成法；多肽合成仪不断发展提出固相合成法；多肽合成仪不断发展第一节第一节 肽化学合成原理和液相合成肽化学合成原理和液相合成基本步骤：基本步骤：1.-氨基和氨基和-羧基以及侧链的保护羧基以及侧链的保护 2.羧基的活化和肽键的形成羧基的活化和肽键的形成 3.脱除保护基和纯化脱除保护基和纯化 Z2 Z1 Z2 Z1XNHCHCOOH+H2NCHCOOY H2O XNHCHCO-NHCHCOOY Z3 Z2 Z1 脱保护脱保护 XNHCHCOOH+H2NCHCO-NHCHCOOY Z3 Z2 Z1 缩合缩合 XNHCHCO-NHCHCO-NHCHCOOY 保护基全脱除保护基全脱除 三肽三肽一一 氨基酸保护基氨基酸保护基 为了使肽键生成反应能够定向进行，需要对氨基酸的各为了使肽键生成反应能够定向进行，需要对氨基酸的各种官能团进行保护种官能团进行保护（一）（一）-氨基保护基：氨基保护基：常用：烷氧羰基、酰基和烷基常用：烷氧羰基、酰基和烷基基团结构基团结构名称名称脱除条件脱除条件苄氧羰酰基苄氧羰酰基（z）钯炭催化氢化法钯炭催化氢化法(H2/Pd)Na/液氨液氨,HF法等法等(CH3)3-CO-CO-叔丁氧羰基叔丁氧羰基(Boc)弱酸弱酸芴甲氧羰基芴甲氧羰基(Fmoc)碱脱除碱脱除:20%呱啶呱啶/CH2Cl2-CH2O-CO-H CH2O-CO-（二）（二）-羧基保护基羧基保护基保护基种类相对较少保护基种类相对较少-羧基保护基种类：羧基保护基种类：盐：钾盐、钠盐、三乙胺盐、三丁胺盐等盐：钾盐、钠盐、三乙胺盐、三丁胺盐等 盐是对羧基的临时性保护盐是对羧基的临时性保护 酯：甲酯和乙酯、苄酯、叔丁酯酯：甲酯和乙酯、苄酯、叔丁酯(最常用）最常用）（三）侧链的保护：（三）侧链的保护：20种种aa中有中有13种侧链需要保护种侧链需要保护Lys-NH2 和侧链羧基和侧链羧基:选择与选择与-氨基和氨基和羧基羧基不同的保护基不同的保护基 Cys-SH:甲基苄基、对氧苄基等（三氟乙酸铊甲基苄基、对氧苄基等（三氟乙酸铊/TFA脱除脱除)羟基羟基aa(Ser,Thr,Tyr)：苄基、叔丁基：苄基、叔丁基酰胺基保护：酰胺基保护：2,4,6-三甲氧苄基等（可用三甲氧苄基等（可用TFA脱除）脱除）二二 肽键生成法肽键生成法基本思路：使基本思路：使-羧基活化为羧基活化为RCOX形式，加强羰基碳形式，加强羰基碳原子的正电性，便于原子的正电性，便于-氨基进行亲和攻击而成肽氨基进行亲和攻击而成肽（一）活化酯法：（一）活化酯法：方法：方法：采用巯基、烷基、酚基和采用巯基、烷基、酚基和N-羟胺类物质（最常用：羟胺类物质（最常用：N,N-二环乙基碳二亚胺，二环乙基碳二亚胺，DCC)与与N-保护保护aa作用，使作用，使-羧基活羧基活化为酯的形式，然后进行成肽反应。化为酯的形式，然后进行成肽反应。优点：优点：中间产物可以分离、结晶、保存，便于去除副产物中间产物可以分离、结晶、保存，便于去除副产物 氨基组分的末端羧基可以不保护氨基组分的末端羧基可以不保护 对酰胺基活化特别有效对酰胺基活化特别有效（二）（二）缩合剂法：缩合剂法：重要的缩合剂：重要的缩合剂：DCC,DIC(二异丙基二异丙基DCC）等）等DCC接肽反应机理：接肽反应机理：-N=C=N-R-COOH-NH-C=N-OCOR-NH-CO-NH-N,N-二环己基脲二环己基脲（DCU）RCO-NH-R +H2N-RR-COOH+(R-CO)2O 对称酸酐对称酸酐O-酰基脲酰基脲H2N-RDCC-NH-CO-NH-（三）（三）叠氮法：叠氮法：是最古老的经典肽键生成法是最古老的经典肽键生成法(1902年），该法最少引起消旋年），该法最少引起消旋 O O O R-C-OCH3 H2NNH2 R-C-NHNH2 R NO2 R-C-N3 （酰化氨基酸酰肼）（酰化氨基酸酰肼）（酰化氨基酸叠氮）（酰化氨基酸叠氮）O