多肽合成简介

肽键:利用保护基团从氨基酸中形成肽的过程

今天我们将深入探讨如何合成所有化合物中最重要的酰胺——多肽，它对保护基团化学有重要贡献。

目录

1. 什么是肽键?
2. “蛋白质源性”氨基酸
3. 无保护基团二肽的合成
4. 利用保护基团策略合成二肽
5. 长肽的合成-三肽和四肽
6. 附加主题:固相多肽合成
7. 笔记
8. (高级)参考资料和进一步阅读

---

1.什么是肽键?

“肽键”是酰胺连接(见酰胺:属性。综合和命名法)连接两个氨基酸，如“二肽”l-苯丙酰-l -缬氨酸(左下)和l-亮氨酸-l -丙氨酸(右下):

2.“蛋白质源性”氨基酸

Proteinogenic氨基酸是蛋白质的组成部分。除了基因组直接编码的20种氨基酸外，还有两种氨基酸在特殊情况下被编码成蛋白质:硒化半胱氨酸(存在于包括人类在内的真核生物中)和吡咯赖氨酸(仅存在于产生甲烷的细菌中)。

除(非手性)甘氨酸外，所有的蛋白源氨基酸都是L-氨基酸，其中的“L-”前缀表示氨基酸的立体化学性质与L-甘油醛的立体化学性质相关[参见后文:D和L糖]。

所有的手性氨基酸都是年代，除半胱氨酸和硒化半胱氨酸外[注1］(因为硫和硒在CIP系统下有更高的优先级。)

3.无保护基团的简单二肽的合成(不可取!)

让我们在这两个氨基酸之间建立一个简单的二肽。为了简单起见，我们将从“疏水侧链”基团中选择两个，丙氨酸(Ala)和亮氨酸(Leu)，因为它们的侧链不需要额外的保护基团。

做L-Ala-L-Leu需要做什么?

考察一下前面提到的制造酰胺的方法，这似乎很简单。

为什么不取1等量的l -丙氨酸和l -苯丙氨酸，再加偶联剂呢N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC)，耐心等待我们的产品上市?

会出什么问题呢?

好吧,这将给我们一些我们想要的产品。但它不会这么有效率!

这是因为每个氨基酸都有两个反应端胺和一个羧酸它们可以通过多种方式结合在一起。

就像字母A和L可以组合成单词AL和LA一样，除了Ala-Leu(我们想要的产品)，我们还会得到Leu-Ala。

此外，因为我们不是把单个分子加在一起，而是摩尔数量(即使是百万分之一摩尔(“微摩尔”)也有10个¹⁷我们也有可能形成AA (Ala-Ala)和LL (Leu-Leu)的“同源二肽”。

而这仅仅是个开始。无论你如何切片，你看到的都是低成品率(<25%)的所需材料。

这样既低效、浪费又昂贵!难道没有更好的办法吗?

4.利用保护基团策略合成二肽

是的。而不是使用天然氨基酸，只是祈祷产量好，我们可以使用受保护的l -丙氨酸和l -亮氨酸。

如果我们保护羧酸亮氨酸作为一种酯(例如甲基)酯)，并保护胺l -丙氨酸作为a氨基甲酸酯(见:氨基甲酸酯作为保护基团)然后我们建立了一个情境，我们有一个单亲核试剂和一个单亲电试剂．

这导致高产(>95%)的a单产品!

【注:的中银集团是很受欢迎的氨基甲酸酯保护组胺；“Boc”代表t-丁氧羰基

5.长肽的合成-三肽和四肽

好消息是，我们不必止步于二肽。如果我们选择可以移除的保护组有选择性地(和氨基甲酸酯/酯配对合格)，然后我们可以去保护氨基甲酸酯，并加入第三个氨基酸。

的选择氨基甲酸酯这里的保护组是t-丁氧基羰基(Boc)，用强酸(三氟乙酸，缩写为TFA)除去。

用TFA处理去除Boc基团，但留下甲基酯一个人。

所以如果我们用TFA处理二肽，我们就会释放胺并且可以与另一种受boc保护的氨基酸发生反应DCC得到三肽。

如果我们有兴趣，我们甚至可以扩展同样的方法来构建四肽、五肽……或者更多!

将这种方法用于较长的多肽并不是不合理的。

举个例子，比如缓激肽血凝素是一种9肽链，能引起血管扩张，导致血压迅速下降。(你的身体会在蛇咬伤时释放缓激肽，这就是缓激肽最初被发现的原因。)

合成缓激肽的变体可能会很有趣，其中一些氨基酸被替换为其他氨基酸。为了做到这一点，我们需要能够合成它。

那么它到底有多有效呢?

