第三章氨基酸肽和蛋白质

第三章 氨基酸、肽和蛋白质,在生命活动中有三类物质起着重要作用，即多糖、蛋白质和核酸。从化学上讲这三类物质都是高聚物。在这三类生物高分子中，蛋白质最具生理活性多样性。它存在于所有细胞中，蛋白质是生物体各种组织如皮肤、肌肉、骨骼、神经和血液等的重要组成物质。作为酶和激素的蛋白质，它们催化和调节机体内的众多反应，作为抗体，它又能抵御病菌的侵入。各种不同蛋白质又各具特殊功能，如血红蛋白，它可将维持生命的最重要物质氧送到机体各个角落。,1,蛋白质是多聚酰胺，是由氨基酸组成的，组成蛋白质的氨基酸通常有20种，称之为天然氨基酸，都为L-型a-氨基酸。蛋白质是复杂的生物生物高分子，相对分子质量通常都在10 000以上，如胰岛素的相对分子质量为6000，但它的二聚体的相对分子质量为12 000，同时具有复杂的高级结构，所以胰岛素可视为最小的蛋白质。从结构上讲，肽与蛋白质没有什么区别，肽也是由氨基酸以酰胺键组成，也同样具有较稳定的空间结构，只不过分子较蛋白质小。肽也具有多样的和复杂的生理功能。它在生物体内传递信息、调节细胞代谢活动和协调各机体的生理过程，在生命活动中起着非常重要的作用。,2,第一节 氨基酸,氨基酸的结构与分类、理化性质、氨基酸的分离分析（生物化学和食品化学已经学过）,3,第二节 肽,肽和蛋白质都是重要的生命基础物质。从结构上看它们是相同的，都是由氨基酸以酰胺键连接而成。构成多肽与蛋白质的氨基酸通常为a-氨基酸，约20种，都是L-型，只有在微生物代谢产物、植物及个别低等动物来源的多肽中存在非天然的D型氨基酸。多肽与蛋白质在基本结构上是没有区别的，只是分子大小的不同。现在习惯的区分是将相对分子质量10 000以下的(即约含100个氨基酸残基结构单元)称作肽，而大于此值则为蛋白质。另外，由于蛋白质的分子较大，因此，分子内部各种能稳定结构的因素(如氢键、盐键等各种次级键及芳香基团间的相互作用等)明显大于多肽，蛋白质比多肽具有更稳定和更复杂的高级结构。,4,肽和蛋白质在生命科学、生物医学及内分泌学中占有非常重要的地位。细胞分化、免疫防御、肿瘤病变、抗御衰老与生殖控制等生理活动无不与多肽密切相关。许多天然和合成的多肽在生物医药中的应用是人们熟知的。例如，胰岛素用于治疗糖尿病、调钙素用于骨质疏松症、促黄体激素释放激素对于生殖系统疾病及一些多肽类抗菌素如Bleomycin对于肿瘤抑制等，都说明了多肽类药物的重要性。作为各种酶重要组分的蛋白质，对于生命活动的重要性更是不言而喻的。没有这些重要生物催化剂的作用，生命活动就将停止。因此，研究多肽和蛋白质化学对于了解生命现象和改善生命活动是非常重要的。,5,一、肽和蛋白质的结构和特性,肽和蛋白质都是由氨基酸通过酰胺键(-CONH-)联结而成。例如，一个由丙氨酸(alanine)、半胱胺酸(cysteine)和缬氨酸(valine)组成的三肽结构如下：,6,在三肽中含有两个酰胺键。由于羰基与氮原子之间的键已具部分双键性质，限制自由旋转。因此，这四个原子处于同一平面，这一结构特征对于肽和蛋白质的空间构象是非常重要的。,7,肽的分类：,按结构特征，肽分为：（1）直连肽，即（2）环肽:以硫硫键相连的环肽，如催产素,8,头尾以酰胺键相连的环肽，如环肽类抗菌素除了上述常见的环肽之外，还有内酯肽及侧链环肽等。,9,二、天然的生物活性多肽,迄今为止，对生物活性多肽的研究主要集中在动物，特别是哺乳动物来源的生物活性肽。