摘要：多肽是非常重要的生物活性物质, 其化学合成有着很重要的意义。近年来, 由于固相多肽合成省时、省力、省料、便于计算机控制等优点尤为突出, 得到大力发展。本文综述了固相合成的基本原理、实验过程, 对其现状进行分析并展望了今后的发展趋势。
关键词： 多肽 固相合成 综述
前言
多肽是涉及生物体内各种细胞功能的生物活性物质。它是分子结构介于氨基酸和蛋白质之间的一类化合物, 由多种氨基酸按照一定的排列顺序通过肽键结合而成。到现在, 人们已发现和分离出一百多种存在于人体的肽, 对于多肽的研究和利用, 出现了一个空前的繁荣景象。多肽的全合成不仅具有很重要的理论意义, 而且具有重要的应用价值。通过多肽全合成可以验证一个新的多肽的结构;设计新的多肽, 用于研究结构与功能的关系;为多肽生物合成反应机制提供重要信息;建立模型酶以及合成新的多肽药物等。
多肽的化学合成技术无论是液相法还是固相法都已成熟[1]。近几十年来, 固相法合成多肽更以其省时、省力、省料、便于计算机控制、便于普及推广的突出优势而成为肽合成的常规方法并扩展到核苷酸合成等其它有机物领域。本文概述了固相合成的基本原理、实验过程, 对其现状进行分析并展望了今后的发展趋势。
1. 固相合成的基本原理
多肽合成是一个重复添加氨基酸的过程, 合成一般从C端 (羧基端) 向N端 (氨基端) 合成。过去的多肽合成是在溶液中进行的, 但自从1963年Merrifield发展成功了固相多肽合成方法以来, 经过不断的改进和完善, 到今天固相法已成为多肽和蛋白质合成中的一个常用技术, 表现出了经典液相合成法无法比拟的优点[2]。其基本原理是:先将所要合成肽链的羟末端氨基酸的羟基以共价键的结构同一个不溶性的高分子树脂相连, 然后以此结合在固相载体上的氨基酸作为氨基组份经过脱去氨基保护基并同过量的活化羧基组分反应, 接长肽链。重复 (缩合→洗涤→去保护→中和和洗涤→下一轮缩合) 操作, 达到所要合成的肽链长度, 最后将肽链从树脂上裂解下来, 经过纯化等处理, 即得所要的多肽。其中α-氨基用BOC (叔丁氧羰基) 保护的称为BOC固相合成法, α-氨基用FMOC (9-芴甲氧羰基) 保护的称为FMOC固相合成法。
2. 固相合成的具体试验过程
2.1 树脂的选择及氨基酸的固定
将固相合成与其他技术分开来的最主要的特征是固相载体, 能用于多肽合成的固相载体必须满足如下要求:必须包含反应位点 (或反应基团) , 以使肽链连在这些位点上, 并在以后除去;必须对合成过程中的物理和化学条件稳定;载体必须允许在不断增长的肽链和试剂之间快速的、不受阻碍的接触;另外, 载体必须允许提供足够的连接点, 以使每单位体积的载体给出有用产量的肽, 并且必须尽量减少被载体束缚的肽链之间的相互作用[3]。用于固相法合成多肽的高分子载体主要有三类:聚苯乙烯-苯二乙烯交联树脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯-乙二醇类树脂及衍生物, 这些树脂只有导入反应基团, 才能直接连上 (第一个) 氨基酸。根据所导入反应基团的不同, 又把这些树脂及树脂衍生物分为氯甲基树脂、羧基树脂、氨基树脂或酰肼型树脂。BOC合成法通常选择氯甲基树脂, 如Merrifield树脂;FMOC合成法通常选择羧基树脂如王氏树脂。氨基酸的固定主要是通过保护氨基酸的羧基同树脂的反应基团之间形成的共价键来实现的, 形成共价键的方法有多种:氯甲基树脂, 通常先制得保护氨基酸的四甲铵盐或钠盐、钾盐、铯盐, 然后在适当温度下, 直接同树脂反应或在合适的有机溶剂如二氧六环、DMF或DMSO中反应;羧基树脂, 则通常加入适当的缩合剂如DCC或羧基二咪唑, 使被保护氨基酸与树脂形成共酯以完成氨基酸的固定;氨基树脂或酰肼型树脂, 却是加入适当的缩合剂如DCC后, 通过保护氨基酸与树脂之间形成的酰胺键来完成氨基酸的固定。