如果每个肽耦合步骤的产量约为95%，那么我们制造缓激肽的总产量将为(0.95)。⁹，占63%。这真的很好!让我告诉你，很多化学家都很乐意在一次反应中得到63%的收率。

如果产量足够高，人们甚至可以想象出一些疯狂的东西，比如胰岛素(51个肽残基)。51步的收益率是7%。

这可能吗?

是的，但它需要一个聪明的修改，为它的发明者布鲁斯·梅里菲尔德赢得了1984年的诺贝尔化学奖。

6.附加主题:固相多肽合成

下面的内容比其他内容更具有补充意义，但考虑到主题的重要性，它既有趣又有用。

1963年，洛克菲勒大学一位名叫布鲁斯·梅里菲尔德的化学家发表了一篇论文，这篇论文彻底改变了肽的合成方式，并最终使长肽的合成成为常规。

它的标题是:固相多肽合成。一、四肽的合成”。

这是关键的想法。

回想一下，在我们最初的方案(上面)中，我们保护羧酸作为甲基酯，在整个肽合成过程中保持不变。

梅里菲尔德的想法是:如果我们找到一种方法来连接羧酸到官能团上，官能团本身与聚合物珠？这不仅能保护羧酸在美国，这将大大提高分离的便利性。

为什么?因为不需要通过结晶或柱层析来纯化最终产品，你通过过滤掉聚合物珠(每个200-500 μm)并清洗去除多余的试剂进行纯化。

聚合物珠本身非常小。典型的尺寸是200微米。每个珠子可以装载大约4纳摩尔的氨基酸。

［来自ChemTips的Brandon Finlay展示了这张照片］

下面的视频不是我的，但它让你对这个过程有了一个概念。

在0点34分左右，你可以看到这些珠子有多小。

梅里菲尔德工艺的起点是交联聚苯乙烯。就像一个大的相互连接的分子。聚苯乙烯接在连接剂上，通常以NH终止₂组。这本身通常是受保护的;为了激活连接器，您需要移除保护组帽。

聚合物珠需要在溶剂中膨胀，以便固体载体上的官能团有效地进行反应。

基本程序为:膨胀- >添加试剂- >等待- >过滤- >洗涤，重复。珠子一直留在反应容器中。通常还有一些封盖步骤来确保任何未反应胺不要参与下一个反应。

用这种方法可以制造50个单位的缩氨酸。在高度自动化的系统中，一个人甚至可以更有野心。

梅里菲尔德在20世纪60年代开始制造多肽。缓激肽8天制得，总收率68%。一个例子。胰岛素是两年后制作的。最初时期的最高成就可能是核糖核酸酶一，含有150个氨基酸残基。

原来的梅里菲尔德工艺经过了重大的修改和改进。最初，去除连接剂需要恶劣的条件(强酸)。今天，通常采用程序FMOC保护组而不是BOC，允许温和的去保护胺基地(哌啶)。一系列新的树脂、连接剂和耦合工艺随后被开发出来。维基百科上关于固相多肽合成是一个不错的开始。

