广联达增值税11:多肽合成技术

多肽药物的研究与开发将作为二十一世纪高新技术竟争的主要项目之一。生物活性多肽在内源性物质中占有非常重要的地位，除酶、受体、金属蛋白等生物大分子外，许多合成或分离的多肽对生理过程或病理过程，对疾病的发生、发展或治疗过程有重要意义。
氨基酸彼此以酰胺键（也称肽键）相互连接的化合物称作肽。一种肽含有的氨基酸少于10个就称作寡肽，超过的就称为多肽。多肽与蛋白质只有肽链长短之别，二者间并没有严格的区分。蛋白质是生命存在的最基本形式。可见多肽是生命之"桥"，蛋白质工程从某种意义上而言就是研究多肽。
伴随着分子生学物、生物化学技术的飞速发展，多肽研究取得了惊人的、划时代的飞跃。人们发现存在于生物体的多肽有数万种，并且发现所有的细胞均能合成多肽。同时，几乎所有的细胞也都受多肽调节，它涉及激素、神经、细胞生长与生殖等各个领域，21世纪是一个多肽的世界，人们研究多肽，也渴望着将多肽应用到医疗、保健、检测等多个领域中去，为人类造福。
事实上，肽类药物开发与应用已走出科学家们的实验室，变成了现实，并发挥着其独特的功效。例如，神经紧张肽（NT）能降低血压，对肠和子宫具有收缩作用；内啡肽和脑啡肽的衍生物有着很强的镇痛作用；促甲状腺素释放激素（TRH）是一种能促进产妇乳汁分泌的多肽；能治疗糖尿病、胃溃疡、胰腺炎的多肽是一种环状的14肽；临床上常用的催产素是一种多肽；已获广泛应用的白蛋白多肽、胸腺肽、血清胸腺因子（FTS）等均可以引起免疫T细胞的分化；近日来在中国及日本已开始使用的糖肽辅助治疗肿瘤，其作用机理是使淋巴系统活化等等。应用多肽技术开发的医用蛋白质芯片（肽芯片）只有指甲盖大小，放置了与肾炎、胃溃疡和胃癌等相关的抗原分子，只要通过芯片阅读仪便可检测到有关疾病的功能状态与变异情况。其功能已相当于一个大型或中型实验室、化验室，效率是传统医学检测的成百上千倍，受检者几乎没有任何痛苦。肽芯片的广泛应用，已在医学临床检测业引发一场技术革命。
自从1963年MERRIFIELD发展成功了固相多肽合成（SPPS）方法以来，经过不断的改进和完善，到今天这个方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。
固相合成的主要设计思想是：先将所要合成肽链的未端氨基酸的羧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。氨基酸作为氨基组分经过脱去氨基保护基，并同过量的活化羟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。 多肽合成概述与原理
多肽化学合成概述
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。通过多肽合成可以验证新的多肽结构；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。
1963年，R.B.Merrifield创立了将多肽羧基端的氨基酸固定在不溶性树脂上，然后在此树脂上依次偶联氨基酸，延长肽链、合成多肽的固相合成法，在固相法中，每步反应后只需简单地洗涤树脂，便可达到纯化目的。克服了经典液相合成法中的每一步产物都需纯化的困难，为多肽的自动化合成奠定了基础。为此，Merrifield获得1984年诺贝尔化学奖。
Merrifield所建立的Boc合成法是采用TFA(三氟乙酸)可脱除的Boc（叔丁氧羰基）为α-氨基保护基，侧链保护采用苄醇类。合成时将一个Boc－氨基酸衍生物共价交联到树脂上，用TFA脱除Boc，用三乙胺中和游离的氨基末端，然后通过DCC活化、偶联下一个氨基酸，最终脱保护多采用HF法或TFMSA(三氟甲磺酸)法。用Boc法已成功地合成了许多生物大分子，如活性酶、生长因子、人工蛋白等。
