Peptit sentezi

Organik kimyada peptit sentezi, birden fazla amino asidin peptit bağları olarak da bilinen amid bağları ile bağlandığı peptit bileşiklerinin üretimidir. Peptitler, bir amino asidin karboksil grubunun diğerinin amino grubuna yoğunlaşma reaksiyonu ile kimyasal olarak sentezlenir. Koruma grubu stratejileri genellikle çeşitli amino asit yan zincirleri ile istenmeyen yan reaksiyonları önlemek için gereklidir. Kimyasal peptit sentezi, en yaygın olarak peptitin karboksil ucunda (C-terminali) başlar ve amino terminaline (N-terminali) doğru ilerler. Canlı organizmalardaki protein biyosentezi (uzun peptitler) ters yönde gerçekleşir.

Peptitlerin kimyasal sentezi, klasik çözelti fazı teknikleri kullanılarak gerçekleştirilebilir, ancak bunlar çoğu araştırma ve geliştirme ortamında katı faz yöntemleriyle değiştirilmiştir. Bununla birlikte, çözelti fazı sentezi, endüstriyel amaçlar için büyük ölçekli peptit üretiminde kullanışlılığını korumaktadır.

Kimyasal sentez, bakterilerde eksprese edilmesi zor olan peptitlerin üretimini, doğal olmayan amino asitlerin peptit/protein omurga modifikasyonuna dahil edilmesini ve D-amino asitlerden oluşan D-proteinlerinin sentezini kolaylaştırır.

Laboratuvarda sentetik peptitlerin üretimi için yerleşik yöntem, katı faz peptit sentezi (SPPS) olarak bilinir. Robert Bruce Merrifield SPPS öncülüğünde, çözünmeyen gözenekli bir destek üzerinde amino asit türevlerinin ardışık reaksiyonları yoluyla bir peptit zincirinin hızlı bir şekilde birleştirilmesine izin verir.

Katı destek, yeni oluşan peptit zincirine bağlanan reaktif gruplar (amin veya hidroksil grupları gibi) ile işlevselleştirilmiş küçük, polimerik reçine boncuklarından oluşur. Peptit, sentez boyunca desteğe kovalent olarak bağlı kaldığından, fazla reaktifler ve yan ürünler, yıkama ve süzme yoluyla çıkarılabilir. Bu yaklaşım, geleneksel çözelti fazı sentezi kullanılırken gerekli olacak olan, her reaksiyon aşamasından sonra ürün peptitinin çözeltiden nispeten zaman alan izolasyonunu ortadan kaldırır.

Peptit zinciri N-terminaline bağlanacak her bir amino asit, yan zincire bağlı olarak Boc (aside dayanıksız) veya Fmoc (baz-kararsız) gibi uygun koruma grupları kullanılarak N-ucunda ve yan zincirinde korunmalıdır ve kullanılan koruma stratejisi.

Genel SPPS prosedürü, alternatif N-terminal korumayı kaldırma ve birleştirme reaksiyonlarının tekrarlanan döngülerinden biridir. Reçine, her adım arasında yıkanabilir. Önce reçineye bir amino asit bağlanır. Daha sonra aminin koruması kaldırılır ve ardından ikinci amino asidin serbest asidiyle birleştirilir. Bu döngü, istenen dizi sentezlenene kadar tekrar eder. SPPS döngüleri, reaksiyona girmemiş amino asitlerin uçlarının reaksiyona girmesini bloke eden kapatma aşamalarını da içerebilir. Sentezin sonunda, ham peptit katı destekten ayrılırken aynı anda tüm koruma grupları, trifloroasetik asit veya bir nükleofil gibi bir reaktif güçlü asitler kullanılarak çıkarılır. Ham peptit, organik olarak çözünür yan ürünleri uzaklaştırmak için dietil eter gibi polar olmayan bir çözücüden çökeltilebilir. Ham peptit, ters fazlı HPLC kullanılarak saflaştırılabilir. Özellikle daha uzun peptitlerin saflaştırma işlemi zor olabilir çünkü ürüne çok benzeyen birkaç yan ürünün küçük miktarları uzaklaştırılmalıdır. Bu nedenle, MCSGP gibi sürekli kromatografi işlemleri, saflık seviyelerinden ödün vermeden verimi en üst düzeye çıkarmak için ticari ortamlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır.

