学术之道期末论文终稿_第9组_多肽合成学小组重点讲义.docx

从液相合成催产素到天然化学连接法——多肽合成学简史杜兴 华易 马成 王诗达学术之道第九组（ 清华大学 北京 100084 ）摘要化学合成多肽作为生物化学界的一项重要内容，在一个世纪前迪维尼奥教授用液相合成技术合成催产素时就已经悄然起步。由于在多方面展现出的优越性，体外人工合成多肽一直被生物化学界予以极高关注，它也从最初的液相合成一步步发展出固态合成、天然化学连接法等各种新兴分支，并取得了很多成就，甚至合成出了一些具有复杂结构的蛋白质。本文欲从整体综述人工合成多肽百年的科学历程，并对这其中的部分发展革新具体分析，梳理出一条人工合成多肽的学术之路。关键词 多肽合成，基因工程，中国人工合成胰岛素0 引言美国著名科学家、诺贝尔奖获得者朱棣文教授曾预言“21世纪的生物工程就是研究基因工程与蛋白质工程”[1]，而多肽化学全合成技术作为蛋白质工程中的一项尖端技术，长年以来一直被生物化学界投以极高关注。随着多肽化学全合成技术的日益进步，其成果也从最初的催产素、牛胰岛素等简单结构短链多肽发展进步到了一些结构功能多样化的蛋白质如HIV-1蛋白酶、人造红血球生成蛋白（SEP）等。而先前成果在临床医学、药物学等领域所做出的巨大贡献让科学家们对追求效率更高、产物复杂程度更高的新合成方法一直都有着高昂的热情。下面我们将从一个世纪前迪维尼奥的液相合成催产素讲起，完整的叙述人工合成多肽百年春秋的学术之道。1 多肽化学全合成的开端——迪维尼奥与催产素1.1 迪维尼奥生平前面已经多次提到迪维尼奥这位蛋白质化学全合成界的泰斗，那么下面我们先来简单的了解一下这位学术“大牛”的生平和学术贡献：文森特·迪维尼奥（Vincent du Vigneaud），1901年5月18日，迪维尼奥出生在美国伊利诺伊州芝加哥市，他的父亲是一名晚期的发明家和机械设计师。迪维尼奥在大学时期师从马维尔（C.S. Marvel）教授，并在1923年取得伊利诺伊大学学士学位，在1924年取得硕士学位。从伊利诺伊大学毕业后，他先后在费城总医院、宾夕法尼亚大学医学研究生院等地继续深造，并在1927年向罗切斯特大学医学院提交了他的博士论文。迪维尼奥回到美国后，在1932年成为乔治华盛顿大学医学院的生化科主任；从1938年开始他担任康奈尔大学医学院的生物化学系主任教授。迪维尼奥也曾在美国和英国的许多大学开设讲座，比如在英国的剑桥的Liversidge讲座。迪维尼奥的研究主要集中在含硫化合物在生物化学的重要性，期间他一直致力于催产素的研究，他将催产素分解为片段，对这些片段进行研究。他推断催产素是一种仅由八个氨基酸构成的蛋白质分子[2]。他也因为对生化方面含硫化合物的研究，尤其是首先用人工方法合成多肽类激素——催产素和增血压素而被授予1955年的诺贝尔化学奖。在迪维尼奥合成催产素之前，天然的催产素数量少且价格昂贵，无法大量使用。当迪维尼奥首先发明人工合成催产素后，催产素开始被大量生产并应用于临床[2]。1.2 液相合成法了解过迪维尼奥的生平与贡献后，下面我们就以催产素为例简单介绍迪维尼奥所采用的液相合成法的基本原理。催产素（oxytocin）是一种由八个氨基酸连接而成的多肽，这八个氨基酸分别为胱氨酸（cysteine）、酪氨酸（tyrosine）、异亮氨酸（isoleucine）、亮氨酸（leucine）、谷氨酸（glutamic acid）、天冬氨酸（aspartic acid）、甘氨酸（glycine）和脯氨酸（proline）。同时在天冬氨酸、谷氨酸和甘氨酸裸露的羧基上还要修饰上总共3个分子的氨基，这意味着还需要三分子氨气参与反应。迪维尼奥在学术生涯早期曾经发现提取出来的催产素在经过还原和氧化之后仍然保持了原有的活性，其中的步骤为先用钠和液氨将催产素还原，此时胱氨酸上的S-S键断开，再进行苯酰化得到S，S’-二苯酰衍生物，然后再用钠和液氨除去苯酰基，接着通入空气氧化再次得到活力不减的催产素。根据这个现象，迪维尼奥提出了先合成上述的S，S’-二苯酰衍生物的思路，为合成催产素打开了大门（具体过程详见图1）。1.3 评价经过该反应得到的产物活性和天然产物差距很小，在当时这个合成路线是非常成功的。不过在这个合成过程中利用的反应都是简单的有机反应，而且我们可以看到迪维尼奥的成功更多的是催产素结构本身S-S键的特点导致的，他在合成其它几种多肽时也多次利用了目标物质一些结构的特点，而缺乏一个模式化的合成方法。虽然迪维尼奥并没有将氨基酸按顺序线性组合，但是可以预测如果仍利用该思路合成氨基酸数量更大的多肽，所需要的反应数量将随之骤增。再考虑到该反应的技术和普通的有机合成并没有本质差别，全部在液相中完成。虽然合成催产素中没有涉及过多分离提纯的步骤，但是可以想象，如果要合成更长的肽链，在液相中反应后所要求的分离提纯过