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浅谈固相多肽合成中的聚合物载体与连接片段

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  • 作者:昊帆生物
  • 来源:
  • 发布时间:2021-02-20 09:44
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【概要描述】在聚合物载体与连接试剂方面,虽然化学家们已经取得了巨大进展,但仍有进一步发展和改进的空间。现今,许多合成化学家仍然致力于开发更先进的方法,通过更简单的化学方法获得更复杂、分子量更大的多肽和蛋白质。

浅谈固相多肽合成中的聚合物载体与连接片段

【概要描述】在聚合物载体与连接试剂方面,虽然化学家们已经取得了巨大进展,但仍有进一步发展和改进的空间。现今,许多合成化学家仍然致力于开发更先进的方法,通过更简单的化学方法获得更复杂、分子量更大的多肽和蛋白质。

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固相多肽合成(SPPS)的概念是基于将第一个氨基酸连接到树脂上,然后进行肽链延伸,最终提供目标肽。​固相多肽合成使用的树脂由一个固体聚合物载体(Polymeric Solid Support)和与之永久相连的一个双官能团连接片段(Linker)组成(图1)。这个双官能团连接片段的另一端用于将第一个氨基酸临时性地锚定到树脂上。在固相多肽合成中,固体聚合物载体和链接片段都扮演了重要的角色,本文将简单介绍这两种结构的类型与功能。

 

图1 固相多肽合成中的三大单元

 

最常见的聚合物载体是由1-2%二乙烯基苯与聚苯乙烯交联而成,形成直径约50微米的珠状结构[1]。此外,其他聚合物载体还包括:聚乙二醇树脂[2]、聚乙二醇-聚苯乙烯接枝树脂[3]、聚酰胺树脂[4]、珠状聚乙二醇-丙烯酰胺(PEGA)共聚物[5]、聚乙烯聚苯乙烯(PE-PS)薄膜等[6]。有兴趣的读者可以参阅其他综述[7]。

 

图2 树脂的溶胀对反应的影响

 

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固体聚合物载体(Polymeric Solid Support)

聚合物载体在SPPS中非常重要。由于固相树脂的大多数附着位点都在膨胀的珠子内[8],肽的合成是在它们膨胀的网状结构中进行的[1c]。在SPPS中,溶胀因子显著影响反应物扩散的快慢——更容易膨胀的树脂使反应物和试剂具有更高的扩散速率,从而导致更快的反应速率和更完全的化学转化率,反之则相反(图2)。溶剂分子占据聚合物链之间的位置会导致链间的空间体积增加,从而增强反应物和试剂进入聚合物网络的能力,加快反应的发生(图2a)。相反,如果交联聚合物在溶剂中溶胀性能差,反应物和试剂相互作用的机会就会很低,因此反应就难以发生(图2b)[9]。通常,聚合物载体不溶于很多有机溶剂,但在一些极性溶剂中可以发生溶解或溶胀,这些极性溶剂包括:二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃[10]。Merrifeld和Kent等人曾经研究了SPPS过程中,有无多肽时树脂的溶剂化和溶胀性质[11]。在此研究中,他们使用了取代度为0.95mmol/g的氨基甲基(交联聚苯乙烯)树脂。他们发现在DMF中,没有多肽时树脂溶剂化之后的体积是干燥树脂的1.49倍,并且添加多肽后树脂的溶胀体积会随之增加。例如,当每克聚苯乙烯树脂含有2.5克肽时,树脂在DMF的溶胀比率提高到1.84。然而在二氯甲烷中,这种趋势是相反的。随着结合的多肽量增加,树脂的溶胀比率反而减小。在DCM中,不含多肽的时候,树脂的溶胀比率为1.84。当每克聚苯乙烯树脂含有2.5克肽时,树脂的溶胀比率反而下降到1.33。另外,树脂的取代度也不是越高越好。有研究显示使用非常高取代度(1-8 mmol/g二乙烯基苯交联聚苯乙烯)的树脂可能因为肽链聚集度的增加,反而导致肽链合成发生一些问题[1c]。

 

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双官能团连接片段(Linker)

双官能团连接片段在树脂中也扮演了非常重要的角色。一个好的连接片段应该满足许多要求,包括:能够以较高的产率固定第一个氨基酸残基;在SPPS过程中对使用的所有化学品都很稳定;能够以较高的产率将目标肽从树脂上脱除并且没有太多的副产物[12]。

 

连接片段根据不同的标准主要分为两类:一类是肽裂解条件(光解、酸性、碱性、亲核取代等);​另外一类是第一个氨基酸固定到固体载体上的官能团类型。根据后一个标准,第一个氨基酸可以通过以下几种方式锚定在树脂上:(1)C端锚定(从C端到N端的SPPS策略);(2)N端锚定(从N端到C端的SPPS策略);(3)侧链锚定(如果氨基酸的侧链中具有活性官能团);(4)骨架锚定(图3)。鉴于C端锚定是SPPS中主流的策略,本文将主要介绍这一类合成策略中使用的连接片段。

 

图3 第一个氨基酸与树脂的几类固定策略

 

这种合成策略最早由Merrifeld在1963年首次报道[13]。在这种策略中,Nα保护的第一个氨基酸通过羧基一端,以酯、酰胺、硫酯、肟、酰肼等方式与树脂固定(图3a)。其中,酯键2和3可以通过Nα保护氨基酸1分别与羟基树脂或亲电树脂反应合成得到。酰胺键4、酰肼键5、肟键6或硫酯键7可由Nα保护氨基酸1分别与氨基树脂、肼树脂、肟树脂或巯基树脂反应而得(图4)。一旦第一个氨基酸固定在树脂上,肽链就可以从C端向N端向延长,因此这种策略被称为从C端到N端的SPPS策略。目前这种策略是最常用最主流的SPPS策略,相应的连接片段也是最丰富最成熟的一类。