在Boc合成法中，反复地用酸来脱保护，这种处理带来了一些问题：如在肽与树脂的接头处，当每次用50%TFA脱Boc基时，有约1.4%的肽从树脂上脱落，合成的肽链越长，这样的损失越严重；此外，酸处理会引起侧链的一些副反应，Boc合成法尤其不适于合成含有色氨酸等对酸不稳定的肽类。1978年，Chang、Meienlofer和Atherton等人采用Carpino报道的Fmoc（9-芴甲氧羰基）基团作为α-氨基保护基，成功地进行了多肽的Fmoc固相合成。Fmoc法与Boc法的根本区别在于采用了碱可脱除的Fmoc为α-氨基的保护基，侧链的保护采用TFA可脱除的叔丁氧基等，树脂采用90%TFA可切除的对烷氧苄醇型树脂，最终的脱保护避免了强酸处理。
自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，表现出了液相合成法无法比拟的优点。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多肽合成的常规方法。以Boc和Fmoc两种方法为基础的各种多肽自动合成仪也相继出现，并仍在不断得到发展和完善。
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，固相合成顺序一般从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称为液相合成法，现在多采用固相合成法，从而大大的减轻了每步产品纯化的难度。为了防止副反应的发生，参加反应的氨基酸的侧链都是被保护的；而羧基端是游离的，并且在反应之前必须活化。化学合成方法有两种，即Fmoc和tBoc。由于Fmoc比tBoc存在很多优势，现在大多采用Fmoc法合成，如图：

每个循环由以下三步反应构成，反复循环直到肽链延伸至所需长度时即可完成。
1. 脱保护：Fmoc保护的氨基酸必须用一种碱性溶剂（piperidine）去除氨基的保护基团。
2. 活化：待连接的氨基酸的羧基被活化剂所活化。
3. 偶联：活化的羧基与前一个氨基酸裸露的氨基反应，形成肽键。在此步骤使用过量的试剂促使反应完成。
多肽合成的常见问题
问：多肽的两端应如何处理？是保持自由状态还是屏蔽起来？
答：多肽是用来模拟蛋白的，为了模仿蛋白的表现，我们需要合成与蛋白有相似的结构和电荷的多肽。当一条肽段从一个蛋白中“切出”之后，两端的电荷数将与基因体蛋白有差异。我们需要改变合成策略来使他们一致。 总体而言： 如果是出自蛋白C端的序列，通过乙酰化将N端屏蔽； 如果是出自蛋白N端的序列，通过酰胺化将C端屏蔽； 如果是出自蛋白中间部分，用乙酰化和酰胺化将两端都屏蔽。
问：如果我的肽纯度是95%，那么，其余的5%都是些什么物质？
答：多肽的纯度通常是通过HPLC，用每分钟1%的标准乙晴梯度来检测决定的。合成过程中，氨基酸之间的交联效率不是总能达到100%，因而产生一系列的氨基酸缺失的杂质。大多数这样的氨基酸缺失的杂质在纯化过程中都被去掉了，但有少数的杂质其色谱表现与目标多肽很相近。这些氨基酸缺失的杂质肽留在了多肽样品中就构成了余下的几个百分点。
问：如何重新溶解多肽？
答：多肽的溶解与多肽的序列相关，首先试蒸馏水和超声（1-10MG/ML），如果不溶，计算肽中的碱性残基（Lys,Arg,His和自由氨基端）和酸性残基（Gly,Asp和自由羧基端）的数目。如果碱性基团偏多，可以滴加1N的醋酸，直到溶解为止，如果酸性基团居多，滴加1N的氨水，直到溶解为止。如果在实验中需要用缓冲液，建议在多肽完全溶解之前不要加入盐，因为盐会使肽的溶解度降低。如果上述溶液中肽都不溶，可以试试用少量有机溶剂如DMSO，乙晴或DMF。
问：什么是多肽的净含量，它的意义是什么？
答：干品多肽的重量中不仅仅包含多肽，还包含有一些非肽的组份，如水，被吸收的溶剂、配位离子和盐等。肽的净含量是指肽在其中的重量百分比，这个百分比的数值范围很大，可能从50%到90%，取决于纯度、序列以及合成和纯化的方法，不要将肽的净含量和肽的纯度混为一谈，它们是完全不同的两个概念。纯度通常是由HPLC决定的。纯度定义的是多肽样品中含正确序列的组分的百分比，而肽的净含量是指样品中肽类物质相对于非肽类物质所占的百分比，肽的净含量通常是用氨基酸组分分析或紫外分光法测定的。这个信息主要是在一些对肽的浓度很敏感的实验中，对计算肽的浓度是很重要的。
