第四章蛋白质的化学合成
蛋白质的化学全合成
蛋白质的化学全合成1. 前言蛋白质是生命体中最为重要的大分子之一，在生命体的生存中发挥着至关重要的作用。
其结构多样性和复杂性使其成为生命科学中最为具有挑战性的研究领域之一。
在过去的几十年里，生物技术和化学技术等领域的不断发展和进步，使得蛋白质的化学全合成成为可能。
2. 蛋白质的化学全合成的原理蛋白质化学全合成指的是通过化学合成方法在旁路反应和选择性修饰的控制下一步步地合成出完整、具有生物活性的蛋白质的技术。
其原理主要是将氨基酸依次加入至聚合物上，以在无水条件下形成肽键，并不断组装连接，得到具有完整空间结构和功能的蛋白质分子。
3. 蛋白质化学全合成的步骤蛋白质化学全合成一般可以分为以下几个步骤：3.1. 保护群的引入和去除在化学合成肽链的过程中，为了防止氨基酸发生旁路反应，需要引入“保护群”。
保护群的引入方式包括固相合成和液相合成。
保护群去除环节也是必不可少的步骤。
3.2. 氨基酸的活化在成品肽的合成中，通常采用氨基酸二元法，首先要将氨基酸与活化剂（如DCC）反应生成氨基酸酰尿素中间体，再与下一个氨基酸进行缩合。
3.3. 肽链的组装和延伸通过将氨基酸分子依次组装连结，构建所需的蛋白质分子。
3.4. 连接和删除保护群氨基酸分子之间需要用活化剂和缩合剂反应，使它们形成新的肽键；之后需要在一定的条件下去除引入的保护基，使肽链不断延伸。
3.5. 溶液法和固相法的应用在蛋白质化学全合成中，通常会采用固相合成法和溶液相合成法两种方法来合成肽链。
4. 蛋白质化学全合成的限制因素蛋白质化学全合成虽然有其自身的优势，但同时也存在着各种限制因素。
例如，由于蛋白质复杂结构的存在，化学合成方法往往会受到质量控制、时间效率、中间体的制造和纯化等多种因素的限制；此外，缩合的情况还受到侧链和残基的种类、组合方式等角度的限制。
5. 结语蛋白质化学合成是现代化学和生物学交叉领域的研究热点之一。
虽然该技术受到了多种限制因素的制约，但在不断的技术创新和实现中，也为化学家和生物学家们提供了更广阔的切入点和研究空间，为相关理论的建树和实践应用的提升都提供了重要催化作用。
大学生物化学课件蛋白质的生物合成
核糖体结合的分子伴侣
非核糖体结合性分子伴侣— 热休克蛋白 伴侣蛋白
(1)热休克蛋白（heat shock protein, HSP )：
属于应激反应性蛋白，高温应激可诱导该蛋白 合成增加。
在大肠杆菌中包括HSP70, HSP40和GrpE三族
Peptidyl site （P Site）
E位
Aminoacyl site （A Site）
mRNA
肽链合成需要酶类和蛋白质因子
• 蛋白质因子： • （1）起始因子 • 原核生物 IF； 真核生物 eIF • （2）延长因子 • 原核生物 EF； 真核生物 eEF • （3）释放因子 • 原核生物 RF； 真核生物 eRF
第二节 蛋白质生物合成的过程
翻译过程从阅读框架的5’-AUG开始，按mRNA 模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码 出现。
整个翻译过程可分为三个阶段：
起始(initiation）
延长（elongation)
终止(termination)
一、肽键合成的起始（Initiation）
多肽链合成后需要逐步折叠成天然空间构象才成为有 功能的蛋白质。
时间： 新生肽链N端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠
即开始，折叠在肽链合成中、合成后完成。
细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完 成，而需要其他酶、蛋白质辅助 ：
•
分子伴侣
•
蛋白二硫键异构酶
•
肽-脯氨酰顺反异构酶
1．分子伴侣*（molecular chaperon）
需要：
转位酶（原核生物中是EFG，真核生物中是eEF-2）， GTP 结果：
生物化学：第四章 蛋白质合成的调控(讲义)
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微生物与生化药学 杜军