H2N-R R-C-NH-R+碱碱 HN3 碱碱（四）混合酸酐法：（四）混合酸酐法：50年代提出，简单、反应快、纯度好，尤其适合小年代提出，简单、反应快、纯度好，尤其适合小肽合成肽合成 R1 R1 Z-NH-CH-COOH 叔胺叔胺(Et3N)Z-NH-CH-COO-Et3+NH R1 O O RO-COCl Z-NH-CH-C-O-C-OR H2N-R2 成肽（存在副反应）成肽（存在副反应）三三 脱保护基及纯化脱保护基及纯化（一）（一）TFA法：法：方法：将产物置于三氟乙酸方法：将产物置于三氟乙酸(TFA)中处理，以脱除保护基中处理，以脱除保护基优点：用于脱除一些不耐酸的保护基，温和，副反应少，尤优点：用于脱除一些不耐酸的保护基，温和，副反应少，尤其适合于固相合成法。曾用于胰高血糖素合成。其适合于固相合成法。曾用于胰高血糖素合成。缺点：缺点：TFA用量较大，需保护的氨基酸种类较多等用量较大，需保护的氨基酸种类较多等（二）（二）HF法：法：方法：以无水氟化氢方法：以无水氟化氢(HF)在在0 20 C处理处理3060min优点：优点：可脱除其他方法难以脱除的保护基，比可脱除其他方法难以脱除的保护基，比TFA法有效法有效缺点：缺点：HF腐蚀性强，脱除时副反应较多腐蚀性强，脱除时副反应较多（三）含硅试剂法、有机磺酸法等（三）含硅试剂法、有机磺酸法等四四 二硫键的生成二硫键的生成是蛋白质合成中最困难的工作是蛋白质合成中最困难的工作经典方法：空气氧化法、碘氧化法，收率低，副反应严重经典方法：空气氧化法、碘氧化法，收率低，副反应严重目前目前:三氟乙酸铊（三氟乙酸铊（(CF3COO)3Tl）法：）法：可先裂解可先裂解Cys的各种保护基，然后金属铊作为弱氧化剂催的各种保护基，然后金属铊作为弱氧化剂催化二硫键的生成，效率是碘氧化法的化二硫键的生成，效率是碘氧化法的2倍倍 亚砜介导法亚砜介导法（sulfoxid-directed):Cys亚砜和亚砜和CysR在酸处理下，生成的在酸处理下，生成的SH作用于亚砜的作用于亚砜的S原原子，在子，在亚砜位置处生成二硫键。用不同的亚砜位置处生成二硫键。用不同的Cys亚砜和亚砜和酸处理，酸处理，可在需要的位置定点生成二硫键。可在需要的位置定点生成二硫键。五五 合成肽的纯化和纯度鉴定合成肽的纯化和纯度鉴定纯化：凝胶过滤、离子交换层析、反向纯化：凝胶过滤、离子交换层析、反向HPLC等等鉴定：薄层层析、等电点聚焦、分析鉴定：薄层层析、等电点聚焦、分析HPLC、质、质谱法谱法 等等六六 肽的液相法合成策略与示例：肽的液相法合成策略与示例：小肽合成：逐步延长法小肽合成：逐步延长法(stepwise elongation)，从，从C-端开始端开始 逐一合成，使肽链向逐一合成，使肽链向N末端延长的方法末端延长的方法大肽合成：片段缩合法大肽合成：片段缩合法(fragment condensation)，先分段，先分段 合成小肽再缩合成大肽段，缩合时常用不易消旋合成小肽再缩合成大肽段，缩合时常用不易消旋 的叠氮法的叠氮法片段缩合法策略：片段缩合法策略：划分肽段：长度一般不超过划分肽段：长度一般不超过10个个aa残基残基 尽可能以不易消旋的尽可能以不易消旋的Gly、Pro等为肽的等为肽的C-端端 aa和保护基性质对肽段纯化难异的影响和保护基性质对肽段纯化难异的影响 构象因素影响构象因素影响 选择接肽顺序：小片段分头缩和选择接肽顺序：小片段分头缩和大片段大片段肽肽 (有时很难或不能进行有时很难或不能进行)小片段逐一缩合小片段逐一缩合(反应步骤多但产率高反应步骤多但产率高)较大片段逐一缩合（较大片段逐一缩合（常用常用)示例：牛胰示例：牛胰RNase A（124aa）的合成）的合成将将RNase