---

笔记

注1．半胱氨酸(和硒型半胱氨酸)是L型，但它们的立体中心是(右)，因为硫和硒在Cahn-Ingold-Prelog体系中具有更高的优先级。

---

(高级)参考资料和进一步阅读

这是一个重要的话题，因为合成多肽是一个全球数十亿美元的产业。

1. 具有催产素激素活性的八肽酰胺的合成
   Vincent du Vigneaud, Charlotte Ressler, John M. Swan, Carleton W. Roberts, Panayotis G. Katsoyannis和Samuel Gordon
   美国化学学会杂志1953年,75(19), 4879 - 4880
   DOI:1021 / ja01115a553
2. 催产素的合成
   Vincent du Vigneaud, Charlotte Ressler, John M. Swan, Carleton W. Roberts和Panayotis G. Katsoyannis
   美国化学学会杂志1954年,76(12), 3115 - 3121
   DOI:1021 / ja01641a004
3. 以催产素合成为例的长肽链合成方法
   Miklos Bodanszky和Vincent du Vigneaud
   美国化学学会杂志1959年,81(21), 5688 - 5691
   DOI:1021 / ja01530a040
   在20场比赛的前半部分^th世纪以来，多肽合成是用标准有机化学溶液相技术完成的。这就是现在所说的LPPS(液相多肽合成)。1955年，杜维格诺获得诺贝尔化学奖，因为他的工作表明，使用正确的保护基团和合成策略，可以实现多肽合成。1963年，罗伯特·布鲁斯·梅里菲尔德教授(洛克菲勒大学，纽约)提出了SPPS(固相肽合成)方法，使长肽链的合成更加可行，从而彻底改变了肽合成。c端与聚合物树脂结合，氨基酸按照相同的循环一次添加一个:去保护，洗涤，耦合下一个氨基酸(用肽偶联试剂，如DCC)，清洗，再次去保护n端，依此类推。梅里菲尔德的方法后来被称为Boc/Bzl策略，因为采用了保护基团(Boc用于氮原子，Bzl (苄)用于侧链)。问题是，使用这种方法从树脂中最终裂解肽需要无水HF，这是不容易处理的。
4. 固相多肽合成。一、四肽的合成
   r·b·梅里菲尔德
   美国化学学会杂志1963年,85(14), 2149 - 2154
   DOI：10.1021 / ja00897a025
   这是一篇由梅里菲尔德教授使用SPPS方法制备四肽的单作者论文。这篇论文仍然是最受关注和被引用最多的论文之一江淮即使在今天。
5. 固相法合成牛胰岛素
   玛格林和r·b·梅里菲尔德
   美国化学学会杂志1966年,88(21), 5051 - 5052
   DOI:10.1021 / ja00973a068
   胰岛素是一种价值数十亿美元的激素，因为它的失调是导致糖尿病的原因。本研究表明，通过SPPS方法可以制备胰岛素。胰岛素的制造非常复杂，因为它有2个通过二硫键连接的链(A链和B链)。有趣的是，梅里菲尔德通过将两条链与受保护的硫醇(受保护为磺酸盐)结合来合成活性激素，然后他将其还原为硫醇，然后在碱性介质(pH为10)的空气中氧化。这叫做无向或空气氧化，因为二硫键不是选择性形成的;幸运的是，在这种情况下它们形成正确。由于这些并发症，今天的胰岛素不是通过SPPS方法制造的;相反，它是通过重组过程制造的。
6. 核糖核酸酶A的合成
   贝恩德·古特和r·b·梅里菲尔德
   生物化学杂志1971，246(6), 1922 - 1941
   DOI:10.1016 / s0021 - 9258 (18) 62396 - 8
   这是SPPS的最高成就——合成124肽(或蛋白质，在这一点上)，RNAse a。
7. 核糖核酸酶A的固相合成罗伯特·布鲁斯·梅里菲尔德
   妮可·克雷斯基，罗伯特·d·西莫尼和罗伯特·l·希尔
   生物化学杂志2006，281(26), e21
   DOI:10.1016 / s0021 - 9258 (20) 55702 - 5
   梅里菲尔德教授生平的简短传记。上面提到，1965年，他在自己房子的地下室里开发了自动肽合成器的第一个原型!
8. 固相合成
   诺贝尔演讲1984年12月8日，作者布鲁斯·梅里菲尔德
   1984年，梅里菲尔德接受诺贝尔化学奖时的诺贝尔演讲。这篇文章描述了他的一生，他是如何构思和发展SPPS工艺的，以及它所实现的所有突破。
9. 9-芴甲氧羰基功能，一种新的碱敏感氨基保护基团
   路易斯·a·卡尔皮诺，格蕾丝·y·汉
   美国化学学会杂志1970年,92(19), 5748 - 5749
   DOI：10.1021 / ja00722a043
10. 9-芴甲氧羰基氨基保护基
    路易斯·a·卡尔皮诺，格蕾丝·y·汉
    有机化学杂志197237(22), 3404 - 3409
    DOI：10.1021 / jo00795a005
    Fmoc(9-芴基甲氧基羰基)基团的发现和发展胺也改进了多肽合成和SPPS的实践。
11. 固相多肽合成的一种温和方法:使用芴甲氧基羰基氨基酸
    阿瑟顿，黑兹尔·福克斯，戴安娜·哈基斯，c·j·洛根，r·c·谢帕德和b·j·威廉姆斯
    j .化学。Soc。化学。通讯。1978, 537 - 539
    DOI：10.1039 / C39780000537
    这是第一篇描述现在被称为Fmoc/tBu SPPS工艺的论文，该工艺在很大程度上取代了Merrifield教授开发的原始Boc/Bzl工艺。Fmoc-SPPS的优点是多方面的，但主要的优点是简单性和正交性。胺去保护是用碱(20%哌啶在DMF足以使Fmoc-胺)，肽从树脂的最终裂解可以用TFA(三氟乙酸)，这是多比HF更容易处理。
12. Fmoc固相多肽合成研究进展
    雷蒙德·贝伦特，彼得·怀特，还有约翰·欧弗尔
    肽科学。2016年,22,速率
    DOI:10.1002 / psc.2836
    对Fmoc-SPPS的现代回顾，描述了我们已经走了多远以及仍然存在的一些挑战。例如,聚合树脂上的肽链是Fmoc-SPPS在合成特别是疏水肽时的一个主要问题，有一些方法可以处理它，例如引入“扭结”残基，如Pro或使用假脯氨酸，当肽与TFA裂解时，假脯氨酸将恢复到所需的氨基酸。目前，天然化学连接也用于合成特别长的肽，如梅里菲尔德的RNAse A。