化学生物课件

1、111化学生物学基础课程类别：专业选修课学时安排：24学时时间安排：周一，周三，周四（05月27日-06月20日）主讲教师：夏 帆 （xiafan）222第一章多肽和蛋白质31. 蛋白质基础知识2. 多肽的化学生物学3. 蛋白质化学合成4. 蛋白质修饰和蛋白质药物41. 蛋白质基础知识2. 多肽的化学生物学3. 蛋白质化学合成4. 蛋白质修饰和蛋白质药物5551.1 基本概念：结构式、名称、简写和等电点7771.1 基本概念：结构式、名称、简写和等电点888含硫氨基酸：Met(蛋氨酸)、Cys（半胱氨酸）1.1 基本概念：氨基酸分类芳香族氨基酸：Phe（苯丙氨酸）、Tyr（酪氨酸）、Trp（色

2、氨酸）1010101.1 基本概念：成肽反应111111121212肽键(peptide bond)：一个氨基酸的羧基与另 一氨基酸的氨基缩水而成的酰胺键称为肽键。（CONH）肽平面(peptide unit)：由肽键中的四个原子 与之相邻的两个碳原子共同构成的刚性平面。（CCONHC）1.1 基本概念：多肽的基本结构形式141.1 基本概念：肽单位空间结构的特点151.1 基本概念：肽单位空间结构的特点1717核糖体多肽 由mRNA翻译合成，包括激素、信号分子、抗生素，按照“生物遗传学中心法则”，翻译多肽具有修饰过程，如磷酸化、羟基化、糖基化、磺化和又硫化等非核糖体多肽 由特定的非核糖体多肽

3、酶催化合成，不依赖于核酸决定的氨基酸序列和核糖体。如一些生物活性肽物质合成多肽1.1 基本概念：肽的分类（以来源区分）1818谷胱甘肽（严格地讲，它仅含三个氨基酸残基，应该属于“三肽”，不属于多肽。）脑啡肽（Enkephalin），神经递质的一种。 能改变神经元对经典神经递质的反应，起修饰经典神经递质的作用，故称为神经调质（Neuromodulator）。又被称为“脑内吗啡”，对脑细胞具有独特的作用，能够激活处于抑制沉睡状态的脑细胞，对因脑损伤导致的后遗症有很好的恢复作用。由葡萄糖、麦芽糖和麦芽三糖这些糖类与神经肽结合成为糖基化脑啡肽，在药效方面是吗啡的两至三倍，而不具备造成使用者成瘾的一些特

4、征。中科院上海生化所1982年5月合成，属于一种寡肽：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构成，其中第一个肽键与普通的肽键不同，是由谷氨酸的-羧基与半胱氨酸的氨基组成的，在分子中半胱氨酸巯基是该化合物的主要功能基团。作为动物细胞中的抗氧化剂，存在于充满水的细胞内部，可以保护DNA免于氧化。谷胱甘肽以两种型态存在于人体，一是还原型态、另一是氧化型态。菠菜含有谷胱甘肽。由于谷胱甘肽有美白淡斑的功效，从2010年代开始，很多商家都把谷胱甘肽加入护肤品或洁肤用品里，又或把它制成营养补充剂锭片。2

5、020201.1 基本概念：体内许多激素属于寡肽或多肽促甲状腺素释放激素(TRH)合成部位：下丘脑 化学本质：三肽（焦谷氨酸-组氨酸-脯氨酸） 生理功能： 促进腺垂体分泌促甲状腺素，后者促进甲状腺细胞增生、合成并分泌甲 状腺激素可促进生乳素、催产素和辊压素的分泌可影响大脑的机能，如抗抑郁、改变睡眠觉醒和行为 2121211.1 基本概念：一级结构一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础！2222线性肽 在末端有自由羧基和自由氨基。医学生物化学中讲的蛋白质或多肽，多属于这一种类。环肽 在末端氨基和羧基形成酰胺键成环，或由端基和侧链连接成环。1.1 基本概念：多肽分类（以肽链骨架区分）242

6、4同肽 同肽的骨架中纯粹由酰胺键组成。如黑色素细胞刺激激素（-MSH）即是一个19个氨基酸构成的同肽。杂肽 结构中含酯键、二硫键、硫酯键。医学生物化学中讲的蛋白质或多肽，多属于这一种类。人胰岛素和牛胰核糖核酸酶亦属于杂肽。1.1 基本概念：多肽分类（以化学键性质区分）2525 黑色素细胞刺激激素来源丰富的,可在皮肤细胞内生成并参与多种代谢平衡的调节。 1.1 基本概念：同肽 黑色素细胞刺激素(-MSH)271. 蛋白质基础知识2. 多肽的化学生物学3. 蛋白质化学合成4. 蛋白质修饰和蛋白质药物28282.1 多肽化学合成：-氨基酸的合成方法2929多肽的合成就是形成肽键的过程，即一个氨基酸的

