第二章(1) 氨基酸與蛋白

第二章：重要的生物配體及其金屬配合物結構——分子生物學基礎1.AminoAcidsandProtein第一節(jié)：氨基酸和蛋白質(zhì)2.MetalloproteinsandMetalloenzymes第二節(jié)：金屬酶和金屬蛋白3.NucleicAcid

第三節(jié)：核酸4.BasicKnowledgeofMolecularBiology第四節(jié)：分子生物學基礎：中心法則Chapter2BasicKnowledgeofMolecularBiologySomeimportantbio-ligands,thestructureoftheirmetalcomplexes12-1：AminoAcidsandProtein

氨基酸和蛋白質(zhì)AminoAcids氨基酸

Aminoacidsarebuildingblocksofprotein.Proteinsofallspecies,frombacteriatohumans,aremadeupfromthesamesetof20standardaminoacids（1）MolecularStructureofAminoacids——Enantiomers4differentgroupsarrangedtetrahedralaroundtheC,andthuscanexistsineithertheDandLconfiguration.OnlytheLisomerisfoundinprotein.Chiralcenter2342、ClassificationofAminoAcids

Acidic,neutralandbasicaminoacid

Accordingtothenumberofaminoandcarboxylgroups

Acidic酸性氨基酸（羧基數(shù)目>氨基數(shù)目）

neutral中性氨基酸（羧基數(shù)目=氨基數(shù)目）

Basic堿性氨基酸（羧基數(shù)目<氨基數(shù)目）5(谷氨酸)(天冬氨酸)(賴氨酸)(精氨酸)(組氨酸)6Thestandard20aminoacidsdifferonlyinthestructureoftheside-chain.Theydisplaydifferentphysicochemicalpropertiesdependingonthenatureofthesidechain.Hydrophobic,aliphaticaminoacidsHydrophobic,aromaticaminoacidsPolar,unchargedaminoacidsPolar,changedaminoacidsNonpolar7按氨基酸中取代基類型分類(纈氨酸)(亮氨酸)(異亮氨酸)(脯氨酸)(苯丙氨酸)(甲硫氨酸)8(絲氨酸)(蘇氨酸)(半胱氨酸)(酪氨酸)(天冬酰胺)(谷氨酰胺)(色氨酸)92.StructureofProtein

蛋白質(zhì)PeptidebondThepeptidebondbetweenthecarbonandnitrogenexhibitspartialdoublebondcharacterduetotheclosenessofthecarbonylcarbon-oxygendoublebondallowingtheresonancestructures.10CONHCONH+11AsegmentofapolypeptidechainshowingthetorsionanglesabouttheC-NbondandC-Cbond

Theconformationalrangeofthetorsionanglesinapolypeptidebackbonearerestrictedbysterichindence.12（1）Thepeptidechainandtheprimarystructureofprotein肽鏈與蛋白質(zhì)的一級結構ThelinearsequenceofaminoacidsDeterminedbythesequenceofnucleotidebasesinDNAAlsoincludedisthelocationofcovalentbonds——disulfidebond13一條肽鏈的兩端有不同結構和性質(zhì)：

一端的氨基酸殘基帶有游離氨基，稱氨基端；另一端的氨基酸殘基帶有游離羧基，稱羧基端。14（2）Differentlevelsofproteinstucture蛋白質(zhì)的高級結構Thepeptidechainfoldsuptoformaspecificshape(conformation)intheprotein.Thisproteinconformationsisthethreedimensionalarrangementofatomsinthestructureandisdeterminedbytheaminosequence.SecondaryStructureTheregularfoldingofregionsofthepeptidechainThemostcommontypesoftheproteinfoldingare

a-helix&b-sheet1516一個碳原子和兩個肽平面連接，這兩個肽平面的相對位置可用兩個二面角和來描述。還有一些二面角i用來描述氨基酸側鏈原子間的相對位置。如果不考慮側鏈基團的影響，通過單鍵的旋轉(zhuǎn)，和可以是0~360之間的任意角度，位阻及氫鍵等其他相互作用，單鍵的旋轉(zhuǎn)受到障礙在某個特定的位置，分子內(nèi)能降為最低標準右手螺旋的構象單元中，為-57，為-47；標準反平行-折疊片，均為-119，均為+11317TertiaryStructureThethirdlevelofstructureofproteinreferstothespatialarrangementofaminoacidsthatarefarapartinthelinearsequenceaswellasthoseresiduesthatareadjacent.Thedrivingforcebehindthefoldingofthepolypeptidechainistheenergeticrequirementtoburythehydrophobicresidues18QuaternaryStructureProteinscontainingmorethanonepeptidechain,suchashemoglobin,exhibitafourthlevelofproteinstructure.Thislevelofstructurereferstothespatialarrangementofpolypeptidesubunits,andthenatureoftheinteractionbetweenthemCovalentlink:

disulfidebondNoncovalentlink:

electrostaticforcehydrogenbondinghydrophobicinteractions.19一級結構二級結構三級結構四級結構α－螺旋β－折疊2021蛋白質(zhì)變性Theheat-causeddenaturationinalbuminproteinineggwhitescausestheoncetranslucent,runnysubstanceintoonethatiswhiteandfirm.22維持生物大分子高級結構的重要因素