SPPS, reaksiyon verimleri ile sınırlıdır ve tipik olarak 70 amino asit aralığındaki peptitler ve proteinler, sentetik erişilebilirliğin sınırlarını zorlamaktadır. Sentetik zorluk ayrıca diziye bağlıdır, tipik olarak amiloidler gibi topaklaşmaya yatkın dizilerin yapılması zordur. Daha kısa uzunluklara, tamamen koruması kaldırılmış iki sentetik peptitin çözelti içinde birleştirilebildiği doğal kimyasal ligasyon gibi ligasyon yaklaşımları kullanılarak daha uzun uzunluklara erişilebilir.

SPPS'nin geniş bir şekilde uygulanmasını sağlayan önemli bir özellik, birleştirme adımında son derece yüksek verimlerin üretilmesidir. Oldukça etkili amid bağı oluşturma koşulları gereklidir, aynı zamanda her bir amino asidin fazlalığının eklenmesi (2 ila 10 kat arasında). Bağlanma sırasında amino asit rasemizasyonunun en aza indirilmesi, nihai peptit ürününde epimerizasyondan kaçınmak için hayati öneme sahiptir.

Bir amin ve karboksilik asit arasındaki amid bağı oluşumu yavaştır ve bu nedenle genellikle "birleştirme reaktifleri" veya "etkinleştiriciler" gerektirir. Kısmen belirli birleştirmeler için değişen etkinliklerine bağlı olarak çok çeşitli birleştirme reaktifleri mevcuttur, bu reaktiflerin çoğu ticari olarak temin edilebilir.

Disikloheksilkarbodiimid (DCC) ve diizopropilkarbodiimid (DIC) gibi karbodiimidler, amid bağı oluşumu için sıklıkla kullanılmaktadır. Reaksiyon, oldukça reaktif bir O-asilizoüre oluşumu yoluyla ilerler. Bu reaktif ara ürün, bir peptit bağı oluşturan peptit N-terminal amin tarafından saldırıya uğrar. O-asilizoüre oluşumu, diklorometan gibi polar olmayan çözücüler içinde en hızlı şekilde ilerler.

DIC, bir sıvı olarak kolayca dağıtıldığı ve üre yan ürünü kolayca yıkanıp atılabildiği için özellikle SPPS için kullanışlıdır. Bunun tersine, ilgili karbodiimid 1-Etil-3-(3 dimetilaminopropil) karbodiimid (EDC), üre yan ürünü sulu çalışma sırasında yıkanarak uzaklaştırılabildiğinden, çözelti fazlı peptit birleştirmeleri için sıklıkla kullanılır.

Karbodiimid aktivasyonu, aktive edilmiş amino asidin rasemizasyon olasılığını açar. Rasemizasyon, triazoller 1-hidroksi-benzotriazol (HOBt) ve 1-hidroksi-7-aza-benzotriazol (HOAt) gibi "rasemizasyonu baskılayıcı" katkı maddeleri ile engellenebilir. Bu reaktifler, istenen peptit bağını oluşturmak için daha sonra peptit ile reaksiyona giren aktif bir ester oluşturmak için O-asilizoüre ara ürününe saldırır. Etil siyanohidroksiiminoasetat (Oxyma), karbodiimid bağlanması için bir katkı maddesi, HOAt'a bir alternatif olarak işlev görür.

