化學生物課件

1、111化學生物學基礎(chǔ)課程類別：專業(yè)選修課學時安排：24學時時間安排：周一，周三，周四（05月27日-06月20日）主講教師：夏 帆 （xiafan）222第一章多肽和蛋白質(zhì)31. 蛋白質(zhì)基礎(chǔ)知識2. 多肽的化學生物學3. 蛋白質(zhì)化學合成4. 蛋白質(zhì)修飾和蛋白質(zhì)藥物41. 蛋白質(zhì)基礎(chǔ)知識2. 多肽的化學生物學3. 蛋白質(zhì)化學合成4. 蛋白質(zhì)修飾和蛋白質(zhì)藥物5551.1 基本概念：結(jié)構(gòu)式、名稱、簡寫和等電點7771.1 基本概念：結(jié)構(gòu)式、名稱、簡寫和等電點888含硫氨基酸：Met(蛋氨酸)、Cys（半胱氨酸）1.1 基本概念：氨基酸分類芳香族氨基酸：Phe（苯丙氨酸）、Tyr（酪氨酸）、Trp（色

2、氨酸）1010101.1 基本概念：成肽反應111111121212肽鍵(peptide bond)：一個氨基酸的羧基與另 一氨基酸的氨基縮水而成的酰胺鍵稱為肽鍵。（CONH）肽平面(peptide unit)：由肽鍵中的四個原子 與之相鄰的兩個碳原子共同構(gòu)成的剛性平面。（CCONHC）1.1 基本概念：多肽的基本結(jié)構(gòu)形式141.1 基本概念：肽單位空間結(jié)構(gòu)的特點151.1 基本概念：肽單位空間結(jié)構(gòu)的特點1717核糖體多肽 由mRNA翻譯合成，包括激素、信號分子、抗生素，按照“生物遺傳學中心法則”，翻譯多肽具有修飾過程，如磷酸化、羥基化、糖基化、磺化和又硫化等非核糖體多肽 由特定的非核糖體多肽

3、酶催化合成，不依賴于核酸決定的氨基酸序列和核糖體。如一些生物活性肽物質(zhì)合成多肽1.1 基本概念：肽的分類（以來源區(qū)分）1818谷胱甘肽（嚴格地講，它僅含三個氨基酸殘基，應該屬于“三肽”，不屬于多肽。）腦啡肽（Enkephalin），神經(jīng)遞質(zhì)的一種。 能改變神經(jīng)元對經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)的反應，起修飾經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)的作用，故稱為神經(jīng)調(diào)質(zhì)（Neuromodulator）。又被稱為“腦內(nèi)嗎啡”，對腦細胞具有獨特的作用，能夠激活處于抑制沉睡狀態(tài)的腦細胞，對因腦損傷導致的后遺癥有很好的恢復作用。由葡萄糖、麥芽糖和麥芽三糖這些糖類與神經(jīng)肽結(jié)合成為糖基化腦啡肽，在藥效方面是嗎啡的兩至三倍，而不具備造成使用者成癮的一些特

4、征。中科院上海生化所1982年5月合成，屬于一種寡肽：Tyr-Gly-Gly-Phe-Met 1.1 基本概念：生物活性肽1919191.1 基本概念：谷胱甘肽（GSH）由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸所構(gòu)成，其中第一個肽鍵與普通的肽鍵不同，是由谷氨酸的-羧基與半胱氨酸的氨基組成的，在分子中半胱氨酸巰基是該化合物的主要功能基團。作為動物細胞中的抗氧化劑，存在于充滿水的細胞內(nèi)部，可以保護DNA免于氧化。谷胱甘肽以兩種型態(tài)存在于人體，一是還原型態(tài)、另一是氧化型態(tài)。菠菜含有谷胱甘肽。由于谷胱甘肽有美白淡斑的功效，從2010年代開始，很多商家都把谷胱甘肽加入護膚品或潔膚用品里，又或把它制成營養(yǎng)補充劑錠片。2

5、020201.1 基本概念：體內(nèi)許多激素屬于寡肽或多肽促甲狀腺素釋放激素(TRH)合成部位：下丘腦 化學本質(zhì)：三肽（焦谷氨酸-組氨酸-脯氨酸） 生理功能： 促進腺垂體分泌促甲狀腺素，后者促進甲狀腺細胞增生、合成并分泌甲 狀腺激素可促進生乳素、催產(chǎn)素和輥壓素的分泌可影響大腦的機能，如抗抑郁、改變睡眠覺醒和行為 2121211.1 基本概念：一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎(chǔ)！2222線性肽 在末端有自由羧基和自由氨基。醫(yī)學生物化學中講的蛋白質(zhì)或多肽，多屬于這一種類。環(huán)肽 在末端氨基和羧基形成酰胺鍵成環(huán)，或由端基和側(cè)鏈連接成環(huán)。1.1 基本概念：多肽分類（以肽鏈骨架區(qū)分）242

