新闻中心

科学史话 | Boc、Cbz、Fmoc保护基的发明与多肽合成研究

  • 分类:新闻中心
  • 作者:昊帆生物
  • 来源:
  • 发布时间:2021-01-22 16:04
  • 访问量:

【概要描述】蛋白和多肽在生命中起着重要的作用,它们参与了大量的生理和生物过程。为了解蛋白和多肽的功能、原理和机制,人们开展了无数的研究项目。这些学术研究反过来也在医学、药学、生物学等研究领域体现出巨大价值。

科学史话 | Boc、Cbz、Fmoc保护基的发明与多肽合成研究

【概要描述】蛋白和多肽在生命中起着重要的作用,它们参与了大量的生理和生物过程。为了解蛋白和多肽的功能、原理和机制,人们开展了无数的研究项目。这些学术研究反过来也在医学、药学、生物学等研究领域体现出巨大价值。

  • 分类:新闻中心
  • 作者:昊帆生物
  • 来源:
  • 发布时间:2021-01-22 16:04
  • 访问量:
详情

蛋白和多肽在生命中起着重要的作用,它们参与了大量的生理和生物过程。为了解蛋白和多肽的功能、原理和机制,人们开展了无数的研究项目。这些学术研究反过来也在医学、药学、生物学等研究领域体现出巨大价值。由于研究的需要,许多科学家需要获取足够纯净和数量的多肽物质。因此,无数化学家们承前启后,薪火相传地发展了各种各样的化学合成法,使得多肽合成研究逐渐趋于成熟。另一方面,化学家们也开发了各种氨基的保护策略,尤其是Boc、Cbz和Fmoc的发明,极大地推动了早期的多肽合成研究。可以说氨基保护策略与多肽合成研究相辅相成,并相互促进。本文将简单回顾一下Boc、Cbz、Fmoc保护基与多肽研究的历史,让我们对本领域的学术先驱们致以崇高的敬意!

一、Theodor Curtius和Emil Fischer首次合成

Theodor Curtius在他跟随H. Kolbe的博士研究中报道了有史以来的第一个二肽化合物[1]。他将甘氨酸银盐(1)与苯甲酰氯(2)反应,合成并表征了一个含有保护基二肽——苯甲酰基甘氨酰甘氨酸(3)。这项工作发表于1882年(图1a)。九年以后的1901年,Ernest Fourneau和Emil Fischer首次报道了不含保护基的二肽——甘氨酰甘氨酸(6)[2]。他们在柏林大学的实验室里将两分子甘氨酸乙酯(4)首先缩合得到二羰基哌嗪(5),再水解得到甘氨酰甘氨酸(6)(图1b)。1902年,在卡尔斯巴德举行的第14届德国科学家与医生大会上,Fischer第一次提出了“肽”这一术语[3]

 

a: N-保护的二肽:Theodor Curtius首次报道肽类化合物的合成(1882)

 

 

b: 不含保护基的二肽:Emil Fischer首次报道了不含保护基的肽类化合物的合成(1901)

 

图1 Theodor Curtius和Emil Fischer首次合成多肽

 

此后的几年里,Curtius发展了第一个具有实用价值的多肽合成方法:利用酰基叠氮化物的偶联方法,他可以合成具有特定长度的多肽(图2a)[4]。在另一边,Fischer也发展了另一种利用酰氯的偶联的方法[5]。利用这种方法,Fischer甚至可以合成多达18个氨基酸的多肽(图2b)。然而,Curtius和Fischer开发的两种方法都有一定局限性,主要表现在由于缺乏容易除去的氨基保护基。这导致他们合成的多肽都含有难以除去的保护基团。

 

a: Curtius发展酰基叠氮化物偶联法(1902-1904)

 

 

b: Fischer发展酰氯偶联方法(1905-1907)

 

图2 Theodor Curtius和Emil Fischer对多肽合成方法的改进

 

二、Cbz、Boc保护基的发明——多肽合成的另一个里程碑

Max Bergmann(Emil Fischer曾经的学生)与Leonidas Zervas合著了40多部著作。在1932年发表的里程碑式的著作里面,他们首次报道了苄氧羰基(Cbz,为了纪念Zervas也可简写为“Z”)可以用作的氨基的临时保护基——通过催化氢化即可除去而不影响肽键[6]。利用Cbz保护策略,他们可以很容易地在N端延长肽链(图3a)。需要指出的是,由于催化剂中毒,催化氢化无法脱除蛋氨酸和半胱氨酸(含硫)中的Cbz。为了克服这一局限,多个研究小组开展了大量的研究。他们发现Cbz也可以通过HBr酸解或者伯奇反应脱除[7]。临时性保护基团的概念彻底改变了化学家的思想,并奠定了多肽合成领域的另一座里程碑。


20世纪50年代,多肽合成迅速发展并逐渐趋于成熟,人们设计出了许多合成方法,几乎可以制备任何小肽。例如,20世纪50年代初,Vigneaud等人合成了催产素——一种八肽小分子(图4)[8]。他们比较了合成的催产素和天然的催产素,并发现两者具有完全相同的生物学和化学性质[9]。1955年诺贝尔化学奖授予了Vigneaud,以表彰他在生物活性含硫化合物领域的杰出贡献!