7、氨基亲核进攻另一个氨基酸被活化的羧基部分而形成肽键。为了获得单一目标产物，两个氨基酸的其他活性基团必须进行保护。2.1 多肽化学合成：肽键形成原理和保护基30制备部分保护的氨基酸，形成只有单一活性位点的氨基酸衍生物。将氨基保护的氨基酸的羧基部分进行活化，形成的活性中间体，再与另一分子氨基酸的自由氨基反应，形成酰胺键。对氨基酸的保护基进行选择性脱除或全脱除。2.1 多肽化学合成：肽键形成的三个步骤312.1 多肽化学合成：羧基的活化羧基的活化基团（仅举酸酐法一例说明）3232322.1 多肽化学合成：例子（丙氨酸 + 亮氨酸）332.1 多肽化学合成：化学合成多肽的发展历程美国洛克菲勒大学教授B

8、ruce Merrifild 在1963年发明的多肽固相合成技术(SPPS)是多肽合成领域的一个重大突破，对化学，生化，医药，免疫和基因科学等学科和领域都起了巨大的推动作用。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，为自动化合成肽奠定了基础。他本人也因此项发明荣获1984化学诺贝尔奖。342.1 多肽化学合成：固相合成法的诞生 Bruce Merrifield经过了反复的筛选，最终屏弃了苄氧羰基(Z)在固相上的使用，首先将叔丁氧羰基(BOC)用于保护-氨基并在固相多肽合成上使用，同时， Bruce Merrifield在60年

9、代末发明了第一台全自动多肽合成仪，并首次合成生物蛋白酶，核糖核酸酶(124个氨基酸)。35去保护：Fmoc保护的柱子和单体必须用一种碱性溶剂(piperidine)去除氨基的保护基团。激活和交联：下一个氨基酸的羧基被一种活化剂所活化。活化的单体与游离的氨基反应交联，形成肽键。在此步骤使用大量的超浓度试剂驱使反应完成。循环：这两步反应反复循环直到合成完成。洗脱和脱保护：多肽从柱上洗脱下来，其保护基团被一种脱保护剂(TFA) 洗脱和脱保护。2.1 多肽化学合成：固相合成法基本步骤362.1 多肽化学合成：固相多肽合成37Liberty多肽合成仪突破了一直以来困扰传统固相合成方法以及常规多肽合成仪的

10、技术瓶颈，那就是反应过程中多肽链聚合现象。Liberty采用的是创新的环形聚焦电磁场技术，多肽链在这种环形聚焦电磁场的作用下可以充分的伸展开，从而可以非常高效的进行多肽合成流程中的一系列反应，如脱保护、耦合以及切割反应。使多肽合成时间由过去以小时为单位计算的历史改写为以分钟为单位计算，同时，实现了以往难以想象的长肽以及困难多肽的合成。 2.1 多肽化学合成：现代多肽合成仪382.1 多肽化学合成：Liberty多肽合成仪Liberty全自动流动微波多肽合成系统优异的性能令人惊讶和难以置信，2004年经美国多肽协会推荐而荣膺国际应用科学R&D100发明大奖。并被全球十大实验室之一的美国Brook

11、haven国家实验室以及安进公司应用于SARS和艾滋病的药物研究。39要成功合成具有特定的氨基酸顺序的多肽，需要对暂不参与形成酰胺键的氨基和羧基加以保护，同时对氨基酸侧链上的活性基因也要保护，反应完成后再将保护基因除去。同液相合成一样，固相合成中多采用烷氧羰基类型作为氨基的保护基，因为这样不易发生消旋。2.1 多肽化学合成：多肽合成中的保护基问题402.1 多肽化学合成：多肽合成中的保护基问题BOC：可以避免多肽在树脂上形成折叠结构，但其裂解条件苛刻，不利于某些脆弱多肽（如糖肽）的合成。FMOC：由于形成折叠，在长肽合成中效率较低，优点裂解条件温和、副反应少，可获得侧链暂时保护的序列。412.

12、1 多肽化学合成：环肽的跨膜屏障应用细胞膜作为细胞的天然屏障是阻碍化疗药物进入肿瘤细胞的主要因素,而膜转运蛋白的外排作用使化疗药物进入肿瘤细胞变得更加困难。若能采取适宜的手段突破细胞膜屏障使化疗药物快速地以高浓度进入细胞内,将削弱肿瘤细胞外排作用,从而大大增强化疗药物的药理作用,使肿瘤细胞在尚未产生耐药性之前而死亡，从而达到有效治疗肿瘤的目的。 422.2 多肽化学合成：跨膜离子通道线粒体核仁细胞核核糖体分泌物胞吐作用432.2 细胞膜蛋白442.2 钾、纳离子泵452.3 肽模拟物多肽很少能直接作为药物被利用，原因：容易被酶水解而不能口服在体内稳定性低其亲水性较强导致难以跨域细胞膜肽模拟物根

