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上海酶聯(lián)生物研究所
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閱讀：477發(fā)布時間：2010-06-12
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多肽合成的研究及應用現(xiàn)狀
多肽是一種與生物體內(nèi)各種細胞功能都相關的生物活性物質，它的分子結構介于氨基酸和蛋白質之間，是由多種氨基酸按照一定的排列順序通過肽鍵結合而成的化合物。到現(xiàn)在，人們已在人體中發(fā)現(xiàn)和分離出一百多種肽類，關于多肽的研究與應用，也取得了巨大的進步，引發(fā)了的研究熱潮。多肽的全合成不僅具有很重要的理論意義，而且具有重要的應用價值，多肽研究成為了醫(yī)學和分子生物學研究的重點對象，世界各*國家無不撥出巨款來建立各種規(guī)模的多肽研究中心，以期在這一重要領域中取得突破性進展?，F(xiàn)在具有生物活性的多肽已經(jīng)廣泛地應用在臨床檢測、醫(yī)學研究、疾病防治和治療等三大方面。
1，多肽合成的研究歷史
多肽合成研究已經(jīng)走過了一百多年的光輝歷程，1902年，Emil Fischer首先開始關注多肽合成，由于當時在多肽合成方面的知識太少，進展也相當緩慢，直到1932年，Max Bergmann等人開始使用芐氧羰基（Z）來保護α-氨基，多肽合成才開始有了一定的發(fā)展。到了20世紀50年代，有機化學家們合成了大量的生物活性多肽，包括催產(chǎn)素，胰島素等，同時在多肽合成方法以及氨基酸保護基上面也取得了不少成績，這為后來的固相合成方法的出現(xiàn)提供了實驗和理論基礎。1963年，Merrifield提出了固相多肽合成方法（SPPS），這個在多肽化學上具有里程碑意義的合成方法，一出現(xiàn)就由于其合成方便，迅速，成為多肽合成的方法，而且?guī)砹硕嚯挠袡C合成上的一次革命，并成為了一支獨立的學科——固相有機合成（SPOS），為此，Merrifield榮獲了1984年的諾貝爾化學獎。Merrifield經(jīng)過了反復的篩選，zui終屏棄了芐氧羰基（Z）在固相上的使用，首先將叔丁氧羰基（BOC）用于保護α-氨基并在固相多肽合成上使用，同時，Merrifield在60年代末發(fā)明了*臺全自動多肽合成儀，并合成生物蛋白酶，核糖核酸酶（124個氨基酸）。1972，Lou Carpino 首先將9-芴甲氧羰基（FMOC）用于保護α-氨基，其在堿性條件下可以迅速脫除，10min就可以反應*，而且由于其反應條件溫和，迅速得到廣泛使用，以BOC和FMOC這兩種方法為基礎的各種肽自動合成儀也相繼出現(xiàn)和發(fā)展，并仍在不斷得到改造和完善。同時，固相合成樹脂，多肽縮合試劑以及氨基酸保護基，包括合成環(huán)肽的氨基酸正交保護上也取得了豐碩的成果。
2，多肽合成的原理與步驟
多肽合成是一個重復添加氨基酸的過程，固相合成順序一般從C端（羧基端）向 N端（氨基端）合成。過去的多肽合成是在溶液中進行的稱為液相合成法。從1963年Merrifield發(fā)展成功了固相多肽合成方法以來，經(jīng)過不斷的改進和完善，到今天固相法已成為多肽和蛋白質合成中的一個常用技術，表現(xiàn)出了經(jīng)典液相合成法*的優(yōu)點，從而大大的減輕了每步產(chǎn)品提純的難度。
2.1多肽合成基本原理：