6、4同肽 同肽的骨架中純粹由酰胺鍵組成。如黑色素細胞刺激激素（-MSH）即是一個19個氨基酸構(gòu)成的同肽。雜肽 結(jié)構(gòu)中含酯鍵、二硫鍵、硫酯鍵。醫(yī)學生物化學中講的蛋白質(zhì)或多肽，多屬于這一種類。人胰島素和牛胰核糖核酸酶亦屬于雜肽。1.1 基本概念：多肽分類（以化學鍵性質(zhì)區(qū)分）2525 黑色素細胞刺激激素來源豐富的,可在皮膚細胞內(nèi)生成并參與多種代謝平衡的調(diào)節(jié)。 1.1 基本概念：同肽 黑色素細胞刺激素(-MSH)271. 蛋白質(zhì)基礎(chǔ)知識2. 多肽的化學生物學3. 蛋白質(zhì)化學合成4. 蛋白質(zhì)修飾和蛋白質(zhì)藥物28282.1 多肽化學合成：-氨基酸的合成方法2929多肽的合成就是形成肽鍵的過程，即一個氨基酸的

7、氨基親核進攻另一個氨基酸被活化的羧基部分而形成肽鍵。為了獲得單一目標產(chǎn)物，兩個氨基酸的其他活性基團必須進行保護。2.1 多肽化學合成：肽鍵形成原理和保護基30制備部分保護的氨基酸，形成只有單一活性位點的氨基酸衍生物。將氨基保護的氨基酸的羧基部分進行活化，形成的活性中間體，再與另一分子氨基酸的自由氨基反應，形成酰胺鍵。對氨基酸的保護基進行選擇性脫除或全脫除。2.1 多肽化學合成：肽鍵形成的三個步驟312.1 多肽化學合成：羧基的活化羧基的活化基團（僅舉酸酐法一例說明）3232322.1 多肽化學合成：例子（丙氨酸 + 亮氨酸）332.1 多肽化學合成：化學合成多肽的發(fā)展歷程美國洛克菲勒大學教授B

8、ruce Merrifild 在1963年發(fā)明的多肽固相合成技術(shù)(SPPS)是多肽合成領(lǐng)域的一個重大突破，對化學，生化，醫(yī)藥，免疫和基因科學等學科和領(lǐng)域都起了巨大的推動作用。在固相法中，每步反應后只需簡單地洗滌樹脂，便可達到純化目的?？朔私?jīng)典液相合成法中的每一步產(chǎn)物都需純化的困難，為自動化合成肽奠定了基礎(chǔ)。他本人也因此項發(fā)明榮獲1984化學諾貝爾獎。342.1 多肽化學合成：固相合成法的誕生 Bruce Merrifield經(jīng)過了反復的篩選，最終屏棄了芐氧羰基(Z)在固相上的使用，首先將叔丁氧羰基(BOC)用于保護-氨基并在固相多肽合成上使用，同時， Bruce Merrifield在60年

9、代末發(fā)明了第一臺全自動多肽合成儀，并首次合成生物蛋白酶，核糖核酸酶(124個氨基酸)。35去保護：Fmoc保護的柱子和單體必須用一種堿性溶劑(piperidine)去除氨基的保護基團。激活和交聯(lián)：下一個氨基酸的羧基被一種活化劑所活化。活化的單體與游離的氨基反應交聯(lián)，形成肽鍵。在此步驟使用大量的超濃度試劑驅(qū)使反應完成。循環(huán)：這兩步反應反復循環(huán)直到合成完成。洗脫和脫保護：多肽從柱上洗脫下來，其保護基團被一種脫保護劑(TFA) 洗脫和脫保護。2.1 多肽化學合成：固相合成法基本步驟362.1 多肽化學合成：固相多肽合成37Liberty多肽合成儀突破了一直以來困擾傳統(tǒng)固相合成方法以及常規(guī)多肽合成儀的