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第四章第四节 蛋白质合成调控
Poly(A)对翻译的促进作用是需要PABP（poly(A) 结合蛋白）的存在，PAPB结合poly(A)最短的长 度为12 nt，当poly(A)缺乏PAPB的结合时， mRNA 3′端的裸露易招致降解。
AAAAAAAAAAAA PABP
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第四章第四节 蛋白质合成调控
（二）mRNA的稳定性对翻译水平的影响
在细胞质中所有的RNA都要受到降解控制 （degradation control）在控制中RNA降解的速率 （也称为RNA的转换率)是受到调节的；
mRNA分子的稳定性很不一致，有的mRNA的寿 命可延续好几个月，有的只有几分钟；
Lin-4调控翻译机制的模式图
3′非翻译区
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第四章第四节 蛋白质合成调控
Lin-4调控Lin-14mRNA翻译作用的示意图
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第四章第四节 蛋白质合成调控
引发基因沉默的microRNA (miRNA)
microRNA (miRNA) 是一类长度约为2024个核苷酸长度的具有调控基因表达功 能的非编码RNA。
• 由此可见，eIF4E、eIF2-GTP在转录起始过程中起到了关键 作用。
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第四章第四节 蛋白质合成调控
① eIF-4E
真核生物翻译起始的限速步骤
eIF-4E结合蛋白4E-BP抑制4E 与Cap结合，从而抑制翻译的 起始；
生化蛋白质复习笔记
第四章蛋白质化学蛋白质是生命的物质基础,存在于所有的细胞及细胞的所有部位。
所有的生命活动都离不开蛋白质。
第一节蛋白质的分子组成蛋白质结构复杂，它的结构单位——氨基酸很简单。
所有的蛋白质都是由20种氨基酸合成的，区别只是蛋白质分子中每一种氨基酸的含量及其连接关系各不相同。
一、一、氨基酸的结构氨基酸是由C、H、O、N等主要元素组成的含氨基的有机酸。
用于合成蛋白质的20种氨基酸称为标准氨基酸。
标准氨基酸都是α-氨基酸，它们有一个氨基和一个羧基结合在α-碳原子上，区别在于其R基团的结构、大小、电荷以及对氨基酸水溶性的影响。
在标准氨基酸中，除了甘氨酸之外，其他氨基酸的α-碳原子都结合了4个不同的原子或基团：羧基、氨基、R基团和一个氢原子(甘氨酸的R基团是一个氢原子)。
所以α-碳原子是手性碳原子，氨基酸是手性分子。
天然蛋白质中的氨基酸为L-构型,甘氨酸不含手性碳原子，但我们习惯上还是称它L-氨基酸。
苏氨酸、异亮氨酸各含两个手性碳原子。
其余标准氨基酸只含一个手性碳原子。
二、氨基酸的分类根据R基团的结构可以分为脂肪族、芳香族、杂环氨基酸；根据R基团的酸碱性可以分为酸性、碱性、中性氨基酸；根据人体内能否自己合成可以分为必需、非必需氨基酸；根据分解产物的进一步转化可以分为生糖、生酮、生糖兼生酮氨基酸；根据是否用于合成蛋白质(或有无遗传密码)可以分为标准(或编码)、非标准(或非编码)氨基酸。
(一)含非极性疏水R基团的氨基酸这类氨基酸的侧链是非极性疏水的。
其中包括丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、脯氨酸。
(二)含极性不带电荷R基团的氨基酸这类氨基酸包括丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸，其侧链具亲水性，可与水形成氢键(半胱氨酸除外)，所以与非极性氨基酸相比，较易溶于水。
(三)碱性氨基酸pH7.0时侧链带正电荷的氨基酸包括赖氨酸、精氨酸、组氨酸——含咪唑基。
(四)酸性氨基酸包括天冬氨酸、谷氨酸四、氨基酸的理化性质(一)两性电离与等电点所有的氨基酸都含有氨基，可以结合质子而带正电荷；又含有羧基，可以给出质子而带负电荷，氨基酸的这种电离特性称为两性电离。