它们在哺乳利物如人类的所有内分泌脏器中都有分布。 从哺乳类动物得到的多肽类激素种类很多，分布也非常广泛，生理功能也非常显著。但这类多肽的含量都非常少。例如，促黄体激素释放激素(LH-RH)存在于下丘脑中，20世纪70年代初Schally与Guillernin等从数十万头猪或羊的下丘脑中才分离纯化得到毫克量的提抽物，并借此确定了LH-RH的结构。下表所示的多肽激素根据它们来源不同的内分泌腺及作用靶细胞的不同，大体可分为下丘脑、垂体、胃肠、胰腺及组织激肽等多肽激素研究的进展表明，它们的分布是很广泛的。有些生物活性肽如激肽类，不但存在于高等动物中，也普遍存于低等动物中。,10,11,抗菌多肽具离子通道功能，有抗细菌和真菌活性。Nisin具有更复杂的环状结构，它现被用作食品防腐剂。自1971年结构被确定以来，Shiba等对其进行了构象研究并已化学合成。它是从霉菌中分离得到的富含D型氨基酸及非天然氨基酸的环肽。它不仅能抑制真菌和酵母的生长，同时也具有抗炎症活性，是重要的免疫抑制剂，被用于器官移植手术中。,12,1、肽的分离纯化与结构鉴定,一般地讲，用于氨基酸、肽与蛋白质的纯化方法大致相同，如层析、电泳及离子交换等。近代在肽类化合物的分离方法中，最具实用价值的方法有以下几种：（1）凝胶过滤：又称分子筛，实际上它又可视为体积排阻层析，用作支撑物的是一类多孔的高分子。在这类柱分离中，肽类混合物中的小分子可以进入多孔的支撑物，而大分子则不能进入。因此，大分子先洗脱下来，而小分子则随后流出，达到分类目的。如下图。,13,14,分子筛的种类：葡聚糖凝胶（dextran)：商品名Sephadex，有各种交联度的葡聚糖凝胶，根据其适用范围有Sephadex G10-G20等各种不同型号。琼脂糖凝胶：现在常用的商品有Sepharose与Biogel系列。,15,(2)SDS-Page电泳,聚丙烯酰胺(polyacrylarnide)也是一种凝胶，它更多地被用作电泳支撑物。SDS-Page电泳广泛地用于肽与蛋白质的分析鉴定。,16,（3）高效液相层析,高效液相层析的特点是指层析是在高压下进行的，分离速度快而且是高效的，它的支撑物类型很广，只要具有大的有效的表面积的物质都可用作固定相，可以是交换树脂，也可以是凝胶，但最常用的硅胶，特别是衍生化了的烷基硅胶，即是反向高效液相层析(RP-HPLC)，这是目前被广泛用于多肽类化合物的分离技术。在此，它的固定相为非极性的烷基化硅胶，而移动相为极性洗脱液，通常为各种pH与离子浓度的缓冲液，为了改进洗脱效果，通常加入一些有机溶剂作改进剂，常用的溶剂，如乙腈、甲醇等，其中，尤以乙腈为佳，因为它黏度低并且具有良好的溶解性能。这样极性大的肽先洗脱下来，而极性小的则随后。RP-HPLC是分离多肽混合物的有效手段。如果选择好适当条件，则可将性质非常类似结构差别很小的肽类混合物分开。,17,其他一些常用于多肽类化合物分离的技术如等电聚焦(isoelectric focusing)、毛细管电泳(capillary electrophoresis)及SDS-Page电泳等同样也广泛地应用于蛋白质的分离鉴定，较详细的叙述见蛋白质部分。,18,2、肽的合成,从19世纪80年代EFischer与TCurtius第一次成功地合成多肽开始，迄今已有一百多年历史。近年来，由于有机合成化学与近代分析技术的进步，使得多肽合成化学更趋成熟。