Bazı birleştirme reaktifleri karbodiimidi tamamen atlar ve HOAt / HOBt parçasını nükleofilik olmayan bir anyonun (tetrafloroborat veya heksaflorofosfat) bir aminyum / üronyum veya fosfonyum tuzu olarak dahil eder. Aminyum/uronyum reaktiflerinin örnekleri arasında HATU (HOAt) HBTU/TBTU (HOBt) ve HCTU (6-ClHOBt) bulunur. HBTU ve TBTU sadece anyon seçiminde farklılık gösterir. Fosfonyum reaktifleri arasında PyBOP (HOBt) ve PyAOP (HOAt) bulunur.

Bu reaktifler, karbodiimid aktivasyon koşulları ile aynı aktif ester türlerini oluşturur, ancak kuplaj reaktifinin karbon iskeletinin doğası tarafından belirlenen ilk aktivasyon aşamasının hızında farklılık gösterir. Ayrıca, aminium / üronyum reaktifleri, aktif olmayan bir guanidino yan ürünü oluşturmak için peptit N-terminali ile reaksiyona girebilirken fosfonyum reaktifleri değildir.

2000'lerin sonlarından bu yana, "T3P" gibi çeşitli isimler altında ticari olarak satılan propanfosfonik asit anhidrit, ticari uygulamalarda amid bağı oluşumu için yararlı bir reaktif haline gelmiştir. Karboksilik asidin oksijenini, peptit birleştirme yan ürünleri suda çözünür olan ve kolayca yıkanabilen bir ayrılan gruba dönüştürür. Propanfosfonik asit anhidrit ve apeptit olmayan bir ilacın hazırlanması için diğer peptit birleştirme reaktifleri arasındaki performans karşılaştırmasında, bu reaktifin, verim ve düşük epimerizasyon açısından diğer reaktiflerden üstün olduğu bulundu.

Sıvıların hızlı filtrasyonuna izin vermek için fiziksel olarak stabilite için peptit sentezi için katı destekler seçilir. Uygun destekler SPPS sırasında kullanılan reaktifler ve çözücüler için etkisizdir, ancak reaktiflerin nüfuz etmesine izin vermek ve ilk amino asidin bağlanmasına izin vermek için kullanılan çözücülerde şişmeleri gerekir.

Üç ana tip katı destek şunlardır: jel tipi destekler, yüzey tipi destekler ve kompozitler. peptit sentezi için kullanılan katı desteklerdeki gelişmeler, SPPS'nin korumanın kaldırılması adımı sırasında TFA'nın tekrarlanan kullanımına dayanma yeteneklerini arttırır. Bir C-terminal karboksilik asit veya amidin istenip istenmediğine bağlı olarak iki birincil reçine kullanılır. Wang reçinesi, 1996 itibarıyla C-terminal karboksilik asitlere sahip peptitler için en yaygın olarak kullanılan reçinedir.

Yukarıda tarif edildiği gibi, N-terminal ve yan zincir koruma gruplarının kullanılması, aktifleştirilmiş amino asidin kendiliğinden bağlanması gibi istenmeyen yan reaksiyonların (polimerizasyona) yol açmasını önlemek için peptit sentezi sırasında gereklidir. Bu, istenen peptiti sentezlemede düşük verimle veya hatta tamamen başarısızlıkla sonuçlanan amaçlanan peptit birleştirme reaksiyonu ile rekabet edecektir.

Katı fazlı peptit sentezinde kullanım için iki temel ortogonal koruma grubu şeması mevcuttur: Boc / Bzl ve Fmoc / tBu yaklaşımları. Boc / Bzl stratejisi, son bölünme adımı sırasında susuz hidrojen florid kullanılarak kaldırılan yan zincir korumasının yanı sıra TFA-kararsız N-terminal Boc korumasını kullanır (peptitin katı destekten aynı anda bölünmesiyle). Fmoc / tBu SPPS, yan zincir koruması ve aside dayanıksız bir reçine bağlantısı ile bazda kararsız Fmoc N-terminal korumasını kullanır (nihai asidik bölünme, TFA muamelesi yoluyla gerçekleştirilir).

