第 5 章 多肽和蛋白质的结构
(Peptide and Protein Structure)
学习目标( Learning Objectives)
· 熟练掌握蛋白质结构的基本词汇:常见的核糖体氨基酸和它们的单字母缩写。
· 认识疏水作用是蛋白质折叠与结合的主要因素。
· 学习多肽化学合成中所基于的化学反应机理。
· 理解控制蛋白质构象的基本化学作用力。
* 区分螺旋、折叠和转角中不同的氢键模式。
· 将氨基酸与其倾向于形成的典型二级结构联系起来。
· 认识蛋白质折叠中各级结构的特点。
“蛋白质 ”( Protein) 这一名称源于希腊语“πpoTeLoσ”, 意为“最重要 的”,反映了其在生物学中的中心地位。1838年,荷兰化学家格里特( Gerrit Jan Mulder) 以该命名来帮助人们认识蛋白质在动物饮食中的必要性,之后贝 采尼乌斯( Berzelius) 发现这类重要物质都具有相似的经验式。从结构单元 来说,蛋白质是由氨基酸通过酰胺键连接构成的多聚物,与仅含四种核苷酸 的 DNA 或 RNA 相比,它通过20种氨基酸能够展示出更多不同的官能团和 结构。从结构解析的过程来看, DNA 的结构早于序列被测定;蛋白质却正好 相反:早在第一个结构被确定之前,蛋白质中氨基酸残基的序列就可以运用 埃德曼降解 ( Edman degradation) 的方法进行测定。
蛋白质的聚酰胺骨架提供了比其他任何聚合物骨架都更为强大的形成氢 键的能力。为满足这些氢键以及疏水相互作用,蛋白质通过折叠形成各种各 样能被明确定义的形状。然而正是这样以折叠成特定形状来发挥一系列化学 功能的能力,使得蛋白质具有远比寡核苷酸更多的用途。事实上,蛋白质确 实可以作为催化剂、力传导机器、细胞门卫、结构材料和环境传感器,并且 在细胞内还具有众多其他的重要功能。
不同于DNA 单调的双螺旋结构,蛋白质折叠后的构象高度依赖其序列。 大多数蛋白质在几乎无限多种的可能中仅采取一种独特的构象。因此,要真 正解析蛋白质和酶的构象,还需要能够揭示蛋白质折叠结构的方法。随着结 晶在20世纪初成为纯化蛋白质的一种有效方法,蛋白质的结构表征也得以 迅速发展。 一开始几乎没有人相信蛋白质能够通过X 射线衍射测定其结构 所必需的有序堆积,而1934年多罗西 · 克劳福特 ·霍奇金( Dorothy Crowfoot Hodgkin) 和贝尔纳(J.D.Bernal) 却证明了胃蛋白酶的晶体能够衍射X 射线。
图5.1 观察蛋白质。约翰 ·肯德鲁 (John Kendrew, 左)和马克斯 · 佩 鲁茨 ( Max Perutz) 因首次确证蛋白 质的三维结构获得1962年诺贝尔化 学奖。在结构生物学开创时期,科学 家们手工制作了蛋白质的分子模型。 ( 由MRC分子生物学实验室提供。)
在整个19世纪30年代和40年代,霍奇金都在通过X 射线晶体学来解析含 数十个原子的生物分子结构,但对于由数千个原子组成的蛋白质大分子似乎 无能为力。尽管如此,马克斯 ·佩鲁茨 ( Max Perutz) 和约翰 ·肯德鲁( John Kendrew) 仍然凭借过人的胆识去尝试用X 射线晶体学技术来解析血红蛋白 和肌红蛋白这两个相关金属蛋白的结构,并且在1959年成功阐明了第一个折 叠球状蛋白质的三维原子模型(图5.1)。现在,X 射线晶体学已经被成功应 用于成千上万个蛋白质的结构解析。
5.1 氨基酸和多肽
(Amino Acids and Peptides)
标准的核糖体氨基酸功能广泛
在所有生命体中,核糖体通常将20种氨基酸组装成蛋白质。 如图5.2所 示,这些氨基酸可以根据酸性、碱性、芳香性、疏水性、极性、含硫与否和 柔韧性进行分类。尽管甘氨酸是非手性的,其他19种氨基酸都具有手性,并 且根据Cahn-Ingold-Prelog 规则,除半胱氨酸外的手性氨基酸都含有S 构型的 α手性中心。半胱氨酸是R 构型,因为硫原子使其所在侧链具有比羧酸更高 的优先级。苏氨酸和异亮氨酸由于具有第二个手性中心而较为特殊:苏氨酸 的β-碳是R 构型,而异亮氨酸的β-碳是S 构型。
酸性
碱性
极 性 氢键
图5.2 核糖体利用的20种氨基酸。