特别是固相合成技术的发展圾随之而实现的机械化、自动化，使得快速、方便地合成多肽成为现实。大多数肽类化合物在自然界存在很少，而且还存在一些结构上的不稳定性，而化学合成的多肽或修饰的多肽类化合物可以克服这些缺点，可以提使种类繁多的多肽类药物，在生命科学的发展中起了重要作用。,19,要实现一个简单二肽的合成，通常步骤是：首先将作为羧基组分的氨基酸的氨基加以保护，同时将作为氨基组分的氨基酸的羧基加以保护。反应如下：其次，活化羧基组分中的羧基：活化羧基的方法很多，可通过形成酰卤、酸酐或各种类型的活化酯或其他活性衍生物以实现羧基的活化。,20,（1）氨基的保护。在种类繁多的氨基保护基中，最常用的还是氨基甲酸酯(urethane或carbamate)。其中最常用的与最具代表性的有苄氧羰酰基(benzyloxycarbonyl，Z)，叔丁氧羰酰基(t-butyloxycarbonyl,BOC)及芴甲氧羰酰基(9-fluorenylmethoxycarbonyl，Fmoc)。（2）羧基的保护。相对于氨基保护而言，羧基的保护基种类要简单得多。在最简单的情况下通过与碱金属成盐就可保护。通常都是酯化成甲酯、乙酯、叔丁酯或苄酯等保护。甲酯或乙酯可通过皂化脱除，而苄酯则用催化氢解脱除。叔丁酯的脱除则通常用酸解(HCl、CF3COOH等)实现。 ,21,（3）侧链基团的保护。在天然氨基酸中，有些还带有功能侧链，如半胱氨酸的巯基、丝氨酸与酪氨酸的羟基、精氨酸的胍基和组氨酸的咪唑基等。这些功能团一般都需要加以保护。这些保护基团的选择应与a-氨基与羧基的保护基团协调配合。（4）肽键的形成。正如前述，几乎所有肽键形成的方法都是活化羧基组分中的羧基，以利于氨基的亲核进攻。早期应用的方法如酰氯(RCOCl)、叠氮(RCON3)由于存在一些缺点，现已较少应用。现在形成肽键的常用方法有活化酯法、酸酐法及缩合剂。,22,（5）肽的固相合成。上述的肽键形成方法对于液相或固相肽合成都是相同的，但在实现的方式或手段上却是不同的。固相合成是以一种不溶的高分子为载体，实现在半杂相情况下的缩合，用过量的反应物与缩合剂以使缩合反应接近完全，过量缩合剂与反应物则用简单的洗涤方法除去。连接在不溶的高分子物上的肽再经过重复的操作方式增长。以合成一个含A、B、C、D、E、F的六肽为例，其合成流程如图11-6所示。,23,24,第三节 蛋 白 质,蛋白质在生命科学中的重要性是不言而喻的，在生物体的各种组织中都广泛存在。它是生物催化剂一酶；保护性蛋白抗体；调节蛋白DNA结合蛋白和激素；结构蛋白胶原及传送蛋白血红蛋白等的主要组分。近年来，我国科学工作者从天然产物中分离到许多具有重要生理功能的蛋白质，特别是从葫芦科植物如栝楼、苦瓜子和王瓜中分离到许多活性蛋白。其中天花粉蛋白的结构鉴定与生理活性研究是我国科学工作者通力协作所取得的重大成果。本章即从它的分离、提纯、结构测定等的实际方法来了解如何从天然产物中分离生物活性蛋白质，这是很具代表性的工作；同时也了解蛋白质结构测定方法的最新进展。,25,本节以天花粉蛋白为实例，对天然产物中蛋白质的提取、分离、纯化、纯度鉴定、结构测定和结构与功能关系作系统的论述。天花粉蛋白是从中草药栝楼的根中提取的。栝楼根又称天花粉，其中的蛋白质是我国独创的计划生育和治疗宫外孕、葡萄胎、恶性葡萄胎、死胎、植入性胎盘等的良药。