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环肽的固相合成策略!!!!

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环肽的固相合成(由于图片不能发,如果哪位大虾有兴趣请与我联系索取,
ccauyn2004@163.com,本文由本人亲自撰写,谢谢支持!!)

摘要:环肽是一种较线性多肽更为稳定的具有多种生理功能和医药价值的环状多肽。固相合成或树脂合成是环肽化学合成中使用得最普遍的一种技术,主要是将线性肽链按照一定策略锚定在固相树脂上,然后进行链的延伸和环化并最后将目标环肽从树脂上脱下。固相合成主要包括头尾锚定型的合成策略和侧链锚定型合成策略,本文就这两种策略的最新研究进展进行了概述。

关键词:环肽;固相合成;环化

1.  引言

在蛋白质分子中,氨基酸之间是以肽键(peptide bond)相连的。肽键就是一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的键。氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽(peptide)。两个氨基酸形成的肽叫二肽,三个氨基酸形成的肽叫三肽……,十个氨基酸形成的肽叫十肽,一般将十肽以下称为寡肽(oligopeptide),以上者称多肽(polypeptide)或称多肽链。[1]根据肽链的构成可将多肽分为同聚肽(Homomeric)和杂聚肽(Heteromeric)两大类,前者完全由氨基酸组成,后者是由氨基酸部分和非氨基酸部分组成的,如糖肽。根据肽键的结构又分为直链肽和环肽。几个氨基酸之间以肽键连接起来形成的环状多肽即环肽。环肽可分为两类,一类为纯环肽(Homodetic cyclopeptide)[2],氨基酸之间均以酰胺键相连;另一类为杂环肽(Heterodetic Cyclopeptide),结构中除酰胺键外还有酯键、醚键、硫酯键和二硫键等。环肽在自然界中分布广泛,这些环肽的含量虽然低,但是它们可以激活体内有关酶系,促进中间代谢膜的通透性,或通过控制DNA转录或翻译而影响特异的蛋白合成,最终产生特定的生理效应或发挥其药理作用。因此受到国内外许多化学家、生物学家和药学家的重视。早在1944年,Gause 从细菌中分离出环十肽短杆菌肽GS(Gramicidin S),GS对革兰氏阳性菌有很强的抗菌能力[15]。脑下垂体后叶激素中催产素(Oxytocin)[4]与加压素(Vasopressin)[5]均为最早研究的杂环肽,它们的结构中均含硫—硫键。
Pettic等[6]从印度海兔中提取分离了9种抗肿瘤与细胞毒的Dolastatins(见Figure1),其中Dolastatin3 为含有两个噻唑氨基酸(Thz)的环五肽c[Pro-Leu-Val-(glu)Thz-(gly)Thz]。Guillemin等[7]从50万头羊的下丘脑中分离得到了8.5mg生长激素释放抑制因子(见Figure1)Somatostatin(SRIH),它是一个含二硫键的环十四肽激素,它不但能抑制生长激素的释放,而且还能抑制许多其它生理活性物质的释放,如胰高血糖素和胰岛素等。由于它分布在脊髓节和各种脑区域中,所以化学家们推测其可能有神经递质的作用。

Figure1.Structure of Doslatin and SRIH
最近,Assunta Napolitano等人从海绵中提取得到了一种具有免疫调节功能的环肽hymenamide C[cyclo(Leu-Trp-Pro3-Phe-Gly-Pro6-Glu)],结构见Figure2[8]。并通过固相合成方法成功的进行了化学合成[9]。Li Chao-Ming[10]等人从annona muricata中分离得到了一系列的具有生理功能的环肽,并详细研究了其结构。