地球上所有的核糖体都是利用这些氨 基酸进行蛋白质合成的,它们可以根 据相应的固有特性进行分类。
芳香性
脂肪族
柔性的/ 刚性的
人体细胞能够生物合成这20种氨基酸中的11种,但余下的9种氨基酸 是营养必需品。这些“必需氨基酸”包括组氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸(或半 胱氨酸)、苯丙氨酸(或酪氨酸)、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸。在营养缺乏的 情况下,半胱氨酸能够通过生化过程转换为甲硫氨酸,酪氨酸能够转化为苯 丙氨酸。赖氨酸和色氨酸这两种必需氨基酸在大多数植物蛋白中含量很低, 因此,严格的素食主义者应该特别注意饮食平衡,确保摄入足够量的这两种 氨基酸。
氨基酸聚合形成多肽和蛋白质
多肽的分子量通常小于5kDa, 大小约为40个氨基酸残基。尽管存在着 许多刚性结构的例子,但多肽通常并不具有确定的高级结构,而是在大量不 同的构象之间转换。线性多肽的骨架具有两个末端:带有氨基的一端称为N 末端 ( N terminus), 而带有羧基的一端称为C 末 端 ( C terminus) 。 按照惯 例,多肽可以用氨基酸单字母或三字母代码(表5 . 1)按照从N 端 到C 端的 顺序来表示。三字母的缩写通常对应氨基酸名称的前三个字母 (Asn 、GIn 和 Trp 除外)。简洁的单字母代码可能更难记,但是更为常用。蛋白质中的氨基 酸残基通常以单字母代码加序列编号进行标识。例如,组氨酸171可缩写为 H171, 天冬氨酸167可标记为D167 ( 图5.3)。应当记住表5.1中所列出的三 字母及单字母缩写,就像碱基的缩写A 、G 、C 、T 和 U 一样,这些代码是生 物有机化学和化学生物学基础知识的一部分。
H81
H26
Mn
D167
H171
图5.3 简写。单字母缩写加序列编号 用于标记蛋白质残基。( PDB:1IXB)
表 5.1 人类蛋白质中20种最常见的氨基酸
名称
三字母代码
单字母代码
侧链pK。
使用频率 ”
去溶剂化能/(kcal/mol)
亮氨酸(Leucine)
Leu
L
一
10.02
-2.3
丝氨酸(Serine)
Ser
S
13.0
8.11
+5.1
丙氨酸(Alanine)
Ala
A
一
6.94
-1.9
谷氨酸(Glutamic acid)
Glu
E
5.3
6.86
+9.4
甘氨酸(Glycine)
Gly
G
6.59
一
脯氨酸(Proline)
Pro
P
6.12
一
缬氨酸(Valine)
Val
V
一
6.07
-2.0
精氨酸(Arginine)
Arg
R
12.5
5.67
+19.9
赖氨酸(Lysine)
Lys
K
10.8
5.63
+9.5
苏氨酸(Threonine)
Thr
T
13.0
5.32
+4.9
天冬氨酸(Aspartic acid)
Asp
D
3.9
4.69
+11.0
谷氨酰胺(Glutamine)
Gln
Q
一
4.66
+10.2
异亮氨酸(Isoleucine)
Ile
I
一
4.43
-2.2
苯丙氨酸(Phenylalanine)
Phe
F
一
3.79
-0.8
天冬酰胺(Asparagine)
Asn
N
3.61
+9.7
酪氨酸(Tyrosine)
Tyr
Y
10.1
2.75
+6.1
组氨酸(Histidine)
His
H
6.0
2.60
+10.3
半胱氨酸(Cysteine)
Cys
C
8.3
2.32
+1.2
甲硫氨酸(Methionine)
Met
M
一
2.20
+1.5
色氨酸(Tryptophan)
Trp
W
一
1.32
+5.9
a 基于人eDNA ( 约2008个)中密码子使用频率计算得到的百分比。
b 去溶剂化能指将中性侧链从水相移动到气相的自由能。带电荷侧链由于去溶剂化能量消耗过高 而无法直接测量。(此表格来自Creighton,Proteins:Structures and Molecular Properties,2nd ed.New York:W.H.Freeman.1993.)
