多肽藥物分析結構概述與色譜柱選型

多肽類藥物作為大分子藥物和小分子藥物之間的過渡態(tài)，也一直是制藥領域關注的熱點。
多肽/蛋白質(zhì)都是由氨基酸這個基礎單元通過肽鍵（酰胺鍵-CO-NH-）及其他鍵鍵合而成的。目前，對于多肽并沒有一個十分嚴格的劃分規(guī)定，通常認為20個以下氨基酸組成的為短肽，也有認為5/10個氨基酸以下組成的為短肽；由20~50/60個氨基酸組成的肽為中等肽。而我們一般認為的肽類藥物為2~60個氨基酸組成，更大的結構或者是更大的分子量（>5000）則會被歸入大分子/蛋白類藥物中。
氨基酸作為組成多肽/蛋白質(zhì)的初級單元，每個氨基酸均由一個羧基（-COOH），一個氨基（-NH2）和一條側(cè)鏈組成。而不同氨基酸之間的差異在于側(cè)鏈的不同。
天然氨基酸都是α氨基酸，對于氨基酸特有的結構來說，其包含一個酸性基團-COOH，和一個堿性基團-NH2。其pKa如下圖所示： 除去上述氨基酸特有的基團外，對常見的氨基酸根據(jù)側(cè)鏈的不同性質(zhì)進行分類（酸性、堿性、中性；脂肪族、芳香族等），如下圖所示：
1、酸性 對于酸性的氨基酸，上圖中所標pKa為紅圈圈出位置，用紅色圈表示酸。
2、堿性 對于堿性的氨基酸，上圖中所標pKa為藍圈圈出位置，用藍色圈表示堿。
3、芳香族 對于苯丙氨酸和色氨酸來說，除氨基酸本身代入的α氨基酸結構，側(cè)鏈可能帶進酸性基團或者堿性基團。如上圖中三個芳香族類的氨基酸中，酪氨酸的側(cè)鏈就帶進一個酚羥基的弱酸。
4、脂肪族 5、亞胺（成環(huán)） 6、脂肪醇類 7、含硫氨基酸 含硫氨基酸具有還原性，其較易氧化。另一個需要關注的地方是，當多肽鏈中因存在半胱氨酸、蛋氨酸而存在二硫鍵二級結構時，需要特別關注穩(wěn)定性過程中二硫鍵交換的產(chǎn)物。
8、酰胺類 末端的酰胺作為一個非常弱的酸/堿，在一般的分析條件下，可處理為中性，在分析過程中不用過多的考慮。當然這里的不用過多考慮僅僅指分析方法design的時候。在多肽藥物的穩(wěn)定性過程當中，如果肽鏈中存在此類氨基酸，需要特別關注水解的雜質(zhì)。
我們了解了形成多肽/蛋白質(zhì)的基礎單元——氨基酸。多個不同或者相同的氨基酸通過酰胺鍵（肽鍵）結合，形成氨基酸序列，即一級結構，一級結構通常以無規(guī)則卷曲的方式存在，如下圖所示： 在某些氨基酸序列中，某些氨基酸通過分子內(nèi)相互作用，形成α-單螺旋或β-折疊結構，以使得該結構能量最低而使其結構最穩(wěn)定。α-單螺旋是其一級結構中位于四個氨基酸間隙的殘基相互作用形成氫鍵，從而穩(wěn)定整個分子的結構；β-折疊結構是通過一級結構中相鄰的線性段之間形成氫鍵來穩(wěn)定結構。為使結構更穩(wěn)定而形成的分子內(nèi)折疊稱為二級結構，如下圖所示： 在某些氨基酸序列中，某些氨基酸通過分子內(nèi)相互作用，形成α-單螺旋或β-折疊結構，以使得該結構能量最低而使其結構最穩(wěn)定。α-單螺旋是其一級結構中位于四個氨基酸間隙的殘基相互作用形成氫鍵，從而穩(wěn)定整個分子的結構；β-折疊結構是通過一級結構中相鄰的線性段之間形成氫鍵來穩(wěn)定結構。為使結構更穩(wěn)定而形成的分子內(nèi)折疊稱為二級結構，如下圖所示： 在反相色譜分析過程中，蛋白質(zhì)由于發(fā)生變性而失去二級、三級、四級結構的現(xiàn)象非常常見；但在離子交換或者體積排阻色譜中，卻很少發(fā)生蛋白質(zhì)變性。
多肽/蛋白質(zhì)的結構就簡單介紹到這，了解其結構能幫助我們更好的去進行分離分析。
從上一文中我們知道，作為基礎單元的氨基酸除了具有相同的氨基和羧基結構，還具有不同的性質(zhì)，包括酸性、堿性、芳香環(huán)帶進來的大π鍵，巰基等帶來的還原性。這些氨基酸帶進來的不同性質(zhì)決定了其組成的肽/蛋白質(zhì)的性質(zhì)。由于組成的肽鏈/蛋白質(zhì)的氨基酸數(shù)量通常都較多，故一個肽可能同時具有多種不同的性質(zhì)。
相較于小分子，肽類因組成的氨基酸數(shù)量較多，通常具有更大的分子量，更大的分子量帶來更大的空間結構。
我們來看3個不同的肽類的空間結構：
1、依來多辛（Eledosin） 作為11個AA（氨基酸）組成的短肽類，其具有相對于一般小分子稍大的結構，如下圖所示： 注：上圖測試出的分子中最遠距離原子間的距離為36.11Å。
2、鮭降鈣素（Salmon calcitonin） 注：上圖測試出的分子中最遠距離原子間的距離為30~40Å。
3、Tesamorelin（替莫瑞林） 注：上圖測試出的分子中最遠距離原子間的距離為170Å以上。
（上述三個多肽的原子間距均是通過MOE能量最小優(yōu)化后測得的原子間距）
從上述三個多肽可以看出，隨著分子量的增加，其空間結構變得更大。對于僅11個氨基酸組成的依來多辛來說，其僅一個方向上原子間距較大（36Å），而對于鮭降鈣素來說，其多個方向上的原子間距達到30Å以上，對于更大體積的替莫瑞林來說，其最大原子間距已達到了170Å以上。當然，上述幾個多肽僅作為例子，便于大家的理解，實際上，在溶液中的分子可能具有更小的能量及更小的空間結構。
分子空間結構的大小決定了分析過程當中色譜柱孔徑的篩選。 對于反相色譜來說，通常具有從60~300Å孔徑的填料。我們知道，保留行為的發(fā)生都發(fā)生在多孔填料的表面上，而對于多孔材料來說，絕大多數(shù)（>95%）的表面積都分布在小孔內(nèi)部，也即絕大多數(shù)的保留分離行為都發(fā)生在多孔材料的孔內(nèi)。要形成有效的保留，首要的一點就是待分離組分能順利的進入孔內(nèi)。
然而，待分離分子在孔內(nèi)的摩擦系數(shù)較大，會降低進入孔內(nèi)的樣品分子的擴散，使得柱效降低，所以一般要求孔徑要大于樣品分子直徑的4倍以上，才能保證樣品分子能自由出入孔內(nèi)，而維持正常的譜峰展寬。