Figure2.Structure of Hymenamide C and iso- Hymenamide C
随着环肽化学结构和生理功能研究方面的突出进展,以及活性肽市场的迅速扩张,使得 生物活性肽的研究开发作为国际上新兴的生物高科领域,成为21世纪具有极大市场潜力的朝阳产业。
2.环肽的化学合成
2.1.环肽主要合成策略
由于环肽在自然界中的含量很低,早期对环肽化学结构和活性类似物研究的需要促使科学家们着手研究环肽的化学合成[11]。根据环肽的环合方式又分为首尾相连环肽(Head-to-tail)、侧链和侧链相连环肽(Sidechain-to-sidechain)、侧链和端基相连环肽(Sidechain-to-end)、含二硫桥的环肽(Disufide-bridge)、以及含有其他桥连结构的环肽。[12]
按照合成方法来分,主要有液相合成法和固相合成法。溶液法是经典的合成方法,线型肽成环属于分子内反应,为避免发生分子间反应生成线性或环状的二聚和多聚体,一般在高度稀释的溶液(10-3~10-4mol/L)中进行溶液法合成环肽可直接反应,即将脱保护后的线型肽前体直接在缩合试剂的缩合下成环,也可先将一端(一般为C端)活化,然后成环。C端活化成环常用的方法有活泼酯法、叠氮法和混合酸酐法等。溶液法合成主要用于合成首尾相连的环肽。随着固相合成技术的日趋完善,由于其反应不需在高度稀释的溶液中进行,过量的缩合试剂及副产物可通过洗涤与过滤除去等一系列优点,使得大家越来越倾向于固相法合成环肽,尤其是中环肽的合成[13]。
2.2.环肽的固相合成
固相法合成环肽是在树脂上环化,然后脱落下来,因而避免了分子间的二聚和多聚体的形成。近年来随着较温和的正交保护策略的发展和有效的缩合试剂的出现以及分离手段的不断发展,越来越多的人倾向用固相法合成环肽,尤其是用于中环肽的合成。固相合成常用MBHA,Oxime 和PAM 等树脂。氨基酸的侧链(如Asp,Glu 的侧链羧基;Ser,Thr等的侧链羟基)及羧端均可通过缩合反应固载在树脂上,若按氨基酸的C端固定在树脂上的方式可以分为三种:(1)头/尾锚定。一般利用C端的羟基将肽链结合在树脂上,然后脱去N端保护,游离的氨基进攻接在树脂上的C末端,成环的同时目标环肽从树脂上脱下。(2)侧链锚定。主要是将肽链的侧链连接在树脂上,待目标环形成后用相应化学方法脱下。

Figure 3. Structure of the monomer of resins used in solid-phase synthesis
2.2.1. 头/尾锚定型合成策略
这种合成方法主要用于合成寡环肽,其基本策略是在肽链N末端保护的情况下将其C末端固定在树脂上,然后去保护的N端氨基会攻击树脂上的肽链C末端,在成环的同时目标环肽从树脂上脱落下来。Oxime树脂常用于头-尾合成的Boc保护策略。Oxime树脂的特点是线型肽的N端可温和的条件下进攻固载在树脂上的酯基中的羰基,成环后从树脂上脱下,但由于载有肽链的Oxime树脂对碱不太稳定,因此每接一次氨基酸,肽链有可能从树脂上脱下来,造成目标环肽产率偏低[13]。90年代这种合成方法有了重大的进步,首先在树脂上连上一种稳定的连接臂,然后将NDUAN端保护的肽链的C端连接在连接臂上,去N端保护后,N末端氨基攻击肽链的C端成环并脱下(见Figure 4)。


Figure 4.Two different strategy of head-tail synthesis

Szardenings AK[14]等人利用PAM树脂,首先将第一个氨基酸通过酯化反应把其C端连接在树脂上,然后再通过一系列方法接上其余肽链结构,将肽链N末端用Boc保护。最后去保护成环并在TFA的作用下从树脂上脱下,成功的合成了2,5-二酮哌嗪(DKP)的环状二肽(见Figure 5)。

Figure 5.Strategy of the synthesis of DKP
也有首先锚定N端,然后再通过上述方法成功合成环肽的实例。Bang JK等人[2] 利用固相合成技术,通过Horner-Emmons反应成功合成了一种HIV-1型蛋白质的类似环肽化合物,并能够被HIV-1型蛋白酶裂解,表现出生物活性。该合成主要是先Fmo和Trt分别保护前体侧链氨基和末端羟基,接着在侧链氨基上连上另一前体链并把羟基最后氧化成羧酸,在缩合试剂EDC的作用下成环,并利用TFA将环肽从树脂上脱下来。(见Figure 6.)