1989年，美国又发现天花粉蛋白能抑制HIV的复制和繁殖，用于治疗艾滋病。业已证明天花粉蛋白也是一个单链核糖体失活蛋白属RNAN一糖苷酶型。它能专一性水解28S rRNA第4324位腺苷酸的N-C糖苷键，释放出一个腺嘌呤碱基，使核糖体失活，这类蛋白质广泛存在于天然产物中。,26,一、分离纯化,一般蛋白质的分离纯化可以按溶解度不同进行初步的分离，如用无机盐最常用(NH4)2S04或有机溶剂(如丙酮、乙醇等)沉淀；按分子大小的不同进行分离，如各种类型的分子筛(Sephadex葡聚糖凝胶、Bio-gd生物凝胶)、SDS(十二烷基硫酸钠)凝胶电泳，各种不同孔径的透析袋或超滤膜；按电荷性质不同进行分离纯化，如各种类型的离子交换树脂和等电聚焦等方法；根据生物活性的不同，如亲和层析；也可以用结晶方法；高效液相色谱等方法进一步纯化。,27,1、丙酮分级沉淀(精制天花粉蛋白),采集10 Kg新鲜天花粉块根，去皮，捣碎，榨汁，过滤，得2000 mL原汁。将上清液冷却到5以下，用2mol/L盐酸调pH到4左右，即有沉淀析出。然后在5以下再慢慢加入1600 mL(用原汁体积的08倍)冰冷的丙酮，有沉淀析出。用冷冻离心机离心20min(0-5，1500r/min),除去沉淀。上清液A在5以下再加入800mL冰冷的丙酮，有沉淀析出，在同样条件下离心，得沉淀和上清液B。所得沉淀用l00mL蒸馏水溶解，对流水透析3648 h，离心，弃去沉淀，清液C冷冻干燥，得10-15 g干粉即为精制天花粉蛋白，得率为0.1- 0.15。上清液B内含有热原性糖蛋白、游离氨基酸和多糖等，从中还可以回收丙酮(如图11-7)。,28,29,2、结晶天花粉蛋白的制备,1g精制天花粉蛋白溶于10 mL蒸馏水，离心，除去不溶物质。上清液装人透析袋在冰箱中用pH=8.6巴比妥缓冲液透析。一星期内有长方片状结晶生长，得300mg左右结晶天花粉蛋白。,30,3、层析方法,（1）葡聚糖凝胶（Sephadex）层析：从天花粉压汁后的残渣中用生理盐水提取和硫酸铵沉淀法得到栝楼蛋白的粗提物，再经Sephadex G-75分离得到两个峰。第二个峰（主峰）含有栝楼蛋白。如图11-8 。,31,（2）羧甲基葡聚糖凝胶法:这种凝胶把羧甲基(-O-CH2-COONa+)阳离子交换基团接到葡聚糖上使这种凝胶既具有离子交换作用，又具有分子筛作用，分离效果较好。例如，丙酮沉淀天花粉蛋白用羟甲基葡聚糖凝胶分离后主要可得4个峰，如图11-9。,32,二、纯度的鉴定,1、十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳法(简称SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳法)鉴定分子大小按常法用SDS凝胶电泳法鉴定天花粉蛋白。因为蛋白质经SDS处理后，带有负电荷，在电泳中向正极移动，其电泳迁移率只与相对分子质量大小有关，借此可以鉴定蛋白质的相对分子质量与均一性。电泳用0.1mol/L,pH=7.2磷酸盐缓冲液系统，凝胶浓度为10丙烯酰胺，用考马斯亮蓝R250染色，其结果如图11-10结晶天花粉蛋白只出现一条色带，显示其分子是均一的。 另外，用分子筛如葡聚糖凝胶分离结晶天花粉蛋白也只显一峰，也证明其分子大小是均一的。,33,34,2、从电荷性质方面鉴定,采用pH=4.3氢氧化钾-乙酸系统，聚丙烯酰胺凝胶圆盘电泳(丙烯酰胺的浓度为15)所得结果见图11-11。