先將所要合成肽鏈的羥末端氨基酸的羥基以共價鍵的結構同一個不溶性的高分子樹脂相連，然后以此結合在固相載體上的氨基酸作為氨基組份經(jīng)過脫去氨基保護基并同過量的活化羧基組分反應，接長肽鏈。重復（縮合→洗滌→去保護→中和及洗滌→下一輪縮合）操作，達到所要合成的肽鏈長度，zui后將肽鏈從樹脂上裂解下來，經(jīng)過純化等處理，即得所要的多肽。其中α-氨基用BOC（叔丁氧羰基）保護的稱為BOC固相合成法，α-氨基用FMOC（9-芴甲氧羰基）保護的稱為FMOC固相合成法。
2.2固相多肽合成的步驟：
A，樹脂的選擇及氨基酸的固定
用于多肽合成的高分子的載體主要有3類：交聯(lián)聚苯乙烯；聚酰胺：聚乙烯一乙二醇脂類樹脂。氨基酸的固定主要是通過保護的氨基酸的羧基同樹脂的反應基團之間形成共價鍵來實現(xiàn)。
B，氨基、羧基、側鏈的保護及脫除
要成功合成具有特定的氨基酸順序的多肽，需要對暫不參與形成酰胺鍵的氨基和羧基加以保護，同時對氨基酸側鏈上的活性基團也要保護，反應完成后再將保護基團除去，近年來，F(xiàn)MOC合成法得到了廣泛的應用。羧基通常用形成酯基的方法進行保護。甲酯和乙酯是逐步合成中保護羧基的常用方法。
C，成肽反應
固相中的成肽反應一般是將兩個相應的氨基被保護的及羧基被保護的氨基酸放在溶液內(nèi)并不形成肽鍵，要形成酰胺鍵，經(jīng)常用的手段是將羧基活化，變成混合酸酐、活潑酯、酰氯或用強的縮合劑（如碳二亞氨）形成對稱酸酐等方法來形成酰胺鍵。
D，裂解及合成肽鏈的純化
BOC法用TFA+HF裂解和脫側鏈保護基，F(xiàn)MOC法直接用TFA，有時根據(jù)條件不同，其它堿、光解、氟離子和氫解等脫保護方法也被采用。合成肽鏈進一步的精制、分離與純化通常采用液相色譜、親和層析、毛細管電泳等。
3，固相多肽合成的應用——多肽合成儀
多肽固相合成技術的發(fā)明同時促進了多肽合成的自動化。世界上*臺真正意義上的多肽合成儀出現(xiàn)在1980年代初期，它是利用氮氣鼓泡來對反應物進行攪拌，用計算機程序控制來實現(xiàn)有限度的自動合成。雖然在各項功能方面有著明顯的缺陷，但是它畢竟把人從實驗室里解放出來，極大地提高了工作效率。
隨著多肽科學的發(fā)展，科學家也對合成儀提出了更高的要求，從而帶動了合成儀的發(fā)展。目前多肽合成儀品種繁多。從合成量上分，可分為微克級的，毫克級的，克級的和公斤級的；從功能上分，可分為研究型的，小試型的，中試型的，普通生產(chǎn)型的和GMP生產(chǎn)型的；從自動化程度上分，可分為全自動的，半自動的和手動的；從通道上分，可分為單通道的和多通道的；從技術角度上分，可分為*代的，第二代的，和第三代的；等等。
*代多肽合成儀標志性特點是采用氮氣鼓泡的攪拌原理來對反應物進行攪拌，即合成儀上反應器是固定的，氮氣從反應器的下方通過反應器到上部排出，在這一過程中產(chǎn)生的汽泡把固相和液相混合起來。這樣設計的好處是結構簡單，成本低，但各項功能方面有著明顯的缺陷，目前采用氮氣鼓泡方式的*代多肽合成儀已大部分退出了市場。
第二代多肽合成儀標志性特點是用不*性的機械攪拌來取代氮氣鼓泡，一般可分為接觸式攪拌與非接觸式攪拌兩種。
接觸式攪拌常見的攪拌方式是伸入反應器內(nèi)部的螺旋槳由上部的電機帶動進行快速旋轉，使反應器內(nèi)部的固液兩相進行混合。但攪拌方式帶來的不利因素如清洗障礙，合成量低，反應死角等也不容忽視，目前*共大多數(shù)多肽合成儀生產(chǎn)廠商放棄了接觸式攪拌方法。
機械性非接觸式攪拌的主要原理是反應器在直立下圍繞原點作左右擺動，或者圓周運動。這種由反應器本身的運動而帶動里面固液兩相混合的方法克服了接觸式攪拌帶來的缺點，合成產(chǎn)量和純度也明顯好于用氮氣鼓泡的*代合成儀。所以機械性非接觸式攪拌成為了多肽合成儀的主流。但是由于這種攪拌方法不能真正消除反應死角，所以科學家們并沒有滿足而停下他們追求的腳步。