 

1957年Albertson和McKay首次引入了叔丁氧羰基(Boc)作为一种酸敏感的氨基保护基,由此翻开了多肽合成的新篇章(图3b)[10]。由于Boc对强碱、伯奇还原和催化氢化都很稳定,因此与Cbz形成了完全的正交性。从此以后,多肽的合成大都采用了Boc和Cbz保护的组合策略。

 

a:催化氢化脱除Cbz

 

 

b: 酸解脱除Boc

 

图3 Cbz与Boc的脱除

 

图4 催产素结构

 

三、固相多肽合成法与Fmoc的发明——多肽合成的新时代

1963年,Robert Bruce Merrifeld在他开创性的论文里面,首次报道了一种固相的多肽合成策略,从此极大拓展了人们对有机合成方法的眼界[11]。尽管固相多肽合成法(solid phase peptide synthesis,SPPS)和液相多肽合成法(solution phase peptide synthesis,SPS)差异很大,但这种差异的核心体现在第一个氨基酸(28)的羧酸保护基团(PG1)的溶解性上(图5)。当PG1为可溶性保护基时,这种合成法就是液相多肽合成法(SPS),而当PG1为不可溶的树脂时,这种合成方法就是固相多肽合成法(SPPS)。

 

图5 SPS与SPPS的差异在于PG1的性质上

 

虽然固相多肽合成法极大地提高了多肽合成的效率,减少了繁琐了分离纯化过程,但是早期的固相多肽合成法并不成熟。例如,在Merrifeld最早报道的这篇文献中,他使用了Cbz保护氨基。在脱Cbz保护时,他需要使用强度高达30%浓度的氢溴酸来脱除Cbz,为了避免第一个氨基酸也从树脂上脱除,不得不使用硝化的氯甲基聚苯乙烯树脂(38)(图6)。

 

图6 Merrifeld首次报道的固相多肽合成法(SPPS)

 

在一年以后发表的改进方法中,Merrifeld用Boc代替Cbz来保护氨基,这样做缩短了反应时间,并提高了总收率,并且不再需要硝化的氯甲基聚苯乙烯树脂,而只要氯甲基聚苯乙烯树脂[12]。由于Merrifeld的杰出贡献,他在1984年被授予了诺贝尔化学奖,以表彰他发明的基于固体基质的化学合成策略!

 

尽管Boc保护策略也可以用于SPPS中,但是这种方法有诸多缺点。脱除Boc需要强酸如三氟乙酸,反复多次的强酸性条件脱保护容易导致一些副反应和肽键的断裂。另外,最后将肽链从树脂上脱除的时候,往往会使用酸性强度更大的氢氟酸,这种苛刻的条件既对肽键不利,也对实验操作和仪器有更高的要求。1970年,Han与Carpino 引入了9-芴甲氧羰基(Fmoc)作为碱敏感的氨基保护基(图7)[13]。Fmoc的性质与当时许多其他氨基保护基的性质形成完美的正交性,为后来固相多肽合成法中的Fmoc/t-Bu合成策略的建立做出了重大贡献[14]。目前,Fmoc/t-Bu SPPS是主流的固相多肽合成方法。氨基酸的氨基用Fmoc保护,而氨基酸侧链上的反应活性官能团用酸敏感的叔丁基等保护基团保护起来。每次脱Fmoc只需要在温和的碱性条件下进行。当肽链合成结束后,在三氟乙酸的条件下即可将多肽从树脂切除下来,并同时脱去侧链的叔丁基等保护基团。最后加入乙醚等溶剂即可将多肽从溶液中析出(图8)。正是基于SPPS的发展和完善,组合化学应运而生,从而使得人们可以很容易地获得大量的肽类化合物[15]

 

图7 Fmoc的脱除

 

图8 Fmoc/t-Bu SPPS通用流程

 

一百多年来,多肽的合成方法有了飞跃的发展,从早期的步履蹒跚到如今的大步流星,每一次进步都凝结了众多科学家们的智慧和汗水。现今,仍有许多合成化学家致力于开发更先进的方法,通过更简单的化学合成获得更多、更复杂、更纯净的多肽化合物。

四、关于我们

苏州昊帆生物股份有限公司致力于多肽缩合剂的研发和生产。经过十余年的发展和积累,本公司已成为全球最大、最全的缩合剂供应商。此外,本公司也提供各类氨基酸保护试剂、非天然氨基酸等相关产品,欢迎有需求的朋友来电垂询!