问：对不同的实验，如何选择肽的纯度？
答：肽的纯度是很重要的指标，纯度的选择取决于实验的目的。对不太灵敏的筛选实验，建议使用粗品或>75%，对免疫级别，建议选用>85%。对于受体与LIGAND相互作用的研究，生物ASSAY研究，或细胞水平的研究，建议>95%，对于结构研究，建议>98%。
问：如何保存多肽？
答：在可能的情况下，应该尽量将多肽以冻干粉的形式在-20℃下保存，这样会在几年内避免细菌的降解，二级结构的形成、氧化或其他修饰的发生。多肽在溶液中的稳定性要差一些，所以强烈建议使用灭菌水或灭菌过滤的方式进行溶解，如果序列中有Cys,Met或Trp等残基，用无氧的溶剂进行溶解以避免氧化。使用冷冻的溶液时，建议将溶液进行分装，以避免多次的溶解和冷冻对多肽造成的损害。pH的推荐范围是3-6之间。使用前应保证包装容器和所装物品回温到室温，以避免吸水。多肽溶液最好即配即用，使用过程中将肽溶液保持在低温但不结冻的状态下。长期保存（3个月到5年）：冻干粉，在-20℃下冷冻干燥保存；中期保存（0-3个月）：-20℃冷冻液体或冻干粉冷藏；短期保存（<1周）：冷藏的液体或冻干粉。
问：常见的是用什么方法生产多肽？
答：线性多肽肽链的延伸采用Fmoc固相合成法，由C端到N端逐步依次将氨基酸连接上。开始，将第一个氨基酸通过一段对酸敏感的连接物连接在不溶性的支撑物树脂上。用六氢吡啶将Fmoc保护基去掉后，第二个Fmoc保护的氨基酸被连接了上去，连接方法有预活化或“一锅煮”等。目标序列连接完毕后，用TFA将肽链从树脂上洗脱得到粗品。
多肽的溶解与保存
建议先用少量肽来试验最适溶解方法，只有当多肽完全溶解后，才能加入溶液并将之稀释至最终浓度。即先溶解，后加入缓冲液。注意：总是将多肽加入到适当溶剂中搅拌，而不能采用其它方式。
冻干多肽的溶解
多肽溶解中的主要问题是二级结构的形成。
虽然疏水肽链二级结构的形成更明显，但除了最短的肽链外，该现象发生在几乎所有肽链，与极性无关。因此，溶解多肽的第一个原则是用无菌的蒸馏水或去离子水（如果条件允许则用无氧水）。
多肽溶液可能遇到细菌降解。为避免该现象的发生，多肽应溶解在无菌的蒸馏水中，或者用0.45或0.2µm孔径的滤膜过滤除菌。
包含Cys、Met、Trp的多肽特别容易氧化，因此应该溶于无氧的水中。无氧水可以通过注入惰性气体（氮、氦、氩）减压除气得到。
若多肽不溶于纯水，超声处理有助于打碎颗粒并增加溶解度。注意：超声处理会引起溶液发热和多肽降解。
若多肽中包含多个碱性氨基酸，使用1~10%的乙酸水溶液；对于疏水性非常强的多肽，则使用50%乙酸。
若多肽中含有大量酸性氨基酸，可用1~10%氨溶液或乙酸乙基吗啡或重碳酸盐等挥发性的碱性缓冲液溶解。pH值在层析前必须调整。
异丙醇和乙腈能溶解中等大小的肽。若肽要上柱，有机溶剂的量则必须很少，否则将严重影响滞留时间。
若多肽因为含有Val、Leu、Met、Phe、Tyr、Ala等芳烃侧链而高度疏水，或为中性肽时，DMF或DMSO等膜变性剂的使用，有助于多肽的溶解。
a. 高浓度膜变性剂通过破坏多肽的二级结构而助溶。
b. 膜变性剂适于多肽分析液的制备，但可能会对其生物活性的研究工作造成干扰。
c. DMF是最佳变性剂（最高浓度可达30%），滴加至多肽溶解。
d. 反相层析时，DMF将与洗脱液前峰一起流出，依进样量的多少，峰值可能很高。大多数肽能在大量DMF流出后几分钟内流出，若肽链很小，洗脱太早，多肽的量将降低。
冻干多肽的保存
所有标明“保持冻干”的产物，都必须保存在冰冻条件下，最好-20℃，若保存在-10℃以下，大多数肽可维持几年的活性。
当使用冰冻产品时，开盖之前，瓶或试管应在装有新鲜干燥剂的干燥箱内升至室温。对于保存于-20℃的产品，这个过程需要一小时或更长，随包装大小而异。否则，当瓶打开时，水气进入导致多肽凝缩而降低其稳定性。一旦打开，应迅速称量完毕，并立即密闭以免潮解，尤其亲水肽更应注意。