结晶天花粉蛋白只有一条色带，粗制天花粉蛋白由十几条色带。粗制天花粉蛋白经羧甲基葡聚糖凝胶分离后，其峰1、2、3、4和5在此系统中电泳位置不同(图11-12)，说明这些蛋白质等电点不同。,35,36,37,3、免疫血清法鉴定,一般特异性蛋白质都有抗原性，注射到各种动物(如羊、兔等)体内，能在这些动物血清中产生专一性的抗体。天花粉蛋白也有强抗原性，如把粗制天花粉蛋白多次注射到兔或羊等动物体内，12个月后它们的血清中会含天花粉蛋白抗体，取这种免疫血清做免疫电泳。用离子强度为0.05、pH=8.8的巴比妥缓冲液配成03琼脂糖溶液，铺于3cm7.5 cm的玻片上，在凝胶板上两边挖两个小孔，分别加粗制天花粉蛋白和结晶天花粉蛋白溶液，在pH=8.8巴比妥缓冲液中电泳后，在中间开一条窄槽，加粗制天花粉蛋白免疫血清，在密闭缸中任其扩散。抗体与抗原结合产生白色沉淀形成一条弧线，然后彻底洗去粗制天花粉蛋白免疫血清，用氨基黑10B染色，其结果见图11-13。粗制天花粉蛋白显示有五六条弧线，结晶天花粉蛋白只有一弧线，证明天花粉蛋白在免疫特性上也是均一的。,38,39,4、N末端氨基酸的鉴定,按常法用二甲氨基萘磺酰氯(dansyl chloride)和4-N，N-二甲胺基偶氮苯-4-异硫氰酸酯(4-N,N-dimethylaminoazobenzene-4-isothiocyanate，DABITC)分别测定天花粉蛋白的N末端，结果都证明为单一的天冬氨酸(图11-14)。,40,41,5、C末端氨基酸的检定,按常法用羧肽酶、肼解、乙内酰硫脲等法测定天花粉蛋白的C末端，不能得到肯定的结论。肼解法结果，出现甲硫氨酸、丙氨酸、甘氨酸等，都有可能是C末端氨基酸；乙内酰硫脲法出现丙氨酸和甲硫氨酸；羧肽酶A显示丙氨酸和甲硫氨酸两个C末端氨基酸的可能。最后根据计算机辅助的羧肽酶法测定C末端是不均一的，有两个：一是甲硫氨酸；二是丙氨酸。这类末端微观不均一性的情况在植物性蛋白并不是独有的。,42,6、氨基酸测定,每一种均一性蛋白质应该有恒定的氨基酸组成，按常法将不同批号的结晶天花粉蛋白用5.7 molL盐酸在封管中105水解24h，减压浓缩除去盐酸后，经氨基酸分析仪分析其氨基酸组成恒定。7、结晶用结晶的方法来纯化蛋白质，也是一种重要手段。天花粉蛋白在巴比妥缓冲液中得单斜晶系晶体，而在柠檬酸缓冲液中(pH=54)可获得正交晶系单晶。,43,8、生物活性每一种均一性蛋白质应该有一定的生物活性(当然要在不变性失活情况下)，结晶天花粉蛋白的生物活性ED50为0.31 mgkg。 9、毛细管电泳 如用毛细管电泳可以证明天花粉蛋白与栝楼蛋白不同。把天花粉蛋白和栝楼蛋白混合后做毛细管电泳得到明显的两个峰。如图11-15。10、高效液相色谱(HPLC) 栝楼蛋白用HPLC检定得到很好的一个峰，如图11-16。,44,11、质谱,20世纪80年代末90年代初，由于质谱技术的发展，一种被称为电喷雾电离质谱(electrospray ionizati0MS，ESIMS)；另一种被称为基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(matrix assisted laser desorption ionization-time of flight-MS，MALDI-TOF-MS)，解决了极性大、热不稳定的蛋白质、多肽离子化和相对分子量测定问题，只要蛋白质在相对分子质量方面不均一用质谱方法立即能够检出，如天花粉蛋白C端不均匀，一个为Met，另一个为Ala。