2.2 氨基、羧基、侧链的保护及脱除
要成功合成具有特定的氨基酸顺序的多肽, 需要对暂不参与形成酰胺键的氨基和羧基加以保护, 同时对氨基酸侧链上的活性基因也要保护, 反应完成后再将保护基因除去。同液相合成一样, 固相合成中多采用烷氧羰基类型作为α氨基的保护基, 因为这样不易发生消旋。最早是用苄氧羰基, 由于它需要较强的酸解条件才能脱除, 所以后来改为叔丁氧羰基 (BOC) 保护, 用TFA (三氟乙酸) 脱保护, 但不适用含有色氨酸等对酸不稳定的肽类的合成。1978年, chang Meienlofer和Atherton等人采用Carpino报道的Fmoc (9-芴甲氧羰基) 作为α氨基保护基, Fmoc基对酸很稳定, 但能用哌啶-CH2CL2或哌啶-DMF脱去[4], 近年来, Fmoc合成法得到了广泛的应用。羧基通常用形成酯基的方法进行保护。甲酯和乙酯是逐步合成中保护羧基的常用方法, 可通过皂化除去或转变为肼以便用于片断组合;叔丁酯在酸性条件下除去;苄酯常用催化氢化除去。对于合成含有半胱氨酸、组氨酸、精氨酸等带侧链功能基的氨基酸的肽来说, 为了避免由于侧链功能团所带来的副反应, 一般也需要用适当的保护基将侧链基团暂时保护起来。保护基的选择既要保证侧链基团不参与形成酰胺的反应, 又要保证在肽合成过程中不受破坏, 同时又要保证在最后肽链裂解时能被除去。如用三苯甲基保护半胱氨酸的S-, 用酸或银盐、汞盐除去;组氨酸的咪唑环用2, 2, 2-三氟-1-苄氧羰基和2, 2, 2-三氟-1-叔丁氧羰基乙基保护, 可通过催化氢化或冷的三氟乙酸脱去。精氨酸用金刚烷氧羰基 (Adoc) 保护, 用冷的三氟乙酸脱去。
2.3 成肽反应
固相中的接肽反应原理与液相中的基本一致, 将两个相应的氨基被保护的及羧基被保护的氨基酸放在溶液内并不形成肽键, 要形成酰胺键, 经常用的手段是将羧基活化, 变成混合酸酐、活泼酯、酰氯或用强的失去剂 (如碳二亚氨) 形成对称酸酐等方法来形成酰胺键。其中选用DCC、HOBT或HOBT/DCC的对称酸酐法、活化酯法接肽应用最广[5]。
2.4 裂解及合成肽链的纯化
BOC法用TFA+HF裂解和脱侧链保护基, FMOC法直接用TFA, 有时根据条件不同, 其它碱、光解、氟离子和氢解等脱保护方法也被采用。合成肽链进一步的精制、分离与纯化通常采用高效液相色谱、亲和层析、毛细管电泳等[6]。
3. 固相合成的特点及存在的主要问题
固相合成法对于肽合成的显著的优点:简化并加速了多步骤的合成;因反应在一简单反应器皿中便可进行, 可避免因手工操作和物料重复转移而产生的损失;固相载体共价相联的肽链处于适宜的物理状态, 可通过快速的抽滤、洗涤未完成中间的纯化, 避免了液相肽合成中冗长的重结晶或分柱步骤, 可避免中间体分离纯化时大量的损失[7];使用过量反应物, 迫使个别反应完全, 以便最终产物得到高产率;增加溶剂化, 减少中间的产物聚焦;固相载体上肽链和轻度交联的聚合链紧密相混, 彼此产生一种相互的溶剂效应, 这对肽自聚集热力学不利而对反应适宜。固相合成的主要存在问题是固相载体上中间体杂肽无法分离[8], 这样造成最终产物的纯度不如液相合成物, 必需通过可靠的分离手段纯化。
4. 固相合成的研究发展前景
固相多肽合成已经有40年的历史了, 然而到现在, 人们还只能合成一些较短的肽链, 更谈不上随心所欲地合成蛋白质了[9], 同时合成中的试剂毒性, 昂贵费用, 副产物等一直都是令人头痛的问题, 而在生物体内, 核糖体上合成肽链的速度和产率都是惊人的, 那么, 是否能从生物体合成蛋白质的原理上得到一些启发, 应用在固相多肽合成 (树脂) 上, 这是一个令人感兴趣的问题, 也许是今后多肽合成的发展。
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