第三代多肽合成儀其反應器轉動方式有別于前兩代的多肽合成儀，即反應器上方相對固定，而下方作圓周360度快速旋轉，帶動反應器里的固液兩相從底部向上作螺旋運動，一直達到反應器的zui上方，真正做到了*。*多肽合成儀的另一種方式是反應器在數(shù)控馬達的帶動下作上下180度的翻轉運動。固相和液相在運動過程中不斷從反應器的一端到達另一端再返回來。一般用這種儀器合成出來的肽純度是zui高的，且適合于擴大生產(chǎn)。
隨著多肽藥物科研和生產(chǎn)的不斷升溫，市場對儀器的需求還會持續(xù)增長，現(xiàn)在*已有十幾家公司專門從事多肽合成的研究和開發(fā)工作，而且已有較為成型的產(chǎn)品和設備問世。其中，多肽合成儀的商業(yè)化開發(fā)相對成熟，美國的CEM公司是世界上非常有影響的多肽合成儀提供商，它開發(fā)的Liberty研究級微波多肽合成儀，能一次性合成長達111個氨基酸的多肽，創(chuàng)造單次合成多肽的zui長記錄，是目前*增長速度zui快的研究級全自動多肽合成儀，并被美國Brookhaven國家實驗室以及安進公司應用于SARS和艾滋病的藥物研究。此外，美國的PTI公司已經(jīng)發(fā)展成為集多肽合成儀制造、多肽合成試劑生產(chǎn)、以及其它相關產(chǎn)品研發(fā)及的大公司，其產(chǎn)品線囊括了多通道，生產(chǎn)型等各個層次滿足科研用戶及企業(yè)的需求；美國PSI公司研制出世界上*臺擁有獨立知識產(chǎn)權的、*符合美國FDA認證要求的大規(guī)模全自動多肽合成儀，建立了在本領域內(nèi)的地位，PSI的6大系列多肽合成儀能全面滿足各類用戶的多種需求，并可根據(jù)客戶需求量身訂制合成儀；美國ABI公司前兩年推出的433系列全自動多肽合成儀，為學者和機構提供了針對的服務良好的；美國CS Bio公司開發(fā)了各種規(guī)模的全系列多肽合成儀，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)成為性多肽合成儀生產(chǎn)商，公司產(chǎn)品遍布，由于其優(yōu)良的產(chǎn)品性能和良好的用戶口碑，CS Bio合成儀在中國的*相當可觀；美國AAPPTEC公司成立于2005年3月，公司的前身是ACT（Advanced ChemTech）公司的儀器部，近年來，AAPPTEC公司在全自動多肽合成儀領域，針對不同的需求研發(fā)出數(shù)十種類型的儀器，加上長期實際應用驗證的可靠性，這些儀器均可滿足不同客戶的不同需求，而且使用起來都相當便利。
4，固相多肽合成的前景
固相多肽合成已經(jīng)有近50年的歷史了，其技術亦比較成熟,多肽合成技術不斷完善,從小規(guī)模、短肽鏈合成發(fā)展到大規(guī)模、長肽鏈的合成?；瘜W多肽制備蛋白質與從純化蛋白質開始制備抗體比較，不僅省時省事省錢，而且特異性高。通常從蛋白質序列中選擇、合成多肽到制備出抗體，只需2-3個月，而從基因表達、蛋白質純化到抗體產(chǎn)生至少需要2-3年，而且蛋白質家族成員和種間的特異性不能保證。例如，2003 年上市的抗愛滋病藥物T-20就是一個全合成的36個氨基酸殘基組成的小肽藥物。上世紀90年代,組合化學與多肽合成技術相結合后,又出現(xiàn)了組合肽庫的合成,對化學、生化、醫(yī)藥、分子生物學等領域起到了巨大的推動作用，隨著蛋白質組學的研究深入，在多肽研究發(fā)展過程中,對保護氨基酸的要求也不斷提高,使之不斷改進，對于多肽化學的要求不僅僅是合成方法，而更多的集中在多肽標記與修飾方法，以及蛋白結構與功能模擬多肽的合成以及長肽或蛋白合成。至今，人們的要求已經(jīng)從合成一些較短的肽鏈，延伸到了能否利用從生物體合蛋白質的原理，研究合成出人們理想的任意肽段，這也是今后多肽合成的發(fā)展趨勢。
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