用质谱方法检出两个峰，其他方法都无法检出，因此质谱已成为蛋白质纯度检定和生物大分子结构测定的一种非常有效的方法，如图11-17。发明这两种质谱的科学家都获得2002年诺尔化学奖。,45,46,三、蛋白质的物理化学性质,蛋白质可以是简单蛋白质，其结构全部由氨基酸组成，如胰岛素、血清白蛋白、天花粉蛋白等；也可以是结合蛋白，除了氨基酸外还有其他辅基如核蛋白结合核酸；脂蛋白结合脂类，如磷脂、胆固醇；糖蛋白结合糖类。 蛋白质的物理化学性质除了上述简单蛋白外，结合蛋白质的相对分子质量、等电点、氨基酸组成、N端、C端等都是非常重要的数据。,47,四、蛋白质一级结构的测定,在用各种方法鉴定蛋白质纯度是均一后(纯度在95以上)，可以测定蛋白质的一级结构。蛋白质一级结构的测定目前已有很多方法，如化学方法利用Edman降解从N端开始逐个测定，用基因方法和物理方法如质谱、核磁共振等。本节主要介绍Edman降解法，其基本反应是通过三个步骤偶联、裂解、转化和PTH氨基酸检定。,48,1、偶联,蛋白质和多肽的自由a-氨基经与异硫氰酸苯酯(PITC)试剂偶联后，与其紧挨的第二个残基的键合力大大减弱，很容易断裂。反应如下：,49,2、裂解,在无水条件下酸裂解，仅仅切下反应的那个残基。紧挨的第二个氨基酸残基暴露出自由的a一氨基，又可与PITC进行偶联反应。,50,3、转化,ATZ-氨基酸不稳定，在三氟乙酸水溶液(25)条件下可转化成稳定的PTH-氨基酸(图11-21)。,51,4、PTH-氨基酸的鉴定,可以通过薄层层析、气相色谱、高效液相色谱及质谱等各种手段进行分析。近年来，由于高效液相色谱技术具有分析速度快、灵敏度高、定性定量准确等诸多优点，并且仪器自身结构也日臻完善，被广泛应用于PTH-氨基酸的鉴定。通常选用C-18反相柱进行分离。蛋白质化学方法的顺序测定现在一般都用仪器，可以详见夏其昌主编的蛋白质化学研究技术与进展)一书(1997年，北京，科学出版社)。 在没有顺序仪的实验室也可以用手工DABITCPITC双偶合法测定，该法具有简便有效快速等优点。,52,DABITCPITC双偶合微量顺序测定法，是用有色试剂DABITC与多肽或蛋白质的氨基做第一次偶合，因该偶合反应产率只有20-50，余下没有与DABITC偶合的氨基再用PITC做第二次偶合，由于PITC 与多肽或蛋白质的偶合反应几乎是定量的，这样就保证了每个残基都反应完全，然后再裂解、转化、鉴定有色的DABTH一氨基酸。失去一个残基后的肽或蛋白质再偶合、裂解、转化，依次循环测定多肽和蛋白质序列，其反应原理如图11-22所示。,53,54,55,56,(1)材料 DABITC(Fluka出品或自己合成)，用沸丙酮重结晶。N-正庚烷、乙酸乙酯、n-乙酸丁酯都按顺序级要求处理。吡啶先用KOH(10gL)回流，蒸出，再用茚三酮(1 gL)回流，蒸出，最后再用KOH(10gL)回流 ，再蒸出。异硫氰酸苯酯(PITC)在减压下通氮气重蒸。三氟乙酸用Cr03处理重蒸再用CaS04干燥重蒸。超滤水。(2)聚酰胺薄膜层析溶剂AI向33乙酸；向甲苯：n-己烷：乙酸(2：1：1，体积比)。B鉴定Ile，Leu膜75 cm4 cm，10甲酸：乙醇(10：9，