第二章(1) 氨基酸与蛋白

第二章：重要的生物配体及其金属配合物结构——分子生物学基础1.AminoAcidsandProtein第一节：氨基酸和蛋白质2.MetalloproteinsandMetalloenzymes第二节：金属酶和金属蛋白3.NucleicAcid

第三节：核酸4.BasicKnowledgeofMolecularBiology第四节：分子生物学基础：中心法则Chapter2BasicKnowledgeofMolecularBiologySomeimportantbio-ligands,thestructureoftheirmetalcomplexes12-1：AminoAcidsandProtein

氨基酸和蛋白质AminoAcids氨基酸

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

Acidic,neutralandbasicaminoacid

Accordingtothenumberofaminoandcarboxylgroups

Acidic酸性氨基酸（羧基数目>氨基数目）

neutral中性氨基酸（羧基数目=氨基数目）

Basic碱性氨基酸（羧基数目<氨基数目）5(谷氨酸)(天冬氨酸)(賴氨酸)(精氨酸)(组氨酸)6Thestandard20aminoacidsdifferonlyinthestructureoftheside-chain.Theydisplaydifferentphysicochemicalpropertiesdependingonthenatureofthesidechain.Hydrophobic,aliphaticaminoacidsHydrophobic,aromaticaminoacidsPolar,unchargedaminoacidsPolar,changedaminoacidsNonpolar7按氨基酸中取代基类型分类(缬氨酸)(亮氨酸)(异亮氨酸)(脯氨酸)(苯丙氨酸)(甲硫氨酸)8(丝氨酸)(苏氨酸)(半胱氨酸)(酪氨酸)(天冬酰胺)(谷氨酰胺)(色氨酸)92.StructureofProtein

蛋白质PeptidebondThepeptidebondbetweenthecarbonandnitrogenexhibitspartialdoublebondcharacterduetotheclosenessofthecarbonylcarbon-oxygendoublebondallowingtheresonancestructures.10CONHCONH+11AsegmentofapolypeptidechainshowingthetorsionanglesabouttheC-NbondandC-Cbond

Theconformationalrangeofthetorsionanglesinapolypeptidebackbonearerestrictedbysterichindence.12（1）Thepeptidechainandtheprimarystructureofprotein肽链与蛋白质的一级结构ThelinearsequenceofaminoacidsDeterminedbythesequenceofnucleotidebasesinDNAAlsoincludedisthelocationofcovalentbonds——disulfidebond13一条肽链的两端有不同结构和性质：

一端的氨基酸残基带有游离氨基，称氨基端；另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称羧基端。14（2）Differentlevelsofproteinstucture蛋白质的高级结构Thepeptidechainfoldsuptoformaspecificshape(conformation)intheprotein.Thisproteinconformationsisthethreedimensionalarrangementofatomsinthestructureandisdeterminedbytheaminosequence.SecondaryStructureTheregularfoldingofregionsofthepeptidechainThemostcommontypesoftheproteinfoldingare

a-helix&b-sheet1516一个碳原子和两个肽平面连接，这两个肽平面的相对位置可用两个二面角和来描述。还有一些二面角i用来描述氨基酸侧链原子间的相对位置。如果不考虑侧链基团的影响，通过单键的旋转，和可以是0~360之间的任意角度，位阻及氢键等其他相互作用，单键的旋转受到障碍在某个特定的位置，分子内能降为最低标准右手螺旋的构象单元中，为-57，为-47；标准反平行-折叠片，均为-119，均为+11317TertiaryStructureThethirdlevelofstructureofproteinreferstothespatialarrangementofaminoacidsthatarefarapartinthelinearsequenceaswellasthoseresiduesthatareadjacent.Thedrivingforcebehindthefoldingofthepolypeptidechainistheenergeticrequirementtoburythehydrophobicresidues18QuaternaryStructureProteinscontainingmorethanonepeptidechain,suchashemoglobin,exhibitafourthlevelofproteinstructure.Thislevelofstructurereferstothespatialarrangementofpolypeptidesubunits,andthenatureoftheinteractionbetweenthemCovalentlink:

disulfidebondNoncovalentlink:

electrostaticforcehydrogenbondinghydrophobicinteractions.19一级结构二级结构三级结构四级结构α－螺旋β－折叠2021蛋白质变性Theheat-causeddenaturationinalbuminproteinineggwhitescausestheoncetranslucent,runnysubstanceintoonethatiswhiteandfirm.22维持生物大分子高级结构的重要因素

