科学故事.蛋白质化学.doc

第一章氨基酸科学故事:第二十二种标准氨基酸生物学家因发现新的氨基酸带来的喜悦不亚于物理学家发现了新的粒子或化学家发现了新的元素。1986年以前,人们一直认为,出现在蛋白质分子中的由遗传密码编码的标准氨基酸残基只有20种。到了1986年,科学家们终于在含硒蛋白中发现第二十一种标准氨基酸——含硒半胱氨酸。时隔16年之后,来自美国俄亥俄州立大学的两个研究小组在产甲烷细菌里发现了第二十二种标准氨基酸——吡咯赖氨酸。——巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcinabarkeri)。此微生物能够将单甲胺(monomethylamine)、二甲胺(dimethylamine)和三甲胺(trimethylamine)转变成甲烷。1995年,Krzycki的研究小组分离得到一些与甲烷生成有关的特殊蛋白质。两年以后,他们分离得到编码其中一个蛋白质的基因,并测定出了它的核苷酸序列。1998年,他们发表了这个基因的全序列,结果显示其阅读框架内含有一个反常的琥珀型终止密码子(ambercodon)。密码子是决定氨基酸的三字母核苷酸序列(参看“第三十八章蛋白质的生物合成与细胞内降解”),琥珀型终止密码子的核苷酸序列是TGA,它通常不决定任何氨基酸,它的出现一般是多肽链合成结束的标志。然而,让Krzycki吃惊的是,该终止密码子竟然编码一种氨基酸,而且这种奇怪的现象还出现在其他几种与甲烷产生有关的基因上。与此同时,由MichaelChan领导的研究小组开始研究由琥珀密码子编码的氨基酸的结构。他们意识到这个古怪的密码子也许编码一种新的氨基酸,但也有其他的可能性。Krzycki及其同事决定测定原来蛋白质的氨基酸序列。当得到蛋白质的氨基酸序列以后,他们发现由琥珀密码子决定的氨基酸似乎仅仅是一个赖氨酸。但是,Krzycki仍然要求Chan和他的一个博士研究生BingHao对含有这个氨基酸的蛋白质晶体结构进行研究以确定那个氨基酸的性质。经过两年的研究,Chan和Hao终于确定了这个蛋白质的结构。他们得到的一些数据表明那个氨基酸是一个新的氨基酸。不仅如此,Krzycki还在寻找其他证据。他和他的博士研究生GayathriSrinivasan、CareyJames很快发现了一种新的特异性tRNA——专门负责将新的氨基酸插入到蛋白质之中,同时还发现其他一些与此过程有关系的酶。综合以上两个发现以及更为详细的晶体结构,他们确信他们发现了第二十二种由DNA编码的氨基酸——吡咯赖氨酸。他们还认为,这个新的氨基酸是一个非常罕见的氨基酸,所以这么多年后才被发现。然而,Krzycki相信它也可能存在于其他有机体内。对此Chan表示同意并指出,发现第二十二种氨基酸将激励更多的研究者去寻找第二十三种乃至第二十四种氨基酸。随着更多种生物的基因组序列被破译,有理由认为某些有趣的事情迟早会发生。小结氨基酸是一类同时含有氨基和羧基的有机小分子。组成多肽和蛋白质的氨基酸除Gly外,都属于L型的α-氨基酸(Pro为亚氨基酸)。氨基酸不仅可以作为寡肽、多肽和蛋白质的组成单位或生物活性物质的前体,也可以作为神经递质或糖异生的前体,还能氧化分解产生ATP。目前已发现蛋白质氨基酸有22种,其中20种最为常见,而硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸比较罕见。非蛋白质氨基酸通常以游离的形式存在,作为代谢的中间物和某些物质的前体,具有特殊的生理功能。22种标准氨基酸可使用三字母或单字母缩写来表示。某些标准氨基酸在细胞内会经历一些特殊的修饰成为非标准蛋白质氨基酸。氨基酸有多种不同的分类方法:根据R基团的化学结构和在pH7时的带电状况,可分为脂肪族氨基酸、不带电荷的极性氨基酸、芳香族氨基酸、带正电荷的极性氨基酸和带负电荷的极性氨基酸;根据R基团对水分子的亲和性,可分为亲水氨基酸和疏水氨基酸;根据对动物的营养价值,可分为必需氨基酸和非必需氨基酸。氨基酸的性质由其结构决定。其共性有:缩合反应、手性(Gly除外)、两性解离、具有等电点,以及氨基酸氨基和羧基参与的化学反应,包括与亚硝酸的反应、与甲醛的反应、Sanger反应、与异硫氰酸苯酯的反应和与茚三酮的反应等。与亚硝酸的反应可用于VanSlyke定氮,与甲醛的反应可用于甲醛滴定,Sanger反应和与异硫氰酸苯酯的反应可用来测定N-端氨基酸。只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质,其余生成蓝紫色物质,利用此反应可对氨基酸进行定性或定量分析。多数氨基酸的侧链可能发生特殊的反应,可以此鉴定氨基酸。不同氨基酸在物理、化学性质上的差异可用来分离氨基酸,其中最常见的方法是电泳和层析。第二章蛋白质的结构科学故事:一级结构决定高级结构蛋白质的高级结构由其一级结构决定的学说最初由ChristianB.