化學(xué)生物課件

1、111化學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)課程類(lèi)別：專(zhuān)業(yè)選修課學(xué)時(shí)安排：24學(xué)時(shí)時(shí)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(shí)2. 多肽的化學(xué)生物學(xué)3. 蛋白質(zhì)化學(xué)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(shí)2. 多肽的化學(xué)生物學(xué)3. 蛋白質(zhì)化學(xué)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(chēng)、簡(jiǎn)寫(xiě)和等電點(diǎn)7771.1 基本概念：結(jié)構(gòu)式、名稱(chēng)、簡(jiǎn)寫(xiě)和等電點(diǎn)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(lèi)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(yīng)111111121212肽鍵(peptide bond)：一個(gè)氨基酸的羧基與另 一氨基酸的氨基縮水而成的酰胺鍵稱(chēng)為肽鍵。（CONH）肽平面(peptide unit)：由肽鍵中的四個(gè)原子 與之相鄰的兩個(gè)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(diǎn)151.1 基本概念：肽單位空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1717核糖體多肽 由mRNA翻譯合成，包括激素、信號(hào)分子、抗生素，按照“生物遺傳學(xué)中心法則”，翻譯多肽具有修飾過(guò)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(lèi)（以來(lái)源區(qū)分）1818谷胱甘肽（嚴(yán)格地講，它僅含三個(gè)氨基酸殘基，應(yīng)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(duì)經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)的反應(yīng)，起修飾經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)的作用，故稱(chēng)為神經(jīng)調(diào)質(zhì)（Neuromodulator）。又被稱(chēng)為“腦內(nèi)嗎啡”，對(duì)腦細(xì)胞具有獨(dú)特的作用，能夠激活處于抑制沉睡狀態(tài)的腦細(xì)胞，對(duì)因腦損傷導(dǎo)致的后遺癥有很好的恢復(fù)作用。由葡萄糖、麥芽糖和麥芽三糖這些糖類(lèi)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(gè)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(tuán)。作為動(dòng)物細(xì)胞中的抗氧化劑，存在于充滿水的細(xì)胞內(nèi)部，可以保護(hù)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(kāi)始，很多商家都把谷胱甘肽加入護(hù)膚品或潔膚用品里，又或把它制成營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)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(xué)本質(zhì)：三肽（焦谷氨酸-組氨酸-脯氨酸） 生理功能： 促進(jìn)腺垂體分泌促甲狀腺素，后者促進(jìn)甲狀腺細(xì)胞增生、合成并分泌甲 狀腺激素可促進(jìn)生乳素、催產(chǎn)素和輥壓素的分泌可影響大腦的機(jī)能，如抗抑郁、改變睡眠覺(jué)醒和行為 2121211.1 基本概念：一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)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(xué)生物化學(xué)中講的蛋白質(zhì)或多肽，多屬于這一種類(lèi)。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(lèi)（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(xì)胞刺激激素（-MSH）即是一個(gè)19個(gè)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(xué)生物化學(xué)中講的蛋白質(zhì)或多肽，多屬于這一種類(lèi)。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(lèi)（以化學(xué)鍵性質(zhì)區(qū)分）2525 黑色素細(xì)胞刺激激素來(lái)源豐富的,可在皮膚細(xì)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(xì)胞刺激素(-MSH)271. 蛋白質(zhì)基礎(chǔ)知識(shí)2. 多肽的化學(xué)生物學(xué)3. 蛋白質(zhì)化學(xué)合成4. 蛋白質(zhì)修飾和蛋白質(zhì)藥物28282.1 多肽化學(xué)合成：-氨基酸的合成方法2929多肽的合成就是形成肽鍵的過(guò)程，即一個(gè)氨基酸的

7、氨基親核進(jìn)攻另一個(gè)氨基酸被活化的羧基部分而形成肽鍵。為了獲得單一目標(biāo)產(chǎn)物，兩個(gè)氨基酸的其他活性基團(tuán)必須進(jìn)行保護(hù)。2.1 多肽化學(xué)合成：肽鍵形成原理和保護(hù)基30制備部分保護(hù)的氨基酸，形成只有單一活性位點(diǎn)的氨基酸衍生物。將氨基保護(hù)的氨基酸的羧基部分進(jìn)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(yīng)，形成酰胺鍵。對(duì)氨基酸的保護(hù)基進(jìn)行選擇性脫除或全脫除。2.1 多肽化學(xué)合成：肽鍵形成的三個(gè)步驟312.1 多肽化學(xué)合成：羧基的活化羧基的活化基團(tuán)（僅舉酸酐法一例說(shuō)明）3232322.1 多肽化學(xué)合成：例子（丙氨酸 + 亮氨酸）332.1 多肽化學(xué)合成：化學(xué)合成多肽的發(fā)展歷程美國(guó)洛克菲勒大學(xué)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(gè)重大突破，對(duì)化學(xué)，生化，醫(yī)藥，免疫和基因科學(xué)等學(xué)科和領(lǐng)域都起了巨大的推動(dòng)作用。在固相法中，每步反應(yīng)后只需簡(jiǎn)單地洗滌樹(shù)脂，便可達(dá)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(dòng)化合成肽奠定了基礎(chǔ)。他本人也因此項(xiàng)發(fā)明榮獲1984化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。342.1 多肽化學(xué)合成：固相合成法的誕生 Bruce Merrifield經(jīng)過(guò)了反復(fù)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(hù)-氨基并在固相多肽合成上使用，同時(shí)， Bruce Merrifield在60年