多肽溶液的保存
多肽溶液比干粉的稳定性差很多，为了得到最好结果，遵循下列原则：
反复冻融有损于肽的活性，所以建议分装成小包装保存。需要多少解冻多少，用后弃掉剩余物。
溶于pH5~7无菌的缓冲液中，贮存于-20℃。
包含Cys、Met、Try、Glu、Asp的多肽易于氧化，因此须保存在无氧化剂的环境中。
由于细菌能降解多肽，因此贮存前必须过滤除菌。
肽链设计
简介
多肽是复杂的大分子，因此每条序列在物理和化学特性上都是独特的。有些多肽合成很困难，另有些多肽虽然合成相对容易，但纯化困难。最常见的问题是许多肽不溶于水溶液，因此在纯化中，这些疏水肽必须溶于非水溶剂中，或特殊的缓冲液，而这些溶剂或缓冲液很可能不适合应用于生物实验系统，因此研究人员不能使用该肽达到自己的目的，因此下面是对于研究人员设计多肽的一些建议。
合成困难肽的选择
1. 减少序列长度
由于肽的长度增加导致粗产物纯度降低，小于15个残基的肽能较容易得到。当肽链长度增加到20个残基以上时，正确产物的量就是一个主要考虑的问题。在许多实验中，降低残基数低于20往往能得到更好的结果。
2. 减少疏水残基数
疏水残基占明显优势的肽，尤其在距C端7~12个残基的区域，常常引起合成困难。这通常被认为是由于合成中形成β折叠片，这样产生不完全偶联。在这些例子中，用一个或几个极性残基置换，或加入Gly或Pro以打开肽结构可能会有帮助。
3. 减少“困难”残基
有多个Cys、Met、Arg、Try残基通常难于合成。Ser通常可作为Cys的非氧化替换。
改善可溶性的选择
1. 改变N端或C端
对于酸性肽（即pH值为7时带负电荷），我们推荐乙酰化（N端乙酰化，C端保持自由羧基），以增加负电荷。而对于碱性肽（即pH值为7时带正电荷），我们推荐酰氨化（N端自由氨基，C端酰氨化），以增加正电荷。
2. 缩短或加长序列
某些序列含有大量疏水氨基酸，如Trp、Phe、Val、Ile、Leu、Met、Tyr和Ala等，当这些疏水残基大于50%通常难于溶解。为了增加肽的极性，加长序列可能会有帮助。另外一种选择是通过减少疏水残基的方法降低肽链的长度以增加极性。肽链极性越高，就越有可能溶于水。
3. 加入可溶性残基
对于某些肽链而言，加上一些极性氨基酸能改善可溶性。我们推荐给酸性肽的N端或C端加上Glu-Glu。给碱性肽的N端或C端加上Lys-Lys。如果不能加入带电荷基团，可以将Ser-Gly-Ser加到N端或C端。但是，肽链的两端不能改变时，该方法则不可行。
4. 通过置换一个或多个残基改变序列
肽链的可溶性可通过改变序列内某些残基来改善。通常单个残基的替换就能显著改善其疏水性，而这种改变通常是较为保守的，如用Gly代替Ala。
5. 通过选用不同“框架”来改变序列
如果能用某个序列来制备许多长度一定的相互串连或重叠的多肽，则可以用改变各个多肽起始点的方法来实现改变序列的目的。其原理是：在同一多肽的亲水和疏水残基间创造新的更好的平衡，或将同一多肽内的“困难”残基（比如2个Cys）放进两个不同的多肽而不是集于同一分子内。
特殊氨基酸残基对肽链特性影响的一些要点
对于由遗传密码编码的二十种氨基酸及蛋白质中常见的其他氨基酸，按其特性可以用几种方法进行分类。下面列出了最常见的氨基酸的三字母代码和单字母代码，以及不同的分类方法。
氨基酸的代码
丙氨酸 Ala A 甲硫氨酸 Met M
半胱氨酸 Cys C 天门冬酰胺 Asn N
天门冬氨酸 Asp D 脯氨酸 Pro P
谷氨酸 Glu E 谷氨酰胺 Gln Q
苯丙氨酸 Phe F 精氨酸 Arg R
甘氨酸 Gly G 丝氨酸 Ser S
组氨酸 His H 苏氨酸 Thr T
异亮氨酸 Ile I 缬氨酸 Val V
赖氨酸 Lys K 色氨酸 Trp W
亮氨酸 Leu L 酪氨酸 Tyr Y
蛋白质中常见的其他氨基酸
羟脯氨酸
胱氨酸
焦谷氨酸