10、技術(shù)瓶頸，那就是反應過程中多肽鏈聚合現(xiàn)象。Liberty采用的是創(chuàng)新的環(huán)形聚焦電磁場技術(shù)，多肽鏈在這種環(huán)形聚焦電磁場的作用下可以充分的伸展開，從而可以非常高效的進行多肽合成流程中的一系列反應，如脫保護、耦合以及切割反應。使多肽合成時間由過去以小時為單位計算的歷史改寫為以分鐘為單位計算，同時，實現(xiàn)了以往難以想象的長肽以及困難多肽的合成。 2.1 多肽化學合成：現(xiàn)代多肽合成儀382.1 多肽化學合成：Liberty多肽合成儀Liberty全自動流動微波多肽合成系統(tǒng)優(yōu)異的性能令人驚訝和難以置信，2004年經(jīng)美國多肽協(xié)會推薦而榮膺國際應用科學R&D100發(fā)明大獎。并被全球十大實驗室之一的美國Brook

11、haven國家實驗室以及安進公司應用于SARS和艾滋病的藥物研究。39要成功合成具有特定的氨基酸順序的多肽，需要對暫不參與形成酰胺鍵的氨基和羧基加以保護，同時對氨基酸側(cè)鏈上的活性基因也要保護，反應完成后再將保護基因除去。同液相合成一樣，固相合成中多采用烷氧羰基類型作為氨基的保護基，因為這樣不易發(fā)生消旋。2.1 多肽化學合成：多肽合成中的保護基問題402.1 多肽化學合成：多肽合成中的保護基問題BOC：可以避免多肽在樹脂上形成折疊結(jié)構(gòu)，但其裂解條件苛刻，不利于某些脆弱多肽（如糖肽）的合成。FMOC：由于形成折疊，在長肽合成中效率較低，優(yōu)點裂解條件溫和、副反應少，可獲得側(cè)鏈暫時保護的序列。412.

12、1 多肽化學合成：環(huán)肽的跨膜屏障應用細胞膜作為細胞的天然屏障是阻礙化療藥物進入腫瘤細胞的主要因素,而膜轉(zhuǎn)運蛋白的外排作用使化療藥物進入腫瘤細胞變得更加困難。若能采取適宜的手段突破細胞膜屏障使化療藥物快速地以高濃度進入細胞內(nèi),將削弱腫瘤細胞外排作用,從而大大增強化療藥物的藥理作用,使腫瘤細胞在尚未產(chǎn)生耐藥性之前而死亡，從而達到有效治療腫瘤的目的。 422.2 多肽化學合成：跨膜離子通道線粒體核仁細胞核核糖體分泌物胞吐作用432.2 細胞膜蛋白442.2 鉀、納離子泵452.3 肽模擬物多肽很少能直接作為藥物被利用，原因：容易被酶水解而不能口服在體內(nèi)穩(wěn)定性低其親水性較強導致難以跨域細胞膜肽模擬物根

13、據(jù)與受體結(jié)合的多肽而設(shè)計，將多肽分子中的結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化成非肽結(jié)構(gòu)，具有很強的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)價值。胃內(nèi)有胃蛋白酶，多肽類藥物容易被酶水解而失效。46肽模擬物根據(jù)與受體結(jié)合的多肽（即配體）而設(shè)計的，如果能夠?qū)⑴潴w多肽分子中結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)化成非肽結(jié)構(gòu)，即可克服口服時胃蛋白酶的水解，又可因含有多個精氨酸序列，而協(xié)助其跨越細胞膜。從而實現(xiàn)其充當藥物的治療作用。因此可見，肽模擬物具有很強的藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)價值。2.3 肽模擬物472.3 肽模擬物肽模擬物主要分成三種類型：以酰胺類似物或二級結(jié)構(gòu)類似物來代替多肽的模擬物。這類模擬物通常與多肽骨架匹配，在某些部位進行單元置換或引入官能團特定的位置誘導形成確定的二級結(jié)構(gòu)

14、。如將肽鏈中的某些-NH-模塊用氧原子（-O-）、硫原子（-S-）、亞甲基（-CH2-）等取代或是對其進行烷基化修飾。功能模擬物，指用于多肽受體的非肽類小分子，是天然多肽的結(jié)構(gòu)類似物。非肽類化合物，擁有新型的非多肽母核，但是包含天然多肽的結(jié)構(gòu)類似物。482.3 肽模擬物：類肽在類肽中，肽中主鏈上的氨基酸碳取代側(cè)鏈被轉(zhuǎn)移至 主鏈氮上。經(jīng)過側(cè)鏈遷移，類肽由于缺少了主鏈氮上的氫，類肽一般不能夠形成類似于肽和蛋白中的二級結(jié)構(gòu)一樣的高級有序結(jié)構(gòu)不再具有手性比肽更高的構(gòu)象柔性不會被蛋白酶水解具有更高的代謝穩(wěn)定性與天然多肽相似的活性49通常流行的類肽合成方法為亞單體合成法, 由Ron Zuckermann發(fā)