食品化学 第四章蛋白质 (氨基酸)
20种基本氨基酸的发现年代表
天冬酰氨 甘氨酸 亮氨酸 酪氨酸 丝氨酸 谷氨酸 天冬氨酸 苯丙氨酸 丙氨酸 赖氨酸 精氨酸 组氨酸 胱氨酸 缬氨酸 脯氨酸 色氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸 苏氨酸 1806 1820 1820 1849 1865 1866 1868 1881 1881 1889 1895 1896 1899 1901 1901 1901 1904 1922 1935 Vauquelin Braconnot Braconnot Bopp Cramer Ritthausen Ritthausen Schultze Weyl Drechsel Hedin Kossel,Hedin Morner Fischer Fischer Hopkins Erhlich Mueller McCoy et al 天冬门芽 明胶 羊毛、肌肉 奶酪 蚕丝 面筋 蚕豆 羽扇豆芽 丝心蛋白 珊瑚 牛角 奶酪 牛角 奶酪 奶酪 奶酪 纤维蛋白 奶酪 奶酪
5、氨基酸的两性性质和等电点
（1）氨基酸是两性离子 质子受体和质子供体。 所谓两性离子是指在同一分子上带有能释放 质子的正离子基团和能接受质子的负离子基团。 两性离子本身既是酸又是碱。因此它既可与酸反 应，也可与碱反应。 实验证明：氨基酸在水溶液中或在晶体状态 时，都以两性离子形式存在。
(2)氨基酸的解离
第四章 蛋白质
第二节 氨基酸
本节主要学习内容
• 一、氨基酸的结构与分类 • • • （一）基本氨基酸 （二）不常见的蛋白质氨基酸 （三）非蛋白质氨基酸 （一）物理性质 （二）化学性质
• 二、氨基酸的性质 • •
氨基酸是蛋白质的基本组成材料
蛋白质用强酸、强碱处理后，可以得到各种各 样的氨基酸。 在动植物组织中可分离得到26-30种不同的氨基 酸。第1种氨基酸早在两个世纪前就已经被发现， 而最后一种氨基酸在1935年才发现。直到1965年 才搞清楚，只有20种氨基酸才是合成蛋白质的原 材料(称为基本氨基酸 )。
蛋白质的化学方程式
蛋白质的化学方程式蛋白质是生命体中最基本的有机化合物之一，它们在细胞内扮演着重要的角色。
蛋白质的化学方程式描述了蛋白质分子的组成和结构。
蛋白质由氨基酸组成，氨基酸之间通过肽键连接，形成了多肽链。
这些多肽链进一步折叠和组装成特定的三维结构，形成功能活性的蛋白质分子。
蛋白质的化学方程式可以表示为：蛋白质 = 氨基酸1 + 氨基酸2 + 氨基酸3 + ... + 氨基酸n其中，氨基酸1到氨基酸n代表了蛋白质分子中的各个氨基酸残基。
每个氨基酸残基由一个氨基基团（NH2）、一个羧基（COOH）和一个侧链组成。
蛋白质分子的化学方程式中的“+”表示氨基酸残基之间通过肽键连接在一起。
蛋白质分子的组装是通过蛋白质合成过程中的翻译作用完成的。
在细胞内，DNA中的基因信息被转录成mRNA，然后mRNA通过核糖体中的tRNA和氨基酰tRNA合成酶的作用，将氨基酸按照基因序列的顺序连接在一起，形成多肽链。
这个过程叫做翻译。
一旦多肽链合成完成，它会开始进行蛋白质的折叠和组装。
蛋白质的折叠是一个复杂的过程，涉及到多种相互作用力的调控。
折叠完成后，蛋白质分子会形成特定的三维结构，这种结构决定了蛋白质的功能。
蛋白质的功能多种多样，包括酶催化、结构支持、运输物质、免疫防御等。
不同的蛋白质具有不同的氨基酸组成和序列，因此具有不同的结构和功能。
总结一下，蛋白质的化学方程式描述了蛋白质分子的组成和结构。
蛋白质由氨基酸组成，氨基酸之间通过肽键连接成多肽链。
这些多肽链进一步折叠和组装成特定的三维结构，形成功能活性的蛋白质分子。
蛋白质的合成和折叠是通过细胞内的翻译作用完成的。
蛋白质的功能多种多样，决定于其氨基酸组成和结构。
蛋白质在生命体中发挥着重要的作用，是生命体中不可或缺的分子之一。
蛋白质合成的基本过程
蛋白质合成的基本过程蛋白质是构成生物体细胞的重要组成部分，参与了生物体内的几乎所有生化过程。