9、代末發(fā)明了第一臺(tái)全自動(dòng)多肽合成儀，并首次合成生物蛋白酶，核糖核酸酶(124個(gè)氨基酸)。35去保護(hù)：Fmoc保護(hù)的柱子和單體必須用一種堿性溶劑(piperidine)去除氨基的保護(hù)基團(tuán)。激活和交聯(lián)：下一個(gè)氨基酸的羧基被一種活化劑所活化?；罨膯误w與游離的氨基反應(yīng)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(yīng)完成。循環(huán)：這兩步反應(yīng)反復(fù)循環(huán)直到合成完成。洗脫和脫保護(hù)：多肽從柱上洗脫下來(lái)，其保護(hù)基團(tuán)被一種脫保護(hù)劑(TFA) 洗脫和脫保護(hù)。2.1 多肽化學(xué)合成：固相合成法基本步驟362.1 多肽化學(xué)合成：固相多肽合成37Liberty多肽合成儀突破了一直以來(lái)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(yīng)過(guò)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(chǎng)技術(shù)，多肽鏈在這種環(huán)形聚焦電磁場(chǎng)的作用下可以充分的伸展開(kāi)，從而可以非常高效的進(jìn)行多肽合成流程中的一系列反應(yīng)，如脫保護(hù)、耦合以及切割反應(yīng)。使多肽合成時(shí)間由過(guò)去以小時(shí)為單位計(jì)算的歷史改寫(xiě)為以分鐘為單位計(jì)算，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了以往難以想象的長(zhǎng)肽以及困難多肽的合成。 2.1 多肽化學(xué)合成：現(xiàn)代多肽合成儀382.1 多肽化學(xué)合成：Liberty多肽合成儀Liberty全自動(dòng)流動(dòng)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(guó)多肽協(xié)會(huì)推薦而榮膺國(guó)際應(yīng)用科學(xué)R&D100發(fā)明大獎(jiǎng)。并被全球十大實(shí)驗(yàn)室之一的美國(guó)Brook

11、haven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及安進(jìn)公司應(yīng)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(duì)暫不參與形成酰胺鍵的氨基和羧基加以保護(hù)，同時(shí)對(duì)氨基酸側(cè)鏈上的活性基因也要保護(hù)，反應(yīng)完成后再將保護(hù)基因除去。同液相合成一樣，固相合成中多采用烷氧羰基類(lèi)型作為氨基的保護(hù)基，因?yàn)檫@樣不易發(fā)生消旋。2.1 多肽化學(xué)合成：多肽合成中的保護(hù)基問(wèn)題402.1 多肽化學(xué)合成：多肽合成中的保護(hù)基問(wèn)題BOC：可以避免多肽在樹(shù)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(zhǎng)肽合成中效率較低，優(yōu)點(diǎn)裂解條件溫和、副反應(yīng)少，可獲得側(cè)鏈暫時(shí)保護(hù)的序列。412.

12、1 多肽化學(xué)合成：環(huán)肽的跨膜屏障應(yīng)用細(xì)胞膜作為細(xì)胞的天然屏障是阻礙化療藥物進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的主要因素,而膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的外排作用使化療藥物進(jìn)入腫瘤細(xì)胞變得更加困難。若能采取適宜的手段突破細(xì)胞膜屏障使化療藥物快速地以高濃度進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),將削弱腫瘤細(xì)胞外排作用,從而大大增強(qiáng)化療藥物的藥理作用,使腫瘤細(xì)胞在尚未產(chǎn)生耐藥性之前而死亡，從而達(dá)到有效治療腫瘤的目的。 422.2 多肽化學(xué)合成：跨膜離子通道線粒體核仁細(xì)胞核核糖體分泌物胞吐作用432.2 細(xì)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(qiáng)導(dǎo)致難以跨域細(xì)胞膜肽模擬物根