——非共價鍵C＝OH－O

C－NHC－OH3N－氫鍵鹽鍵—+O2324Nature,2002,416,48325Prion的結構模型，左PrPc，右PrPSc瘋牛病、克雅氏癥的致病分子機制，可歸因于朊蛋白（PrionProtein，也稱普里昂蛋白）錯誤折疊。261978年9月的一天，保加利亞的叛逃作家、英國廣播公司和自由歐洲電臺的著名評論員格·馬爾科夫正走在去廣播公司上班的路上。剛剛跨上廣播大樓的臺階，他突然感到有什么東西在他的大腿上刺了一下。他看到一個人從地上拾起一把傘，并嘰嘰咕咕地說著一些道歉的話。馬爾科夫?qū)Υ瞬⑽丛谝?。但當天夜里馬爾科夫就開始發(fā)燒，血壓降低，隨后癥狀不斷加劇，幾天后因心跳停止而死亡。臨死前，他向妻子談到了那把可疑的傘。當倫敦警察廳的法醫(yī)驗尸時，他們在馬爾科夫大腿皮下發(fā)現(xiàn)了—個小小的金屬彈丸。這個金屬彈丸只有一個大頭針的針頭那樣大，在如此小的彈丸上有4個小孔。化驗證實，彈頭內(nèi)含有劇毒的化學毒物，毒物就是通過小孔進入他體內(nèi)的。最后，法醫(yī)們才鑒定出置他于死地的毒物就是蓖麻毒素。27蓖麻毒蛋白是一種異源二聚體糖蛋白。包含兩條具有不同胺基酸序列的蛋白質(zhì)鏈，分別重約30kDA，兩蛋白質(zhì)鏈之間以雙硫鍵相連。除此之外，還有兩種不同長度的糖分子支鏈結合於其上。兩條蛋白質(zhì)鏈如下：A鏈（Achain）含有267個胺基酸，是一個N-糖苷水解酶，此鏈會切斷rRNA上的一個共價鍵，使一個腺嘌呤遭移除。由於rRNA是組成核糖體的主要物質(zhì)，而核糖體又是合成蛋白質(zhì)所需，因此當rRNA遭破壞時，會使蛋白質(zhì)的合成受到抑制。B鏈（Bchain）是一個凝集素，其第262個殘基和A鏈之間以雙硫鍵結合。此鏈可與細胞表面上的半乳糖殘基或甘露糖殘基結合，協(xié)助A鏈通過細胞膜，進入細胞以發(fā)生作用。有許多植物，如大麥，含有A鏈卻沒有B鏈，因此人們不會因為攝取大量大麥而中毒。282-2MetalloproteinsandMetalloenzymes

金屬蛋白和金屬酶conjugatedproteins=protein+prosthetic(cofactor)

共軛蛋白=蛋白+輔基Holo-enzyme=apo-enzyme+prosthetic(cofactor)全酶=脫輔基蛋白+輔基（1）Whatarethemetalloproteinandmetalloenzymes?29ClassificationofMetalloproteinsDioxygenCarriers氧載體RedoxProtein氧化還原蛋白Somemetalloproteinsaredesignedforthestorageandtransportofthemetalionsthemselves—forexample,ferritinandtransferrinforironandmetallothioneinforzinc.Others,suchastheyeastproteinAtx1,actasmetallochaperonesthataidintheinsertionoftheappropriatemetalionintoametalloenzyme.Stillothersfunctionastransportagents.Cytochromesandferredoxinsfacilitatethetransferofelectronsinvariousmetabolicprocesses.30ClassificationofMetalloenzymesOxido-reductase氧化還原酶Transferase轉(zhuǎn)移酶Hydrolase水解酶Lyase裂解酶Isomerase異構酶Ligase連接酶Manymetalloproteinscatalyzeimportantcellularreactionsandarethusmorespecificallycalledmetalloenzymes.Forexample,cytochromeoxidaseistherespiratoryenzymeinmitochondriaresponsiblefordisposingoftheelectronsgeneratedbymammalianmetabolism;itdoessobyreducingO2towaterwiththehelpofbothhemeandcoppercenters.Incontrast,theconversionofwatertoO2iscarriedoutinthephotosyntheticapparatusbymanganesecenters.Othermetalloenzymesareinvolvedinthetransformationoforganicmoleculesincells.Forexample,tyrosinehydroxylase(anironenzyme)anddopamineβ-hydroxylase(acopperenzyme)carryoutoxidationreactionsimportantforthebiosynthesisofneurotransmitters.Alternatively,themetalcentercanserveasaLewisacidicsitetoactivatesubstratesfornucleophilicdisplacementreactions(thatis,hydrolysis).31（2）TheCoordinationPropertyofaminoacidsandProteins作為配體的氨基酸、蛋白質(zhì)Whichisthedonoratom?32很多天然蛋白質(zhì)中含有金屬，常見的有：鈣、鎂、鋅、鐵、銅等，此外，鉬、鎳和錳等也被發(fā)現(xiàn)。3334金屬離子與蛋白質(zhì)結合的模式（1）單個金屬離子直接結合35（2）多個金屬離子或金屬簇結合36（3）SpecializedUnits——metallo-cofactor

金屬特化單元Inmanycases,themetalioniscoordinateddirectlytofunctionalgroupsonaminoacidresidues.Insomecases,theproteincontainsaboundmetallo-cofactorsuchasheme.Inmetalloproteinswithmorethanonemetal-bindingsite,themetalionsmaybefoundinclusters.Examplesincludeferredoxins,whichcontainiron-sulfurclusters(Fe2S2orFe4S4),andnitrogenase,whichcontainsbothFe4S4unitsandanovelMoFe7S8cluster.

大自然在利用生物金屬時