蛋白质的合成是细胞内最为重要的生物化学过程之一，也是维持生命活动正常进行的基础。
蛋白质的合成过程包括转录和翻译两个阶段，通过这两个阶段，细胞可以根据遗传信息合成出具有特定功能的蛋白质。
下面将详细介绍蛋白质合成的基本过程。
一、转录阶段转录是指在细胞核内DNA模板上合成RNA的过程。
在蛋白质合成中，首先需要将DNA上的遗传信息转录成RNA，形成mRNA（信使RNA），mRNA携带着DNA上的遗传信息，将其带到细胞质中进行翻译合成蛋白质。
1.1 RNA聚合酶的结合转录的第一步是RNA聚合酶与DNA模板的结合。
RNA聚合酶是一种酶类蛋白质，它能够识别DNA上的启动子区域，并在该区域结合，开始合成RNA链。
1.2 RNA链的合成RNA聚合酶在DNA模板上沿着3'→5'方向移动，合成RNA链时是在5'→3'方向进行的。
RNA链的合成过程与DNA复制有所不同，RNA链的合成速度较快，而且只合成一条链。
1.3 终止转录在DNA上的终止子区域，会有一些特定的序列，当RNA聚合酶合成到这些序列时，转录过程会终止，RNA链会从DNA模板上脱离，形成成熟的mRNA。
二、翻译阶段翻译是指在细胞质中mRNA的遗传信息被翻译成氨基酸序列的过程。
翻译过程中涉及到多种RNA和蛋白质，包括tRNA（转运RNA）、rRNA （核糖体RNA）和核糖体等。
2.1 核糖体的结合在翻译的起始阶段，mRNA会与核糖体结合，核糖体是一种由rRNA和蛋白质组成的细胞器，能够将mRNA上的遗传信息翻译成氨基酸序列。
2.2 tRNA的运载tRNA是一种带有特定氨基酸的RNA分子，它能够将氨基酸运载到核糖体上，与mRNA上的密码子配对，完成氨基酸的添加。
2.3 氨基酸的连接在核糖体上，tRNA将氨基酸按照mRNA上的密码子顺序连接起来，形成氨基酸链。
蛋白质的合成和功能
蛋白质的合成和功能蛋白质是构成生命体的重要组分，也是身体各种功能的后盾。
人体内大概有20万种蛋白质，而它们以不同的方式为人体提供能量、保护组织、储存物质以及传递信息。
因此，了解蛋白质的合成及其功能对人体健康非常重要。
一、蛋白质的化学组成人体内的蛋白质都是由氨基酸分子组成的，而氨基酸是大分子蛋白质的小单元。
人体内有20种不同种类的氨基酸，其中9种属于必需氨基酸，意味着人体必须从食物中获取。
蛋白质中的氨基酸通过化学键将它们彼此连接在一起，形成聚合物链。
简单线性的氨基酸链被称为肽，蛋白质则是由数百条甚至数千条肽组成的复杂聚合物。
而每种蛋白质则由不同的氨基酸序列特定组成。
二、蛋白质的合成蛋白质的合成通过基因转录和翻译进行。
在细胞核内，DNA编码了基因，而基因则指示着蛋白质所需的氨基酸序列。
这些DNA序列被称为核酸。
当细胞需要合成蛋白质时，DNA会被解压缩成RNA，然后通过RNA聚合酶进行转录，转录成的RNA则称作mRNA。
mRNA分子随后穿过细胞核膜并进入到细胞质中，在那里被一系列的分子机器所辅助。
mRNA指示着应该组合哪些氨基酸和它们的顺序。
tRNA分子则将这些氨基酸粘合成了蛋白质。
三、蛋白质的主要功能1. 线粒体：线粒体是产生人体所需能量的关键部位。
它通过分解食物中的糖来生成ATP分子，而这些分子则被用于细胞的各项任务，如肌肉收缩和新陈代谢等。
而所有这些细胞任务都需依赖线粒体内的蛋白质进行协调运行。
2. 免疫系统：人体免疫系统通过识别和攻击入侵的细菌、病毒和其他病原体保护身体不受它们的伤害。
而免疫系统依赖着不同种类、不同形态和不同功能的蛋白质来完成这个任务。
例如：抗体就是一种特殊的蛋白质，它是由B细胞数组合形成，用于标记和破坏入侵病原体。
3. 结构组织：蛋白质也扮演着“建筑师”和“承重物”的角色。
结构蛋白质如胶原蛋白、弹性蛋白质、肌动蛋白和骨架蛋白等，具有使组织强健、弹性和活力的能力。
4. 肌肉功能：蛋白质是肌肉细胞主要的组成部分。
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多肽合成之父
获得1984年诺贝尔化学奖
Robert Bruce Merrifield (1921-)
梅里菲尔德