肽链设计中常见的其它氨基酸
α-氨基丁酸（Cys的置换物）
β-氨基丙氨酸（Ala的直链异构物）
正亮氨酸（亮氨酸的线性侧链异构物）
氨基酸按其亲水性、疏水性可分为
亲水性氨基酸：D，E，H，K，Q，R，S，T，羟脯氨酸，焦谷氨酸
疏水性氨基酸：A，F，I，L，M，P，V，W，Y，α-氨基丁酸，β-氨基丙氨酸，正亮氨酸
C和G属于未定类
其它的分类方法
在温和条件下氧化的氨基酸：C，M
脱氨或脱羧基的氨基酸：N，Q
蛋白制备中易降解的氨基酸：M，W
带正电荷的氨基酸：K，R，H
带负电荷的氨基酸：D，E
当下列疏水氨基酸，即Ala，Val，Leu，Ile，Pro，Met，Phe，Trp存在于C端时，通常引起合成及纯化的困难，这主要是因为它们难溶于水。
如果您看见这些氨基酸，即Cys、His、Pro普遍存在于序列中或在C端时，则在常规的固相合成中需要特殊的固相支持物。在用普通的固相支持物时，在二肽阶段，由于环化引起的损失非常高。在许多例子中，甚至导致所有链从固相支持物上损失，但是若C端为酰氨化Pro时，或者用特殊的PEG-聚苯乙烯固相支持物时，能使产量大为提高，则不会发生这种现象。
抗原多肽设计的基本原则
为了使产生的抗体获得最佳效果，仔细地设计抗原多肽是很有必要的，设计应满足一个基本条件：在免疫过程中，该抗原既不会产生过强的免疫反应，同时又能产生出对感兴趣的蛋白有结合能力的抗体。抗原设计是一个很复杂的课题，有诸多需要注意的细节。根据我们所积累的经验，有几点关键的基本设计原则可供大家参考：
确定抗体的用途
新开展一个研究项目，弄清楚所感兴趣的蛋白的一些基本特性是很有必要的，特别是如果知道蛋白的结构会对选择抗体易于接触和识别的区域有很大的帮助。然而，在没有这样精确的结构信息的情况下，了解研究的用途会影响多肽设计的策略。例如：如果研究重点是集中在蛋白的不同区域，如C端或N端，或在一种特定状态下的蛋白，如磷酸化等，那么按照所需序列设计的多肽和产生的相应的抗体在应用上应该没有太大的困难，然而，蛋白的构象将影响抗体与其识别区域之间的相互作用。这种情况下可能存在的问题是如果在折叠的蛋白中，该识别区域被藏在蛋白的内部，抗体将无法接触到该区域，则无法产生相互作用。
识别区域的选择原则
一般说来最理想的抗原识别区域应具备亲水、位于蛋白表面和结构上易变形性等特点。因为在大多数的天然环境中，亲水区域倾向于集中在蛋白表面，而疏水区域常常被包裹在蛋白内部，同样道理，抗体只能与在蛋白表面发现的识别区域相互作用，而当这些识别区域有足够的结构易变形性而转移到抗体可接触的位置时，将会与抗体间有很高的亲和性。
连续的与不连续的识别区域
连续的区域是指由连续的氨基酸序列构成的识别区域。大多数抗体是针对连续识别区域的，抗体能与这类区域以很高的亲和力相结合表明这段序列不在蛋白内部。不连续的识别区域是代表有一定折叠的一段多肽序列，或是将两段分离开的多肽连在一起的抗体的识别区域。在某些情况下，针对这样不连续识别区域的抗体也能产生，只是用来免疫的抗原多肽必须具备与该不连续识别区域相似的二级结构，而序列的长度需要符合相关的要求。
基本建议
为了避免识别区域隐藏在蛋白内部的风险，我们通常建议选择蛋白的N，C两端来产生的相应的抗体。因为在完整的蛋白中，N，C两端通常是暴露在蛋白表面的。然而，一定要注意膜蛋白的C端疏水性太强，不适合作为抗原。
序列的长度
通常我们建议抗原多肽的序列长度在8-20个氨基酸残基之间，如果太短，就有多肽特异性不强、所产生的抗体与天然蛋白之间的结合能力不够强的风险；但是，如果序列长度超过20，将有可能引入二级结构，所产生的抗体失去特异性的可能，而且肽链越长，通常合成难度增大，不易获得高纯度的产品。
载体蛋白交联的选择
将载体蛋白加在远离抗体识别区域的一端，在序列中没有Cys的情况下在N或C端加上Cys为交联的首选方法。
视频: 高效液相色谱仪原理与操作
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