Peptit sentezi için orijinal yöntem, geçici bir N-terminal a-amino koruma grubu olarak tert-butiloksikarbonile (veya daha basitçe "Boc") dayanıyordu. Boc grubu, trifloroasetik asit (TFA) gibi bir asitle çıkarılır. Bu, aşırı TFA varlığında pozitif yüklü bir amino grubu oluşturur (amino grubunun sağdaki görüntüde protonlanmadığına dikkat edin), bu da nötrleştirilir ve gelen aktive edilmiş amino aside bağlanır. Nötralizasyon, bağlanmadan önce veya temel birleştirme reaksiyonu sırasında yerinde gerçekleşebilir.

Boc / Bzl yaklaşımı, sentez sırasında peptit agregasyonunu azaltmadaki yararlılığını korur. Ek olarak Boc / Bzl SPPS, Fmoc korumasının kaldırılması adımı sırasında bazla muamele gerektiğinden (aşağıya bakınız) baza duyarlı kısımlar (depsipeptitler gibi) içeren peptitleri sentezlerken Fmoc / tBu yaklaşımına göre tercih edilebilir.

Boc / Bzl SPPS sırasında kullanılan kalıcı yan zincir koruma grupları tipik olarak benzil veya benzil bazlı gruplardır. peptitin katı destekten nihai olarak çıkarılması, hidrolitik yarılma yoluyla susuz hidrojen florür kullanılarak yan zincir korumasının kaldırılmasıyla aynı anda gerçekleşir. Nihai ürün, nispeten kolay çözündürülebilen bir florür tuzudur. Reaktif t-bütil katyonlarının istenmeyen ürünler oluşturmasını önlemek için kresol gibi tutucular HF'ye eklenmelidir. Bu yaklaşımın bir dezavantajı, peptitin hidrojen florür tarafından parçalanma potansiyelidir.

N-terminal Fmoc korumasının kullanılması, Boc / Bzl SPPS için kullanılandan daha hafif bir koruma kaldırma şemasına izin verir ve bu koruma şeması, SPPS koşulları altında gerçekten ortogonaldir.

Fmoc korumanın kaldırılması, DMF içinde tipik olarak %20-50 piperidin kullanır. Açığa çıkan amin bu nedenle nötrdür ve sonuç olarak Boc / Bzl yaklaşımı durumunda olduğu gibi peptit reçinenin nötrleştirilmesi gerekmez. Bununla birlikte, peptit zincirleri arasında elektrostatik itme eksikliği, Fmoc / tBu SPPS ile artan toplanma riskine yol açabilir. Serbest bırakılan florenil grubu bir kromofor olduğundan Fmoc korumasının kaldırılması, reaksiyon karışımının UV emilimi ile izlenebilir, otomatikleştirilmiş peptit sentezleyicilerinde kullanılan bir strateji.

Fmoc grubunun aside karşı stabil iken nispeten hafif bazik koşullar altında bölünebilme yeteneği, (TFA)'deki son bölünme için kullanılanlardan daha hafif asidik son bölünme koşulları Boc/Bzl SPPS (HF)'de çıkarılabilen Boc ve tBu gibi yan zincir koruyucu grupların kullanımına izin verir. Yan zincir korumasının kaldırılması sonucunda açığa çıkan reaktif katyonik türlerle yan reaksiyonları önlemek için son bölünme sırasında su ve triizopropilsilan (TIPS) gibi tutucular eklenir. Elde edilen ham peptit, Boc SPPS'de üretilen florür tuzlarından potansiyel olarak çözünürleştirilmesi daha zor olan bir TFA tuzu olarak elde edilir.

Fmoc / tBu SPPS, florenil grubu Boc grubundan çok daha büyük olduğu için atom açısından daha az ekonomiktir. Buna göre, Fmoc amino asitlerinin fiyatları, ilk sentezlenmiş peptit ilaçlarından biri olan enfuvirtid'in geniş ölçekli pilot uygulaması, piyasa talebinin Fmoc- ve Boc- amino asitlerinin nispi fiyatlarını ayarladığı 1990'larda başlayana kadar yüksekti.