13、据与受体结合的多肽而设计，将多肽分子中的结构信息转化成非肽结构，具有很强的药物发现和开发价值。胃内有胃蛋白酶，多肽类药物容易被酶水解而失效。46肽模拟物根据与受体结合的多肽（即配体）而设计的，如果能够将配体多肽分子中结构信息转化成非肽结构，即可克服口服时胃蛋白酶的水解，又可因含有多个精氨酸序列，而协助其跨越细胞膜。从而实现其充当药物的治疗作用。因此可见，肽模拟物具有很强的药物发现和开发价值。2.3 肽模拟物472.3 肽模拟物肽模拟物主要分成三种类型：以酰胺类似物或二级结构类似物来代替多肽的模拟物。这类模拟物通常与多肽骨架匹配，在某些部位进行单元置换或引入官能团特定的位置诱导形成确定的二级结构

14、。如将肽链中的某些-NH-模块用氧原子（-O-）、硫原子（-S-）、亚甲基（-CH2-）等取代或是对其进行烷基化修饰。功能模拟物，指用于多肽受体的非肽类小分子，是天然多肽的结构类似物。非肽类化合物，拥有新型的非多肽母核，但是包含天然多肽的结构类似物。482.3 肽模拟物：类肽在类肽中，肽中主链上的氨基酸碳取代侧链被转移至 主链氮上。经过侧链迁移，类肽由于缺少了主链氮上的氢，类肽一般不能够形成类似于肽和蛋白中的二级结构一样的高级有序结构不再具有手性比肽更高的构象柔性不会被蛋白酶水解具有更高的代谢稳定性与天然多肽相似的活性49通常流行的类肽合成方法为亚单体合成法, 由Ron Zuckermann发

15、明，每一个单体分两步进行合成：酰化反应和 取代反应。 在酰化反应中，第一步为活化的卤代乙酸与上一步末尾残留的胺反应，最常见为用二异丙基碳化二亚胺活化的溴乙酸。在取代反应中（双分子亲核取代反应），一个胺，通常为伯胺，进攻并取代卤素，并形成N-取代甘氨酸单体。亚单体合成路线使用简单易得的伯胺合成类肽，进而使类肽的组合化学合成成为可能。2.3 肽模拟物：肽502.3 肽模拟物：类肽练习题 1512.3 肽模拟物：化学信号通过受体在细胞内转换传递细胞膜522.3 肽模拟物：受体与配体结合的特点532.3 多肽的应用和肽类药物肽靶向蛋白质（靶蛋白）的功能位点。不是所有靶蛋白的氨基酸都参与作用，只有功能位

16、点附近的3-10个氨基酸发挥关键作用。确认靶标。寻找药理学作用的最佳位点。利用多肽与靶蛋白的生理作用来预测药物作用位点。高通量筛选的替代配基。合成得到与靶蛋白特定功能位点序列相同的多肽，并以此作为一个检测平台，然后根据此测定小分子置换多肽配体或阻止配体结合的能力。54 由仅有6到8个氨基酸组成的细细的环，它很容易移动，只有在它们到达细菌细胞膜以后，它们就会自然地形成氢键聚集成一堆，象其它肽那样发挥作用。几个堆积的插入就会拉紧细胞膜并破裂成一个洞，致细菌死亡。 2.3 肽类药物的前景55由于多肽分子的多样性和分子识别功能，多肽在很多生命调节过程以及疾病诊断和治疗方面表现出独特的作用。虽然目前成熟

17、的多肽药物不多，但多肽作为药物或侯选药物的应用潜力非常巨大。2.3 肽类药物的前景和难度562.3 核酸适配体的应用核酸适配体（Aptamer）是一段DNA或者RNA序列，是利用体外筛选技术指数富集的配体系统进化技术 （Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX），从核酸分子文库中得到的寡核苷酸片段。572.3 核酸适配体的应用/?q=DINAMelt/Quickfold58练习题 2/?q=DINAMelt/Quickfold2.3 核酸适配体的应用 上面三种DNA序列各自有几种构型，分别是什么？ 3 或者

18、5 是否对茎环结构的稳定性有影响？ 3 或者 5 是否对互补链打开茎环的难易度有影响？ 你从上面的结果还可以得到什么样的结论？/?q=DINAMelt/Hybrid2离子种类？离子浓度？温度？592.3 核酸适配体的应用601. 蛋白质基础知识2. 多肽的化学生物学3. 蛋白质化学合成4. 蛋白质修饰和蛋白质药物613.0 蛋白质化学合成利用机体或微生物合成蛋白质有它的局限性：得到的多肽或蛋白质一般仅含有20种天然氨基酸，非天然氨基酸难进入到合成的蛋白质中。很难精确控制翻译后蛋白质特殊位点的修饰。多区段复杂的大分子量的蛋白质难生物合成。在细胞中难以表达有毒蛋白或膜蛋白。 但是，化学合成蛋白质能够克服这些局限。可以让非天然的氨基酸引入，可以对蛋白质进行任何位点的修饰和标记。自然化学连接和蛋白质半合成是克服这些局限的有力武器。62而每一个片段氨基酸都少于50个往往需要将几个多肽片段连接起来最好是在连接中使用无保护的多肽 Kent开创自然化学连接(Native Chemical Ligation, NCL)3.0 蛋白质化学全合成