多肽合成如何设计

多肽合成如何设计

多肽的序列、长度和氨基酸的组成影响多肽能否正确的组装和是否可以纯化。这些因素也决定了最终的多肽产品的溶解性。在设计多肽时应该考虑到以下几点：

1.       多肽序列的设计

大部分多肽的生物活性衍生于天然蛋白的N-端，C-端或者中间部分。但是由于各种各样的原因，这些天然的序列有时候需要做一些修改。即使是一些相对短的序列，也有一些必要的和不必要的氨基酸残基，但是这些残基的重要性并不容易去确定。我们通常对这些非必要的氨基酸残基做一些修改：氨基酸残基的替代（多肽的溶解性，稳定性等）；化学修饰（稳定性，结构功能研究）；连接配体抗原等。对于一些来自于蛋白中间的序列，有时候必须对N-端或者C-端用乙酰化和酰胺进行封闭，以避免引入天然序列中不存在的电荷。对于结构大的配体，通常需要在配体和多肽中间引入一个连接臂，使得配体对多肽折叠的影响最小化。

2.       多肽的长度

随着多肽长度的增加，通常会降低粗品多肽的长度。对于长度少于15个氨基酸残基的多肽，收率通常是令人满意的，也比较容易合成。

3.       溶解性

多肽的氨基酸组成对多肽的设计是很重要的一个方面，而这一点常常被大家所忽略。氨基酸的组成很大程度的影响多肽的溶解性。含有高比例的疏水性残基的多肽在水溶液中的溶解性很有限甚至完全不溶，比如：亮氨酸，缬氨酸，异亮氨酸，蛋氨酸，苯丙氨酸和色氨酸。接下来就很难使用这些多肽进行实验，而且这些多肽也很难纯化。我们建议保持疏水性氨基酸在多肽中的比例低于50%，而且每5个残基中至少有一个带电荷的残基。在生理pH值下，天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和精氨酸都有带电荷的侧链。

4.       困难的氨基酸

含有多个半胱氨酸，蛋氨酸或者色氨酸的多肽，很难得到高的纯度，因为这些氨基酸的侧链很容易被氧化或者发生副反应。如果可能的话，尽可能使多肽尽量少含有这些残基。通常我们可以使用正亮氨酸代替蛋氨酸，用丝氨酸代替半胱氨酸。如果有很多条来源于天然蛋白的多肽或者Overlapping多肽需要合成，可以在每条多肽的起始点做一些变化使得亲水性残基和疏水性残基达到更好的平衡。比如，在所选择多肽的起始点或者终点有2个半胱氨酸，把2个半胱氨酸分开到2条多肽中，这样使得合成和纯化都要更容易。

5.       二级结构

在设计多肽的时候最后我们要考虑到形成β折叠。在合成过程中，随着多肽链的延长，β折叠结构导致最终产品中有非常多的缺失序列。选择不要含有较多连续的缬氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、亮氨酸、谷氨酰胺和苏氨酸序列可以避免这样的问题。如果无法避免含有连续这些残基的序列，我们可以在每3个残基中插入一个甘氨酸或者脯氨酸、用天冬酰胺代替谷氨酰胺、或者用丝氨酸代替苏氨酸。

对多肽序列进行分析：

带正电荷的残基：赖氨酸，精氨酸，组氨酸，N-末端

带负电荷的残基：天冬氨酸，谷氨酸，C-末端

不带电荷的疏水性残基：苯丙氨酸，异亮氨酸，亮氨酸，蛋氨酸，缬氨酸，色氨酸和酪氨酸

不带电荷的残基：甘氨酸，丙氨酸，苏氨酸，丝氨酸，半胱氨酸，天冬酰胺，谷氨酰胺，脯氨酸，乙酰化和酰胺化

1.N-末端

N-末端的谷氨酰胺在切割的酸性条件下很容易环化成焦谷氨酸。我们建议用焦谷氨酸代替N-末端的谷氨酰胺，去掉谷氨酰胺，用其他氨基酸代替谷氨酰胺，或者用乙酰化修饰N-末端的谷氨酰胺。当天冬酰胺位于N-末端时，会形成一个很难除掉的保护基团。我们建议去掉N-末端的天冬酰胺或者用其他氨基酸代替。

2.C-末端

     如果在C-末端的是非天然氨基酸包括D-型氨基酸，C-末端应该酰胺化。如果需要在C-末端进行修饰（荧光染料，生物素等），修饰必须通过赖氨酸的侧链连接，这些肽的C-端也要酰胺化

3.序列

     随着多肽长度的增加，偶联反应的效率会越来越低，粗品的纯度也会越来越低。但是少于5个残基的多肽在切割和纯化过程中也会导致问题。含有3-5个残基的序列应该至少含有一个疏水性残基（亮氨酸，异亮氨酸，色氨酸，缬氨酸，苯丙氨酸，酪氨酸，蛋氨酸）或者疏水性的修饰基团。

a)       序列中含有多个脯氨酸容易形成顺式/反式异构体，导致纯度降低

b)       连续的丝氨酸的序列导致片段缺失，纯度降低

c)       多个天冬氨酸在序列中，容易形成天冬亚酰胺导致纯度降低

d)       序列中太多的修饰通常也会影响多肽的纯度和收率

e)       连续多个甘氨酸（4个或者更多），多肽骨架之间容易形成氢键，这种氢键导致多肽难于溶解和纯化

f)        磷酸化修饰导致偶联效率的降低。因为合成是从C-末端向N-末端进行，因此从磷酸化修饰的氨基酸到N-末端之间应少于10个残基

4.溶解性

     通常每5个氨基酸残基中至少含有1个带电荷的残基（包括没有封闭的C-末端和N-末端）。如果含有足够的电荷，确保连续的不带电荷的残基个数不超过5个。