(Z) grubu, oligopeptitlerin sentezinde ilk olarak Max Bergmann tarafından kullanılan bir başka karbamat tipi amin koruma grubudur. Asetik asit içinde HBr kullanılarak sert koşullar altında veya daha hafif katalitik hidrojenasyon koşulları altında uzaklaştırılır. Peptit sentezinde a-amin koruması için periyodik olarak kullanılırken, neredeyse yalnızca yan zincir koruması için kullanılır.

Alliloksikarbonil (tahsis) koruma grubu bazen bir ortogonal korumayı kaldırma şeması gerektiğinde bir amino grubunu (veya karboksilik asit veya alkol grubunu) korumak için kullanılır. Aynı zamanda bazen, peptitin reçineye bir yan zincir fonksiyonel grubu ile bağlandığı reçine üzeri döngüsel peptit oluşumu gerçekleştirirken de kullanılır. Alloc grubu, tetrakis (trifenilfosfin) paladyum (0) kullanılarak çıkarılabilir.

Protein mikrodizilerini içeren sentetik adımlar gibi özel uygulamalar için, belirli bir ışık dalga boyunda fotokimyaya uygun olan ve bu nedenle litografik operasyon türleri sırasında çıkarılabilen, bazen "litografik" olarak adlandırılan koruma grupları kullanılır.

Çoklu doğal disülfitlerin oluşumu, katı faz yöntemleriyle doğal peptit sentezine meydan okur. Rastgele zincir kombinasyonu tipik olarak, doğal olmayan disülfür bağlarına sahip birkaç ürünle sonuçlanır. Aşamalı disülfür bağları oluşumu tipik olarak tercih edilen yöntemdir ve tiyol koruma grupları ile gerçekleştirilir. Farklı tiyol koruma grupları, birden çok boyutta ortogonal koruma sağlar. Bu ortogonal olarak korunan sisteinler, peptitin katı faz sentezi sırasında dahil edilir. Serbest tiyol gruplarının seçici maruziyetine izin vermek için bu grupların art arda çıkarılması, aşamalı bir şekilde disülfid oluşumuna yol açar. Bir seferde yalnızca bir grubun çıkarılması için grupların kaldırılma sırası dikkate alınmalıdır.

Daha sonra bölge seçici disülfür bağı oluşumunu gerektiren peptit sentezinde kullanılan tiyol koruyucu grupların birçok özelliğe sahip olması gerekir. İlk olarak, korumasız yan zincirleri etkilemeyen koşullarla tersine çevrilebilir olmaları gerekir. İkinci olarak koruyucu grup, katı faz sentezi koşullarına dayanabilmelidir. Üçüncüsü, tiyol koruma grubunun çıkarılması, ortogonal koruma isteniyorsa, diğer tiyol koruma gruplarını bozulmadan bırakacak şekilde olmalıdır. Yani PG A'nın kaldırılması PG B'yi etkilememelidir. Yaygın olarak kullanılan tiyol koruma gruplarından bazıları asetamidometil (Acm), tert-butil (But), 3-nitro-2-piridin sülfenil (NPYS), 2-piridin-sülfenil (Pyr) ve tritil (Trt) gruplarını içerir. Daha da önemlisi NPYS grubu, aktive bir tiol elde etmek için Acm PG'nin yerini alabilir.

Bu yöntemi kullanarak, Kiso ve arkadaşları 1993 yılında ilk toplam insülin sentezini rapor ettiler. Bu çalışmada, insülinin A zinciri, sisteinleri üzerinde aşağıdaki koruyucu gruplar ile hazırlandı: CysA6 (But) CysA7 (Acm) ve CysA11 (But), CysA20'yi korumasız bırakarak.