——非共价键C＝OH－O

C－NHC－OH3N－氢键盐键—+O2324Nature,2002,416,48325Prion的结构模型，左PrPc，右PrPSc疯牛病、克雅氏症的致病分子机制，可归因于朊蛋白（PrionProtein，也称普里昂蛋白）错误折叠。261978年9月的一天，保加利亚的叛逃作家、英国广播公司和自由欧洲电台的著名评论员格·马尔科夫正走在去广播公司上班的路上。刚刚跨上广播大楼的台阶，他突然感到有什么东西在他的大腿上刺了一下。他看到一个人从地上拾起一把伞，并叽叽咕咕地说着一些道歉的话。马尔科夫对此并未在意。但当天夜里马尔科夫就开始发烧，血压降低，随后症状不断加剧，几天后因心跳停止而死亡。临死前，他向妻子谈到了那把可疑的伞。当伦敦警察厅的法医验尸时，他们在马尔科夫大腿皮下发现了—个小小的金属弹丸。这个金属弹丸只有一个大头针的针头那样大，在如此小的弹丸上有4个小孔。化验证实，弹头内含有剧毒的化学毒物，毒物就是通过小孔进入他体内的。最后，法医们才鉴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鏈，分別重約30kDA，兩蛋白質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，而核糖體又是合成蛋白質所需，因此當rRNA遭破壞時，會使蛋白質的合成受到抑制。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，協助A鏈通過細胞膜，進入細胞以發生作用。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

金属蛋白和金属酶conjugatedproteins=protein+prosthetic(cofactor)

共轭蛋白=蛋白+辅基Holo-enzyme=apo-enzyme+prosthetic(cofactor)全酶=脱辅基蛋白+辅基（1）Whatarethemetalloproteinandmetalloenzymes?29ClassificationofMetalloproteinsDioxygenCarriers氧载体RedoxProtein氧化还原蛋白Somemetalloproteinsaredesignedforthestorageandtransportofthemetalionsthemselves—forexample,ferritinandtransferrinforironandmetallothioneinforzinc.Others,suchastheyeastproteinAtx1,actasmetallochaperonesthataidintheinsertionoftheappropriatemetalionintoametalloenzyme.Stillothersfunctionastransportagents.Cytochromesandferredoxinsfacilitatethetransferofelectronsinvariousmetabolicprocesses.30ClassificationofMetalloenzymesOxido-reductase氧化还原酶Transferase转移酶Hydrolase水解酶Lyase裂解酶Isomerase异构酶Ligase连接酶Manymetalloproteinscatalyzeimportantcellularreactionsandarethusmorespecificallycalledmetalloenzymes.Forexample,cytochromeoxidaseistherespiratoryenzymeinmitochondriaresponsiblefordisposingoftheelectronsgeneratedbymammalianmetabolism;itdoessobyreducingO2towaterwiththehelpofbothhemeandcoppercenters.Incontrast,theconversionofwatertoO2iscarriedoutinthephotosyntheticapparatusbymanganesecenters.Othermetalloenzymesareinvolvedinthetransformationoforganicmoleculesincells.Forexample,tyrosinehydroxylase(anironenzyme)anddopamineβ-hydroxylase(acopperenzyme)carryoutoxidationreactionsimportantforthebiosynthesisofneurotransmitters.Alternatively,themetalcentercanserveasaLewisacidicsitetoactivatesubstratesfornucleophilicdisplacementreactions(thatis,hydrolysis).31（2）TheCoordinationPropertyofaminoacidsandProteins作为配体的氨基酸、蛋白质Whichisthedonoratom?32很多天然蛋白质中含有金属，常见的有：钙、镁、锌、铁、铜等，此外，钼、镍和锰等也被发现。3334金属离子与蛋白质结合的模式（1）单个金属离子直接结合35（2）多个金属离子或金属簇结合36（3）SpecializedUnits——metallo-cofactor

金属特化单元Inmanycases,themetalioniscoordinateddirectlytofunctionalgroupsonaminoacidresidues.Insomecases,theproteincontainsaboundmetallo-cofactorsuchasheme.Inmetalloproteinswithmorethanonemetal-bindingsite,themetalionsmaybefoundinclusters.Examplesincludeferredoxins,whichcontainiron-sulfurclusters(Fe2S2orFe4S4),andnitrogenase,whichcontainsbothFe4S4unitsandanovelMoFe7S8cluster.

大自然在利用生物金属时