自1953年起,多年从事蛋白质化学的研究。 从1959年5月开始研究多肽固相合成法. 1962年成功地用固相合成法合成一个二肽。同年 他又合 成一个四肽。1963年又合成了含有9个氨基酸残基的缓舒 激肽,只花了8天时间。 梅里菲尔德的多肽固相合成法比经典的合成方法省时间, 简便,效率又高. 随后,在实践中不断完善,到了70年代,已成为许多多肽合 成实验室使用的一种基本方法。 1965年梅里菲尔德制成了第一台自动化合成仪。 1969年他用这台仪器高速地合成由124个氨基酸残基组成 的核糖核酸酶A。核糖核酸酶A是世界上首次人工合成的酶。 他因发明多肽固相合成法,对发展新药物和遗传工程的重 大贡献而获1984年诺贝尔化学奖。 现在广泛应用的＂蛋白质自动合成仪＂就是在这个基础上 发展起来的。
O
-
C
CH
NH
tBoc
Resin
HCHO, HCl
Resin
Heated
CH2 Cl
O
O
R1
CF 3 COOH
Resin
CH O
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C
CH
NH
tBoc
或 HCl/CH 3 COOH
O O R1
-
R2 C O CH NH tBoc
Resin
CH
O
C
CH
NH2
DCC
N,N’-二环已基碳二亚胺
O
R1 CH NH
从原则上讲：蛋白质或多肽的合成并不复杂， 大体上可分为三个步骤：
氨基和羧基以及侧链基团的保护
羧基活化和形成肽键
脱除保护基和纯化
固相多肽合成已经有40年的历史了，然而到 现在，人们还只能合成一些较短的肽链，更谈 不上随心所欲地合成蛋白质了，同时合成中的 试剂毒性，昂贵费用，副产物等一直都是令人 头痛的问题。 而在生物体内，核糖体上合成肽链的速度和 产率都是惊人的。 是否能从生物体合成蛋白质的原理上得到一 些启发，应用在固相多肽合成（树脂）上，这 是一个令人感兴趣的问题，也许是今后多肽合 成的发展。
这也是世界上第一个蛋白质的全合成。这是我国科 技人员在奋力攀登世界科学高峰，为祖国在基础研 究方面争得的一项世界冠军。
1953年du Vigneaud (维格诺德)首次化学合成了多 肽激素—催产素(8AA), 1955年诺贝尔化学奖。 1970年，中国血统的美国生物化学家李卓浩合成了 有188个氨基酸链的人体生长激素。 1979年，矢岛治明等人用液相法成功地合成了有 124个氨基酸残基的牛胰核糖核酸酶(RNase),各种指 标都达到天然RNA酶水平。
第四章 蛋白质的化学合成（简介）
蛋白质合成的发展
开始时是液相的化学合成（目前已把它叫做 经典的方法），发展到60年代中期出现了固相 合成和自动化，这是吸取了高分子化学的成就。 从60年代末到70年代前半期，利用蛋白质 和多肽的专一性降解和对酶促反应深入研究的 结果建立了蛋白质和多肽的半合成方法和酶促 合成方法。 70年代下半期，DNA合成和基因工程的兴起 又从另一个侧面对多肽合成产生了巨大的影响， 一些蛋白质和多肽已经可以通过基因合成和基 因工程的手段用细菌来生产。
目的基因 + 载体DNA 重组DNA 宿主细胞（转基因生物） 复制 表达 蛋白质（酶） 代谢产物（目标有机分子）
固相合成技术(Solid phase synthesis) 基本原理：每一步反应的产物都以固相形式存在。在整 个过程中，反应物与产物始终在不同的相中。
X Ê÷Ö¬
O C
R2 CH NH tBoc
Resin
CH O
C
O
R1 CH NH
O C
R2 CH NH
O C
Rn CH NH tBoc
Resin
CH
O
C
O
CF 3 COOH+ HBr
O CH NH C CH NH
O C CH
O C
Rn CH NH3
+
C
N
HO
C
目标多酞
1965年，中国科学院和北京大学生物系联 手首次人工合成了牛胰岛素，成了轰动世界 的大事。
方法比较
液相合成：低投入，低成本，易实现大规模 化生产. 固相合成：合成工艺简单、中间体不需要纯 化、生产周期较短、容易实现半机械化 . 半合成方法和酶促合成方法 ：主体选择性 高；区域选择性高；氨基酸范围窄；集团保护 性要求低；底物纯度要求中；无副产物；无消 旋化. 基因工程的方法 ：对于合成较大的肽和蛋 白质有天然优势.