Figure 6. Synthetic scheme for the cyclic olefin peptide.
2.2.2.侧链锚定型的合成策略
该策略主要是将易于与树脂形成稳定化学键的侧链氨基酸或其他基团在肽链末端保护的情况下连接在树脂上,然后经过一系列的反应形成目标线性肽链,再脱掉保护基团,利用合适的缩合试剂使肽链形成目标环肽,最后用化学试剂(eg.TFA)将锚定的化学键去除即得到目标产物。
George Barany等[16]人成功的利用这种固相合成技术,将一种新型的半光氨酸衍生物引入合成策略,合成了简单环肽(Cys-Thr-Abu-Gly-Gly-Ala-Arg-Pro-Asp-Phe),产率大幅度提高。并分别在PEGA,CLEAR,PEG-PS树脂上进行了分别实验,均得到了较高的产率。其合成步骤是首先Fmoc-Asp-Oal的侧链锚定在已经连接上连接臂的树脂上,然后按照顺序逐步加上其余氨基酸,首尾成环后用TFA将Asp于连接臂的化学键去掉即得到目标环肽。(见Figure 7)



Figure 7.Synthesis of cyclo(Cys-Thr-Abu-Gly-Gly-Ala-Arg-Pro-Asp-Phe) on solid phase

Wang DX等[17]人首先将酪氨酸的C端羟基直接连在树脂上,然后再连上一系列的化合物形成链状多肽,成环后在THF作用下环肽从树脂上脱下来。利用此策略,他们成功的合成了一种新型含有四氢吡咯环的杂环肽。见(Figure 8)。
John PM[18]等人也通过侧锚定的方法合成了一种能够抑制p53-MDM2活性的复杂环肽。由于p53是一种介导细胞修复增殖具有抑制肿瘤活性的蛋白质因子,而MDM2则可以和p53的DNA结合从而抑制p53的表达。所以能够抑制MDM2与p53DNA结合的物质有可能具有抑癌活性。因此,该环肽的化学合成成功引起了广泛的关注。


Figure 8. Synthesis of a Mannich-base hybridized cyclopeptide.
Reagents and conditions: (i) a. 50% TFA/DCM, b. 6% TEA/DCM; (ii) Fmoc-Aa-OH, DCC, HOBt/DMF; (iii) 20%piperidine/DMF; (iv) Boc-Pro-OH, DCC, HOBt/DMF; (v) 37% HCHO/H2O–THF–concd. HCl (30:69:1); (vi) 70% EtNH2/H2O–THF (1:1); (vii) 33% HNMe2/H2O–THF (1:1).

3. 展望
环肽合成成功的关键之处还在于如何合理的选择搭配不同性质的保护基团,保护基有暂时保护基、半永久保护基及永久保护基。暂时保护基如Boc,Fmoc,每接完一个氨基酸便脱一次保护。半永久保护基则在成环前脱下,一般是用于保护侧链的氨基或羧基。永久保护基是在成环后脱下,如侧链保护基Bol,Tos等。最近也有人适当地利用各种保护基的不同稳定性,依次脱去保护基,最后合成目标产物的策略即正交保护策略。同时,影响环肽合成效率的因素还有很多,诸如:反应液浓度,线性肽前体的性质及构象等,所以在环肽合成过程中应该综合考虑各方面的因素,从而达到理想的合成产率。同时我们相信,随着环肽各种新的生理功能的研究和发现以及合成技术和理论的进一步完善,其必将使人类生活质量进一步提高,环肽合成产业也将真正的成为21世纪的朝阳产业。

参考文献:

[1] Dvid L.Nelson; Michael M.Cox. Principles of Biochemistry(Third Edition). WORTH PUBLISHERS,2000
[2] Abbreviations used for amino acids follow the rules of the IUPAC-IUB comission of biochemical nomenclature. J.Biol.Chem,1989,264:633-673
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[4] Yoshimi H. . Life Sci.,1978,22:2189-2197
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[17] Wang DX et al. Solid-phase synthesis of Mannich-base hybridized cyclopeptides.Tetrahedron Letters 44 (2003) 4793–4795
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