13、據(jù)與受體結(jié)合的多肽而設(shè)計(jì)，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(qiáng)的藥物發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)價(jià)值。胃內(nèi)有胃蛋白酶，多肽類(lèi)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(jì)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(shí)胃蛋白酶的水解，又可因含有多個(gè)精氨酸序列，而協(xié)助其跨越細(xì)胞膜。從而實(shí)現(xiàn)其充當(dāng)藥物的治療作用。因此可見(jiàn)，肽模擬物具有很強(qiáng)的藥物發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)價(jià)值。2.3 肽模擬物472.3 肽模擬物肽模擬物主要分成三種類(lèi)型：以酰胺類(lèi)似物或二級(jí)結(jié)構(gòu)類(lèi)似物來(lái)代替多肽的模擬物。這類(lèi)模擬物通常與多肽骨架匹配，在某些部位進(jìn)行單元置換或引入官能團(tuán)特定的位置誘導(dǎo)形成確定的二級(jí)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(duì)其進(jìn)行烷基化修飾。功能模擬物，指用于多肽受體的非肽類(lèi)小分子，是天然多肽的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物。非肽類(lèi)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(lèi)似物。482.3 肽模擬物：類(lèi)肽在類(lèi)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(guò)側(cè)鏈遷移，類(lèi)肽由于缺少了主鏈氮上的氫，類(lèi)肽一般不能夠形成類(lèi)似于肽和蛋白中的二級(jí)結(jié)構(gòu)一樣的高級(jí)有序結(jié)構(gòu)不再具有手性比肽更高的構(gòu)象柔性不會(huì)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(lèi)肽合成方法為亞單體合成法, 由Ron Zuckermann發(fā)

15、明，每一個(gè)單體分兩步進(jìn)行合成：?；磻?yīng)和 取代反應(yīng)。 在酰化反應(yīng)中，第一步為活化的鹵代乙酸與上一步末尾殘留的胺反應(yīng)，最常見(jiàn)為用二異丙基碳化二亞胺活化的溴乙酸。在取代反應(yīng)中（雙分子親核取代反應(yīng)），一個(gè)胺，通常為伯胺，進(jìn)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(jiǎn)單易得的伯胺合成類(lèi)肽，進(jìn)而使類(lèi)肽的組合化學(xué)合成成為可能。2.3 肽模擬物：肽502.3 肽模擬物：類(lèi)肽練習(xí)題 1512.3 肽模擬物：化學(xué)信號(hào)通過(guò)受體在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)換傳遞細(xì)胞膜522.3 肽模擬物：受體與配體結(jié)合的特點(diǎn)532.3 多肽的應(yīng)用和肽類(lèi)藥物肽靶向蛋白質(zhì)（靶蛋白）的功能位點(diǎn)。不是所有靶蛋白的氨基酸都參與作用，只有功能位

16、點(diǎn)附近的3-10個(gè)氨基酸發(fā)揮關(guān)鍵作用。確認(rèn)靶標(biāo)。尋找藥理學(xué)作用的最佳位點(diǎn)。利用多肽與靶蛋白的生理作用來(lái)預(yù)測(cè)藥物作用位點(diǎn)。高通量篩選的替代配基。合成得到與靶蛋白特定功能位點(diǎn)序列相同的多肽，并以此作為一個(gè)檢測(cè)平臺(tái)，然后根據(jù)此測(cè)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(gè)氨基酸組成的細(xì)細(xì)的環(huán)，它很容易移動(dòng)，只有在它們到達(dá)細(xì)菌細(xì)胞膜以后，它們就會(huì)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(gè)堆積的插入就會(huì)拉緊細(xì)胞膜并破裂成一個(gè)洞，致細(xì)菌死亡。 2.3 肽類(lèi)藥物的前景55由于多肽分子的多樣性和分子識(shí)別功能，多肽在很多生命調(diào)節(jié)過(guò)程以及疾病診斷和治療方面表現(xiàn)出獨(dú)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(yīng)用潛力非常巨大。2.3 肽類(lèi)藥物的前景和難度562.3 核酸適配體的應(yīng)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(jìn)化技術(shù) （Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX），從核酸分子文庫(kù)中得到的寡核苷酸片段。572.3 核酸適配體的應(yīng)用/?q=DINAMelt/Quickfold58練習(xí)題 2/?q=DINAMelt/Quickfold2.3 核酸適配體的應(yīng)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(duì)莖環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有影響？ 3 或者 5 是否對(duì)互補(bǔ)鏈打開(kāi)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(lèi)？離子濃度？溫度？592.3 核酸適配體的應(yīng)用601. 蛋白質(zhì)基礎(chǔ)知識(shí)2. 多肽的化學(xué)生物學(xué)3. 蛋白質(zhì)化學(xué)合成4. 蛋白質(zhì)修飾和蛋白質(zhì)藥物613.0 蛋白質(zhì)化學(xué)合成利用機(jī)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(jìn)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(diǎn)的修飾。多區(qū)段復(fù)雜的大分子量的蛋白質(zhì)難生物合成。在細(xì)胞中難以表達(dá)有毒蛋白或膜蛋白。 但是，化學(xué)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(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行任何位點(diǎn)的修飾和標(biāo)記。自然化學(xué)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(gè)片段氨基酸都少于50個(gè)往往需要將幾個(gè)多肽片段連接起來(lái)最好是在連接中使用無(wú)保護(hù)的多肽 Kent開(kāi)創(chuàng)自然化學(xué)連接(Native Chemical Ligation, NCL)3.0 蛋白質(zhì)化學(xué)全合成