15、明，每一個單體分兩步進行合成：?；磻?取代反應。 在?；磻校谝徊綖榛罨柠u代乙酸與上一步末尾殘留的胺反應，最常見為用二異丙基碳化二亞胺活化的溴乙酸。在取代反應中（雙分子親核取代反應），一個胺，通常為伯胺，進攻并取代鹵素，并形成N-取代甘氨酸單體。亞單體合成路線使用簡單易得的伯胺合成類肽，進而使類肽的組合化學合成成為可能。2.3 肽模擬物：肽502.3 肽模擬物：類肽練習題 1512.3 肽模擬物：化學信號通過受體在細胞內(nèi)轉(zhuǎn)換傳遞細胞膜522.3 肽模擬物：受體與配體結(jié)合的特點532.3 多肽的應用和肽類藥物肽靶向蛋白質(zhì)（靶蛋白）的功能位點。不是所有靶蛋白的氨基酸都參與作用，只有功能位

16、點附近的3-10個氨基酸發(fā)揮關(guān)鍵作用。確認靶標。尋找藥理學作用的最佳位點。利用多肽與靶蛋白的生理作用來預測藥物作用位點。高通量篩選的替代配基。合成得到與靶蛋白特定功能位點序列相同的多肽，并以此作為一個檢測平臺，然后根據(jù)此測定小分子置換多肽配體或阻止配體結(jié)合的能力。54 由僅有6到8個氨基酸組成的細細的環(huán)，它很容易移動，只有在它們到達細菌細胞膜以后，它們就會自然地形成氫鍵聚集成一堆，象其它肽那樣發(fā)揮作用。幾個堆積的插入就會拉緊細胞膜并破裂成一個洞，致細菌死亡。 2.3 肽類藥物的前景55由于多肽分子的多樣性和分子識別功能，多肽在很多生命調(diào)節(jié)過程以及疾病診斷和治療方面表現(xiàn)出獨特的作用。雖然目前成熟

17、的多肽藥物不多，但多肽作為藥物或侯選藥物的應用潛力非常巨大。2.3 肽類藥物的前景和難度562.3 核酸適配體的應用核酸適配體（Aptamer）是一段DNA或者RNA序列，是利用體外篩選技術(shù)指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術(shù) （Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX），從核酸分子文庫中得到的寡核苷酸片段。572.3 核酸適配體的應用/?q=DINAMelt/Quickfold58練習題 2/?q=DINAMelt/Quickfold2.3 核酸適配體的應用 上面三種DNA序列各自有幾種構(gòu)型，分別是什么？ 3 或者

18、5 是否對莖環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有影響？ 3 或者 5 是否對互補鏈打開莖環(huán)的難易度有影響？ 你從上面的結(jié)果還可以得到什么樣的結(jié)論？/?q=DINAMelt/Hybrid2離子種類？離子濃度？溫度？592.3 核酸適配體的應用601. 蛋白質(zhì)基礎(chǔ)知識2. 多肽的化學生物學3. 蛋白質(zhì)化學合成4. 蛋白質(zhì)修飾和蛋白質(zhì)藥物613.0 蛋白質(zhì)化學合成利用機體或微生物合成蛋白質(zhì)有它的局限性：得到的多肽或蛋白質(zhì)一般僅含有20種天然氨基酸，非天然氨基酸難進入到合成的蛋白質(zhì)中。很難精確控制翻譯后蛋白質(zhì)特殊位點的修飾。多區(qū)段復雜的大分子量的蛋白質(zhì)難生物合成。在細胞中難以表達有毒蛋白或膜蛋白。 但是，化學合成蛋白質(zhì)能夠克服這些局限?？梢宰尫翘烊坏陌被嵋?，可以對蛋白質(zhì)進行任何位點的修飾和標記。自然化學連接和蛋白質(zhì)半合成是克服這些局限的有力武器。62而每一個片段氨基酸都少于50個往往需要將幾個多肽片段連接起來最好是在連接中使用無保護的多肽 Kent開創(chuàng)自然化學連接(Native Chemical Ligation, NCL)3.0 蛋白質(zhì)化學全合成