A分成长短不一分成长短不一30个片段，分别以逐步延长法合成个片段，分别以逐步延长法合成从肽的从肽的C-端开始，用叠氮法小片段依次接肽，得到保护的端开始，用叠氮法小片段依次接肽，得到保护的RNase A（N-端为端为Z(苄氧酰基苄氧酰基)；C-端，端，OBzl(苄氧基苄氧基)）Cys(对甲氧苄基，对甲氧苄基，Mbzl)和和Met亚砜的还原，得到还原型保护亚砜的还原，得到还原型保护的的RNase A1mol/L三氟甲磺酸三氟甲磺酸/TFA脱保护；巯基乙醇脱保护；巯基乙醇+二硫苏糖醇；二硫苏糖醇；过过Sephadex G-25层析柱，得到去保护基的层析柱，得到去保护基的RNase A 在谷胱苷肽存在下空气氧化形成二硫键，在谷胱苷肽存在下空气氧化形成二硫键，Sephadex G-25，得到合成的，得到合成的RNase A 粗品粗品(活力活力18.9%)经过亲和层析，产物活力经过亲和层析，产物活力81.3%CM-纤维素层析，得到离子交换层析纯产物纤维素层析，得到离子交换层析纯产物95%乙醇处理，得到牛胰乙醇处理，得到牛胰RNase A结晶，酶活力结晶，酶活力100%第二节第二节 固相肽合成固相肽合成一、合成原理：一、合成原理：1963年，年，Merrifield将将aa的的C-端固定在不溶性树脂上，然端固定在不溶性树脂上，然 后后在其上依次进行氨基酸缩合，延长肽链。克服了液相合成在其上依次进行氨基酸缩合，延长肽链。克服了液相合成法中每一步产物纯化的困难，奠定了自动化肽合成的基础，法中每一步产物纯化的困难，奠定了自动化肽合成的基础，为此，为此，Merrifield于于1984年获得年获得Nobel化学奖化学奖固相法合成较之液相法简单、快速，不需每步纯化中间物固相法合成较之液相法简单、快速，不需每步纯化中间物 固相法适合固相法适合1030aa的小肽，不流失的小肽，不流失 但固相法合成肽的纯度差，大肽或高纯、大量小肽合成采但固相法合成肽的纯度差，大肽或高纯、大量小肽合成采用液相法用液相法（一）（一）Boc固相法（经典固相法（经典Merrifield法法):因氨基保护基采用可用因氨基保护基采用可用TFA脱除的脱除的Boc而得名而得名;侧链用苄醇类保护；侧链用苄醇类保护；树脂为氯甲基化或羟甲基化聚苯乙烯树脂为氯甲基化或羟甲基化聚苯乙烯,对乙酰氨基苄酯树脂对乙酰氨基苄酯树脂方法：方法：Boc-NH-CHR1-COO-+Cl-CH2-树脂树脂 C-末端末端aa与树脂结合：与树脂结合：Boc-NH-CHR1-COO-CH2-树脂树脂 用用TFA法法脱除脱除N-Boc CF3COO-+NH3-CHR1-COO-CH2-树脂树脂 三乙胺中和、洗涤三乙胺中和、洗涤 NH2-CHR1-COO-CH2-树脂树脂 在在DCC存在下与存在下与Boc-aa耦联，洗涤耦联，洗涤 Boc-NH-CHR2-CO-NH-CHR1-COO-CH2-树脂树脂 脱保护、重复接肽脱保护、重复接肽 Boc-NH-CHRn-CO-NH-CHR1-COO-CH2-树脂树脂 全部保护基脱除，全部保护基脱除，HF法等法等 目的肽目的肽（二）（二）Fmoc固相合成法：固相合成法：Fmoc固相合成法的步骤与固相合成法的步骤与Boc固相合成法类似固相合成法类似不同之处：不同之处：氨基保护基为：可用碱氨基保护基为：可用碱(20%呱啶呱啶)脱除的芴甲氧羰基脱除的芴甲氧羰基(Fmoc),侧链保护基为：可以用侧链保护基为：可以用TFA脱除的叔丁基脱除的叔丁基 树脂：采用树脂：采用90%TFA可切断的烷氧苄醇型可切断的烷氧苄醇型 或或1%TFA可切断的二烷氧苄醇型可切断的二烷氧苄醇型优点：避免最终的强酸处理优点：避免最终的强酸处理二、二、自动肽合成仪：自动肽合成仪：1966年，年，Merrifield等报道了最初的自动肽合成仪等报道了最初的自动肽合成仪一般以一般以Boc或或Fmoc固相合成法为基础，将肽合成自动化固相合成法为基础，将肽合成自动化监测：监测：Fmoc有明显的紫外吸收有明显的紫外吸收第三节第三节 酶促肽合成和半合成酶促肽合成和半合成一、基本原理：一、基本原理：利用蛋白水解酶催化肽键的形成利用蛋白水解酶催化肽键的形成优点：反应条件温和；不引起优点：反应条件温和；不引起aa消旋；消旋；不要求不要求aa侧链保护；副产物少，后处理较简单侧链保护；副产物少，后处理较简单1.