Amino asitlerin sırayla adım adım bağlandığı aşamalı uzama, 2 ila 100 amino asit kalıntısı içeren küçük peptitler için idealdir. Başka bir yöntem, peptit fragmanlarının bağlandığı fragman yoğunlaştırmadır. İlki, peptit zincirini rasemizasyon olmadan uzatabilse de, yalnızca uzun veya yüksek polariteli peptitlerin oluşturulmasında kullanılması halinde verim düşer. Fragman yoğunlaşması, sofistike uzun peptitlerin sentezlenmesi için aşamalı uzamadan daha iyidir, ancak rasemizasyona karşı koruma sağlamak için kullanımı sınırlandırılmalıdır. Parçanın yoğunlaşması da istenmeyen bir durumdur, çünkü birleştirilmiş parçanın, parçanın uzunluğuna bağlı olarak bir sınırlama olabilen brüt fazlalık olması gerekir.

Daha uzun peptit zincirleri üretmek için yeni bir gelişme, kimyasal ligasyondur: korumasız peptit zincirleri, sulu çözelti içinde kemoseçici olarak reaksiyona girer. Kinetik olarak kontrol edilen bir birinci ürün, amid bağını oluşturmak için yeniden düzenlenir. En yaygın doğal kimyasal ligasyon biçimi, bir terminal sistein kalıntısı ile reaksiyona giren bir peptit tioester kullanır.

Polipeptitlerin sulu çözelti içinde kovalent olarak bağlanması için uygulanabilen diğer yöntemler arasında bölünmüş inteinlerin spontane izopeptit bağı oluşumu ve sortaz ligasyonunun kullanılması yer alır.

Uzun peptitlerin sentezini optimize etmek için, Medicon Valley'de peptit dizilerini dönüştürmek için bir yöntem geliştirildi. Basit ön sıra (ör. Lizin (Lysn); Glutamik Asit (Glun); (LysGlu) n), alfa-sarmal benzeri bir yapı oluşturmak için peptitin C-terminaline dahil edilmiştir. Bu, potansiyel olarak biyolojik yarı ömrü artırabilir, peptit stabilitesini artırabilir ve farmakolojik aktiviteyi veya etki profilini değiştirmeden enzimatik bozunmayı inhibe edebilir.

Peptitler, katı bir destek üzerinde siklize edilebilir. HBTU / HOBt / DIEA, PyBop / DIEA, PyClock / DIEA gibi çeşitli siklizasyon reaktifleri kullanılabilir. Baştan sona peptitler, katı destek üzerinde yapılabilir. C-terminalinin uygun bir noktada korumasının kaldırılması, koruması kaldırılmış N-terminali ile amid bağı oluşumu yoluyla reçine üzerinde siklizasyona izin verir. Siklizasyon gerçekleştiğinde peptit, asidoliz ile reçineden ayrılır ve saflaştırılır.

Siklik peptitlerin katı faz sentezi için strateji, Asp, Glu veya Lys yan zincirleri yoluyla bağlanmayla sınırlı değildir. Sistein, yan zincirinde çok reaktif bir sülfhidril grubuna sahiptir. Bir Sisteinden gelen bir kükürt atomu, proteinin farklı bir bölümünde ikinci bir sisteinden başka bir kükürt atomu ile tek bir kovalent bağ oluşturduğunda bir disülfür köprüsü oluşturulur. Bu köprüler, özellikle hücrelerden salgılananlar olmak üzere proteinleri stabilize etmeye yardımcı olur. Bazı araştırmacılar, disülfür bağının oluşumunu engellemek, ancak sisteini ve proteinin orijinal birincil yapısını korumak için S-asetomidometil (Acm) kullanarak modifiye sisteinler kullanır.

Reçinesiz siklizasyon, anahtar ara maddelerin katı fazlı bir sentezidir, ardından çözelti fazında anahtar siklizasyon, herhangi bir maskelenmiş yan zincirlerin nihai korumasının kaldırılması da çözelti aşamasında gerçekleştirilir. Bunun dezavantajları, katı faz sentezinin verimliliklerinin, yan ürünler reaktiflerinden ve dönüştürülmemiş materyalden saflaştırmanın gerekli olduğu çözelti fazı aşamalarında kaybolması ve makrosikl oluşumu söz konusu olduğunda istenmeyen oligomerlerin oluşabilmesidir.