液相多肽合成的基本策略包括线性和收敛式两种。液相多肽合成需要对反应位点羧基和氨基以外的其他活性官能团进行保护,确保缩合反应能够顺利地在有机溶剂中定点地进行。液相缩合法的特点是每完成一个缩合反应都需要进行一次中间体肽的分离纯化操作。分离纯化后的产物再重新置于液相体系中与另一个氨基酸进行缩合反应,以此类推完成后续氨基酸的缩合。为了提高反应效率,在每一步的缩合过程中加入的氨基酸片段需要过量。反复的分离及纯化耗时久而且效率不高,这一问题在长肽的合成中尤为突出。肽链在延伸过程中所产生的极性或电荷的变化,使得产物在有机溶剂中的溶解度降低,增加了合成目标多肽的困难。此外,全保护多肽片段的分析表征需要通过解保护再纯化后进行鉴定,也增加了液相法的操作复杂度。
1953年,V.迪维尼奥等首次通过液相法制备了多肽激素催产素(oxytocin,含9个氨基酸残基,结构见图)。催产素的合成是液相合成多肽的经典案例。由于液相法化学反应的原子经济性好,因而液相法制备成本较低,一些多肽的工业化制备仍采取经典的液相法。
迪维尼奥合成催产素
酶的功能体现在它可以催化一个化学反应向正方向或者反方向进行。反应平衡点的移动取决于反应条件。酶法合成肽的原理正是利用这个特点,在有机介质中利用蛋白水解酶的逆转反应来合成肽键。这一策略改变了传统意义上认为酶由于是水溶性生物大分子,只能在水介质中进行催化反应,而有机溶剂会使酶变性失活的观念。1898年,J.H.范托夫等提出胰蛋白酶可能具有催化由它本身的蛋白水解活性而产生的降解物的蛋白再合成。1937年,M.伯格曼等第一次用木瓜蛋白酶酶促合成了Z-Gly NHC6H5,产率达80%;随后他们又先后用木瓜蛋白酶等催化合成了肽。20世纪70年代,森原和之[注]、W.库尔曼等通过利用蛋白酶合成模型肽和生物活性肽的工作,阐述了利用蛋白酶进行多肽合成的意义。在溶液中使用酶促方法来合成多肽已经成为常规的技术,包括甜味二肽和脑啡肽等多肽的合成更达到了工业化的程度。相对于非酶催化的化学合成方法,酶法合成的优势有:①反应条件温和,可以在常温、中性、有水的条件下操作;②酶高度的区域选择性允许使用保护程度低的底物;③肽的酶法合成具有立体特异性。
胰岛素是一种激素多肽,具有降低血糖和调节体内糖代谢的功能。胰岛素是由A和B两条链组成的多肽,A链由21个氨基酸残基组成,而B链由30个氨基酸残基组成。人工合成胰岛素需要把氨基酸按照一定的顺序连接起来,组成A、B链,并把A、B两条链连在一起。1965年中国科学家首次合成了结晶牛胰岛素,这是第一个在全球范围内完全合成的功能性结晶蛋白。研究工作中使用侧链保护的肽在溶液中进行缩合,并将合成的B链同天然的A链形成正确的二硫键生成牛胰岛素,通过动物实验验证其具有和天然胰岛素相同的生物活性。结晶牛胰岛素的合成,标志着人类在认识生命、探索生命奥秘的征途上迈出了重要的一步。