酶促合成多肽的酶类：酶促合成多肽的酶类：主要有四类：主要有四类：Ser蛋白水解酶；蛋白水解酶；HS-蛋白水解酶；蛋白水解酶；羧肽酶；羧肽酶；金属蛋白酶类金属蛋白酶类2.对对aa成分的选择：成分的选择：为使反应向肽键生成方向进行为使反应向肽键生成方向进行二二 酶合成反应的几个系统：酶合成反应的几个系统：为了使反应定向进行，将参与反应的氨基组分的羧基端和羧为了使反应定向进行，将参与反应的氨基组分的羧基端和羧基组分的氨基端保护基组分的氨基端保护为提高合成反应效率，防止二次水解，创建一些特定的反应为提高合成反应效率，防止二次水解，创建一些特定的反应系统，如：系统，如：1.沉淀系统：降低产物溶解度，使其沉淀，防止水解沉淀系统：降低产物溶解度，使其沉淀，防止水解 如：如：Z-Phe-COOH+Z-Leu-NH2 Z-Phe-Leu-NH2 在凝乳酶在凝乳酶(200 mol/L)催化下，催化下，PH7反应反应20hr，收率为，收率为70 80%。随反应进行溶液逐步变褐色，黏稠化、最终完全固化随反应进行溶液逐步变褐色，黏稠化、最终完全固化2.二相系统：将缓冲液与有机溶剂搅拌成乳浊液（二相系统，二相系统：将缓冲液与有机溶剂搅拌成乳浊液（二相系统，水相一般占水相一般占25%），底物和酶在水的悬滴中反应，但生成的），底物和酶在水的悬滴中反应，但生成的产物为脂溶性的。随着反应地进行，产物自动转移至有机相产物为脂溶性的。随着反应地进行，产物自动转移至有机相中，不再与酶接触。如：中，不再与酶接触。如：Z-Glu-COOH+Ala-ODPM Z-Glu-Ala-ODPM(二苯甲酯二苯甲酯)三三 酶促半合成酶促半合成 ：对于无保护的大肽段的之间的定向衔接，无法用化学法完成，对于无保护的大肽段的之间的定向衔接，无法用化学法完成，但用蛋白水解酶的特异性可能取得成功但用蛋白水解酶的特异性可能取得成功 如：以枯草杆菌蛋白酶为催化剂，把化学合成的如：以枯草杆菌蛋白酶为催化剂，把化学合成的RNAase A小片段小片段S-肽与天然水解大片段肽与天然水解大片段S-蛋白转化成半合成蛋白转化成半合成RNAase A取得成功取得成功酶促半合成胰岛素：酶促半合成胰岛素：猪胰岛素猪胰岛素 羧肽酶羧肽酶A 去去Ala胰岛素胰岛素 胰蛋白酶胰蛋白酶 切除切除B链链Ala30 在在B30处接上叔丁氧基处接上叔丁氧基-Thr 酶促半合成人胰岛素（产率酶促半合成人胰岛素（产率90%）小结小结肽合成方法：肽合成方法：液相法液相法 固相法（肽合成仪）固相法（肽合成仪）酶促合成（半合成）法酶促合成（半合成）法原理：原理：基团保护，肽键合成，接肽，脱保护基团保护，肽键合成，接肽，脱保护蛋白质部分复习题蛋白质部分复习题简述蛋白质的结构层次以及各层次主要的特点简述蛋白质的结构层次以及各层次主要的特点和存在类型。和存在类型。蛋白质一级结构测定的基本步骤和方法。蛋白质一级结构测定的基本步骤和方法。研究蛋白质空间结构的主要方法有哪些？简述研究蛋白质空间结构的主要方法有哪些？简述其原理。其原理。举例说明各种膜蛋白及纤维蛋白的结构特点。举例说明各种膜蛋白及纤维蛋白的结构特点。试述细胞内各种蛋白质跨膜运输的机理和途径。试述细胞内各种蛋白质跨膜运输的机理和途径。试述肌肉收缩的分子机理。试述肌肉收缩的分子机理。简述肽人工合成的思路和常用方法。简述肽人工合成的思路和常用方法。