酸性多肽
酸性多肽是指由3到100个氨基酸残基组成的,水溶液呈现酸性(Ph\u003c7)的一类有机高分子化合物。
定义
多肽的酸碱性定义来源于氨基酸的酸碱性。对我们常见的二十种氨基酸来说,大致按照R基团的极性(polarity)或在生理pH(接近pH7.0)下与水相互作用的趋势等可将它们分为非极性、极性不带电、带正电(碱性)、带负电(酸性)R基团的氨基酸。
比如碱性氨基酸是指能水解的氨基个数多于能水解的羧基个数(溶液呈碱性)的氨基酸,如精氨酸、赖氨酸、组氨酸;相反,则为酸性氨基酸。如天门冬氨酸、谷氨酸等;其余的氨基酸为中性(不带电)氨基酸。
常见的多肽是由3~100个氨基酸通过肽键链接形成的化合物,其酸碱性一般由其含酸碱性氨基酸的多寡决定。某些多肽含碱性氨基酸较多,其水溶液等电点偏于碱性,被称为碱性多肽,例如胃泌素;某些多肽含酸性氨基酸较多,其水溶液等电点偏于酸性,被称为酸性多肽,例如胰岛素和水蛭素等。
值得注意的是,多肽的酸碱性并不是由其所含酸性氨基酸或碱性氨基酸的个数多寡决定,而是根据其水溶液的等电点酸碱偏向决定。
蛋白质的酸碱性划定与多肽类似。
分类
酸性多肽按其来源可分为自然分泌类和人工合成两大类别。
自然分泌类
其中自然分泌的酸性多肽主要来自于各种动植物的腺体分泌物(激素)。比如对人体来说,下丘脑、垂体、甲状旁腺、胰岛、胃肠道内壁腺体等的分泌物多属于酸性多肽,如降钙素、甲状旁腺素、胸腺素、胰高血糖素、促胰腺素、缩胆囊素、胃泌素、抗利尿激素、缩宫素、生长激素、催乳素等,又如吸血蚂蝗唾液腺里分泌的水蛭素等。
人工合成类
人工合成的酸性多肽主要是利用各类酶对蛋白质的水解制备,比如用常见的蛋白水解酶对大豆蛋白进行特定条件下的水解,再经过修饰即可得到大豆多肽。
此外,少数酸性多肽也可以通过氨基酸进行定向合成,如我国在1965年在世界上首次通过氨基酸人工合成的牛胰岛素,就是酸性多肽的一种。
用途
酸性多肽作为多肽的一个分类,具有三大功能用途。
营养作用
酸性多肽本身由氨基酸合成或者蛋白质水解形成,与氨基酸和蛋白质一样是人体的重要氨基酸来源,而且由于其分子量比蛋白质小得多,更容易通过肠胃道细胞膜进行消化吸收,效率更高。
生理功能
与蛋白质类似,酸性多肽由氨基酸通过肽键连接而成,甚至某些不相邻的氨基酸还通过过氧键、二硫键进行链接,从而在空间上形成了立体结构和手性结构,这些特定的位点和结构使得酸性多肽可参与众多的细胞内生理活动,如催化反应、特异性结合免疫等,这是氨基酸所不具备的。
信使和载体功能
这点是多肽独有的功能。多肽分子量介于氨基酸和蛋白质之间,而且保持了蛋白质拥有而氨基酸缺乏的生理活性,这使得多肽可以相对自由自主的携带基团、小分子聚合物等穿梭于细胞膜之间,充当信使和载体的功能。而蛋白质的进出细胞膜则需要专门的转运蛋白质完成。
常见和典型的酸性多肽
胰岛素
胰岛素(包括类胰岛素物)由哺乳纲的胰岛分泌,是典型的酸性多肽。人胰岛素是由两条亚肽链通过三对半胱氨酸的二硫化形成稳定的空间结构,A链有11种21个氨基酸,B链有15种30个氨基酸,共16种51个氨基酸。其中A7(Cys)-B7(Cys)、A20(Cys)-B19(Cys)四个半胱氨酸中的巯基形成两个二硫键,使A、B两链连接起来。此外A链中A6(Cys)与A11(Cys)之间也存在一个二硫键。牛胰岛素类似,仅仅是部分氨基酸残基的不同。
胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素,同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成。外源性胰岛素主要用来糖尿病治疗。
生长激素
生长激素(hGH)是腺垂体细胞分泌的蛋白质,是一种肽类激素。生长激素分子是由191个氨基酸残基构成,相对分子质量22124约翰·道尔顿。分子构造具有4个α螺旋,使生长激素分子结构可以和其受器有良好结合。
生长激素的主要生理功能是促进神经组织以外的所有其他组织生长;促进机体合成代谢和蛋白质合成;促进脂肪分解;对胰岛素有拮抗作用;抑制葡萄糖利用而使血糖升高等作用。
天然水蛭素
天然水蛭素为单链多肽结构,常见酸性多肽的一种。
天然水蛭素(Hirudin)是吸血水蛭(蚂蝗)及其唾液腺中已提取出多种活性成分中活性最显著并且研究得最多的一种成分,它是由65~66个氨基酸残基组成的单链低分子多肽,其分子量约为7000约翰·道尔顿。现代科学研究表明,天然水蛭素对凝血酶有极强的抑制作用,是迄今为止所发现最强的凝血酶天然特异抑制剂,对防治人类心血管疾病尤其是血栓性疾病有较高的疗效。
天然水蛭素能在极端的pH和热条件下稳定存在。水蛭素的形状类似蝌蚪,蝌蚪头部是多肽的N端富含半胱氨酸(cys),半胱氨酸间相互作用形成3个二硫键(Cys6-Cys14,Cys16-Cys28,Cys22-Cys39)。使N末端结构紧密;蝌蚪尾部是含有多个酸性氨基酸和一个被磺酸化的酪氨酸(Tyr63)的多肽C末端。
谷胱甘肽
谷胱甘肽是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸经肽键缩合而成的活性三肽,广泛存在于动物肝脏、血液、酵母和小麦胚芽中,各种蔬菜等植物组织中也有少量分布。
谷胱甘肽是最为简单的酸性多肽之一,分子有一个特异的γ-肽键,主要参与人体内三羧酸循环及糖代谢,是人体能量代谢的重要中间体之一。
应用前景
与氨基酸仅具有营养作用不同,酸性多肽的小分子量和空间结构并存,决定了它在人机体中更多的是承担重要的生理功能。血液循环系统中的凝血和抗凝血药平衡、细胞遗传物质中蛋白质和核糖核酸的合成、体液酸碱度平衡的氧气和二氧化碳代谢、糖类脂类在体内的代谢、自由基代谢、酶催化反应等都少不了酸性多肽的参与。
目前,国内外对酸性多肽的生产已形成了提取与合成两大手段齐头并进的良好局面,提取技术主要利用动植物的组织如肝脏、血液、胚芽、腺体等作为原料,通过酶切割修饰、超滤、层析等手段进行。如大豆多肽主要来自对大豆蛋白的酶水解;天然蚂蝗素来自对水蛭唾液分泌物的提纯。
而合成技术主要是借助氨基酸转录等手段,在培养液甚至细菌内部进行氨基酸的生物合成。例如人工合成牛胰岛素、谷胱甘肽等。
酸性多肽由于具有营养和生理活性两大功效,目前许多产品如大豆多肽等已形成批量规模化生产,广泛运用于化工、医药产品和食物添加剂等。