 

根据氨基酸Nα和侧链保护基的不同,这种合成策略又进一步细化为两种合成方案,一种称为Boc/Bzl方案,另外一种称为Fmoc/t-Bu方案。在Boc/Bzl合成方案中,Nα-氨基的保护基是Boc,侧链的保护基是苄基(Bzl)。Boc也被称为临时性保护基,因为它需要在每次缩合步骤前被脱除。侧链保护基Bzl被称为长久性保护基,因为它们在整个合成过程中保持完整,只是在多肽合成结束后才被脱除。在Fmoc/t-Bu方案中,Nα-氨基的保护基是Fmoc,侧链的保护基则是叔丁基(t-Bu)等酸敏感保护基。Fmoc/t-Bu合成策略发展时间晚于Boc/Bzl合成策略,但是它克服了Boc/Bzl方案中的一些缺点,已经成为最常用的SPPS合成策略[4]。鉴于Boc/Bzl策略和Fmoc/t-Bu策略的不同,相应连接片段也是不一样的。表1和表2展示了常用的分别适用于Fmoc/t-Bu和Boc/Bzl策略的C端固定的树脂及其连接片段。从上述两个表格中我们不难看出,适用于Fmoc/t-Bu策略的连接片段带有烷氧基等给电子基团。这一点可以理解,因为Fmoc/t-Bu策略的最后一步是在三氟乙酸等酸性条件下,将目标肽从树脂上脱除下来。给电子基团使得连接片段的酸敏感性增加,因而这一解离过程更加容易,更加迅速。

 

图4 常见的几种C端树脂及其连接方式

 

​表1 Fmoc/t-Bu策略中的树脂及其连接片段

 

表2 Boc/Bzl策略中的树脂及其连接片段

 

自从1963年Merrifeld首次报道固相多肽合成以来,这个研究领域已经发展了半个多世纪,但是依旧充满了挑战性和活力。在聚合物载体与连接试剂方面,虽然化学家们已经取得了巨大进展,但仍有进一步发展和改进的空间。现今,许多合成化学家仍然致力于开发更先进的方法,通过更简单的化学方法获得更复杂、分子量更大的多肽和蛋白质。

 

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关于我们

昊帆生物股份有限公司致力于酰胺、多肽合成试剂的研发和生产。经过十余年的发展和积累,本公司已成为全球最大、最全的酰胺合成试剂供应商。此外,本公司也提供一系列与酰胺、多肽合成相关的其他化学品,包括:固相多肽合成树脂中的双官能团连接试剂(表3)、氨基/羟基保护试剂、非天然氨基酸等产品,欢迎有需求的朋友来电垂询!

 

表3 本公司生产和销售的SPPS树脂用双官能团连接试剂

 

 

参考文献
[1] (a) Vaino AR, Janda KD (2000) Solid-phase organic synthesis: a critical understanding of the resin. J Comb Chem 2:579–596; (b) Blackburn C (1998) Polymer supports for solid-phase organic synthesis. Biopolymers (Peptide Science) 47:311–351; (c) Kent SBH (1988) Chemical synthesis of peptides and proteins. Ann Rev Biochem 57:957–989.
[2] García-Martín F, Quintanar-Audelo M, García-Ramos Y, Cruz LJ, Gravel C, Furic R, Côté S, Tulla-Puche J, Albericio F (2006) ChemMatrix, a poly(ethylene glycol)-based support for the solidphase synthesis of complex peptides. J Comb Chem 8:213–220.
[3] Zalipsky S, Chang JL, Albericio F, Barany G (1994) Preparation and applications of polyethylene glycol-polystyrene graft resin supports for solid-phase peptide synthesis. React Polym 22:243–258.
[4] (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, Brown E, Sheppard RC, Rosevear A (1981) A physically supported gel polymer for low pressure, continuous fow solid phase reactions. Application to solid phase peptide synthesis. J Chem Soc Chem Commun 21:1151–1152.
[5] Meldal M (1992) Pega: a fow stable polyethylene glycol dimethyl acrylamide copolymer for solid phase synthesis. Tetrahedron Lett 33:3077–3080.
[6] Berg RH, Almdal K, Pedersen WB, Holm A, Tam JP, Merrifeld RB (1989) Long-chain polystyrene-grafted polyethylene flm matrix: a new support for solid-phase peptide synthesis. J Am Chem Soc 111:8024–8026.
[7] Bergbreiter DE (1999) Alternative polymer supports for organic chemistry. Med Res Rev 19(5):439–450
[8] Hudson D (1999) Matrix assisted synthetic transformations: a mosaic of diverse contributions. I. The pattern emerges. J Comb Chem 1:333–360
[9] Vaino AR, Janda KD (2000) Solid-phase organic synthesis: a critical understanding of the resin. J Comb Chem 2:579–596.
[10] Wieland T, Birr C, Flor F (1969) Über Peptidsynthesen, XLI Synthese von Antamanid mit der Merrifeld-Technik. Liebigs Ann Chem 727:130–137.
[11] Sarin VK, Kent SBH, Merrifeld RB (1980) Properties of swollen polymer networks. Solvation and swelling of peptide-containing resins in solid-phase peptide synthesis. J Am Chem Soc 102:5463–5470.
[12] Soural M, Hlaváč J, Krchňák V (2011) Linkers for solid-phase peptide synthesis. In: Hughes AB (ed) Amino acids, peptides and proteins in organic chemistry, vol 3. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, Weinheim, pp 273–317.
[13] Merrifeld RB (1963) Solid phase peptide synthesis. I. The synthesis of a tetrapeptide. J Am Chem Soc 85:2149–2154.

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