 

本公司生产和销售的保护试剂与相关产品

 

参考文献
[1] Curtius T (1882) Ueber einige neue der Hippursäure analog constituirte, synthetisch dargestellte Amidosäuren. J Prakt Chemie 26:145–208.
[2] Fischer E, Fourneau E (1901) Ueber einige Derivate des Glykocolls. Ber Dtsch Chem Bunsenges 34(2):2868–2877.
[3] Goodman M, Cai W, Smith N (2003) The bold legacy of Emil Fischer. J Pept Sci 9:594–603.
[4] (a) Curtius T (1902) Synthetische Versuche mit Hippurazid. Ber Dtsch Chem Ges 35:3226–3228; (b) Curtius T (1904) Verkettung von Amidosäuren. I. Abhandlung. J Prakt Chemie 70(1):57–72; (c) Curtius T, Gumlich O (1904) Verkettung von Amidosäuren; VII. Abhandlung. Kettenbildung zwischen Hippurazid und β-Amino-α-oxypropionsäure und β-Aminobuttersäure. J Prakt Chemie 70(1):195–223.
[5] (a) Fischer E (1905) Synthese von polypeptiden. IX. Chloride der Aminosäuren und ihrer Acylderivate. Ber Dtsch Chem Ges 38:605–619; (b) Fischer E (1907) Synthese von polypeptiden. XVII. Ber Dtsch Chem Ges 40:1754–1767.
[6] Bergmann M, Zervas L (1932) Über ein allgemeines Verfahren der peptid-synthese. Ber Dtsch Chem Ges 65(7):1192–1201.
[7] (a) Okamoto M, Kimoto S, Oshima T, Kinomura Y, Kawasaki K, Yajima H (1967) The use of boron trifuoride etherate for debenzyloxycarbonylation of methionine-containing peptides by catalytic hydrogenolysis. Chem Pharm Bull 15(10):1618–1620; (b) Kuromizu K, Meienhofer J (1974) Removal of the Nα-benzyloxycarbonyl group from cysteine-containing peptides by catalytic hydrogenolysis in liquid ammonia, exemplifed by a synthesis of oxytocin. J Am Chem Soc 96:4978–4981; (c) Felix AM, Heimer EP, Lambros TJ, Tzougraki C, Meienhofer J (1978) Rapid removal of protecting groups from peptides by catalytic transfer hydrogenation with 1,4-cyclohexadiene. J Org Chem 43:4194–4196.
[8] du Vigneaud V, Ressler C, Swan JM, Roberts CW, Katsoyannis PG, Gordon S (1953) The synthesis of an octapeptide amide with hormonal activity of oxytocin. J Am Chem Soc 75:4879–4880.
[9] du Vigneaud V, Ressler C, Swan JM, Roberts CW, Katsoyannis PG (1954) The synthesis of oxytocin. J Am Chem Soc 76:3115–3121.
[10] McKay FC, Albertson NF (1957) New amine-masking groups for peptide synthesis. J Am Chem Soc 79:4686–4690.
[11] Merrifeld RB (1963) Solid phase peptide synthesis. I. The synthesis of a tetrapeptide. J Am Chem Soc 85:2149–2154.
[12] Merrifeld RB (1964) Solid phase peptide synthesis. III. An improved synthesis of bradykinin. Biochemistry 3:1385–1390。
[13] Carpino LA, Han GY (1970) The 9-fuorenylmethoxycarbonyl function, a new base-sensitive amino-protecting group. J Am Chem Soc 92:5748–5749.
[14] (a) Atherton E, Clive DLJ, Sheppard RC (1975) Polyamide supports for polypeptide synthesis. J Am Chem Soc 97:6584–6585; (b) Atherton E, Fox H, Harkiss D, Logan CJ, Sheppard RC, Williams BJ (1978) A mild procedure for solid phase peptide synthesis: use of fuorenylmethoxycarbonylamino-acids. J Chem Soc Chem Commun 13:537–539; (c) Atherton E, Logan CJ, Sheppard RC (1981b) Peptide synthesis. Part 2. Procedures for solid-phase synthesis using Nα fuorenylmethoxycarbonylamino-acids on polyamide supports. Synthesis of substance P and of acyl carrier protein 65–74 decapeptide. J Chem Soc Perkin Trans 1:538–546.
[15] (a) Geysen HM, Meloen RH, Barteling SJ (1984) Use of a peptide synthesis to probe viral antigens for epitopes to a resolution of a single amino acid. Proc Natl Acad Sci USA 81:3998–4002; (b) Houghten RA (1985) General method for the rapid solid-phase synthesis of large numbers of peptides: specifcity of antigen-antibody interaction at the level of individual amino acids. Proc Natl Acad Sci USA 82:5131–5135.

扫二维码用手机看

联系信息

全国销售热线: 400-628-6883
李金凤: 18306209966; linda@highfine.com

赵晴波: 18306219933; paul@highfine.com
贾 敏: 0512-86880809; 18306209922; cathyjia@highfine.com
许 丹: 0512-69209928; 18306209933; joyce@highfine.com
殷 斌: 0512-68311833; 18306219922; merry@highfine.com

地 址:苏州市高新区鸿禧路32号12栋

传 真:0512-68417696 0512-68056883

邮 编:215151
网 址:www.highfine.com

 

苏州昊帆生物股份有限公司 版权所有