用单字母代码描述最常见的蛋白质突变(取代或缺失)相对容易。这些 发生了改变的蛋白质一般被称为变体( variants ),这样命名就可以把“突变” (mutant) 一词用来特指在DNA 水平发生的变化。例如, 一个超氧化物歧化 酶的167位天冬氨酸( D167) 被谷氨酸( E) 替代的变体可描述为“超氧化 物歧化酶的D167E 变体”。此外,发生氨基酸残基缺失的蛋白质变体用希腊 字母中大写德尔塔(△)来表示。例如,导致囊性纤维化的转运蛋白△F508 表示“变体缺少原蛋白质在508位的苯丙氨酸”。
使用计算机呈现程序查看PDB 编 号 3ZNF 的晶体结构。与锌原子接触的四 个氨基酸是什么(用单字母代码加残基编号表示)?
与寡核苷酸一样,如果非回文结构序列中氨基酸残基的排列顺序发生颠 倒,则将得到一条完全不同的多肽。例如,抗生素microcin C7的多肽成分 MRTGNAD 既不是反向序列DANGTRM 的对映异构体,也不是其非对映异 构 体 (图5.4)。二者最恰当的可定义关系是分子式均为C₂H₄N₁O₁₂S 的同分 异构体。由于化学结构上的差异,这两条多肽不太可能具有相同的生物活性。
N 末端
D-A-N-G-T-R-M
C 末端
六肽序列IRGERA 是口蹄疫病毒的主要抗原位点。源自口蹄疫病毒主要抗原 决定簇的短肽已被用于在小鼠体内诱导抗体。
A 画出六肽IRGERA 的扩展结构。
B 画出IRGERA 对映体( ent-IRGERA) 的扩展结构。
C 画出反向序列多肽AREGRI 的扩展结构。
D 画出反向序列对映体多肽( ent-AREGRI) 的扩展结构。
E 在 IRGERA 的三种非天然类似物中,哪种能够与针对天然肽的抗体形成最 佳结合?
氨基酸侧链具有可预测的质子化状态
在探索氨基酸侧链的质子化状态之前,首先要考虑细胞内部的pH。一般来 说,pH=7.2 是对细胞质pH 的一个合理估计,而细胞质里有各种羧酸盐和无机 磷酸盐进行缓冲。 pH 在7.2和7.4之间通常被称为生理pH 。根 据Henderson- Hasselbalch 方程,对于任何官能团来说,其质子化形式与去质子化形式之比 为 1 0 、P¹ 。 在 pH=7.2 的生理条件下,pK 大于7.2的任何官能团都倾向于质
0.13°%去质子化 阴 离子基团
图5.5 蛋白质侧链的pKa决定了质子 化形式与去质子化形式的比例。 图 中 为pH=7.2时各官能团质子化或去质子 化比例的计算值。
子化,而pK, 小于7.2的官能团则倾向于去质子化(图5.5)。除组氨酸外,酸 性和碱性氨基酸通常在生理pH 下都带有电荷,这有助于多肽和蛋白质在水 中溶解。超过7%的半胱氨酸硫醇在pH=7.2 时是去质子化的,而半胱氨酸较 强的亲核性就部分源于这种阴离子形式。蛋白质的C 端 和N 端由于骨架酰胺 的诱导效应而呈现异常的酸性。骨架上的羰基对N 末端具有很强的极化效应, 使得N 端氨基的酸性比赖氨酸侧链c- 氨基强1000~10000倍:而骨架上的氮 对C 末端的羧酸基团影响较小,使其酸性与谷氨酸侧链羧基相比增强了不到 10倍。
使用“酸性”和“碱性”来描述侧链容易令人迷惑。在生理pH 下,暴露 在溶剂中的“酸性”残基Asp 和 Glu 的侧链是去质子化的,并不能给出质子。 类似地,在生理pH 条件下,“碱性”残基 Lys 和 Arg 的侧链是质子化的,不 能作为碱接受质子。蛋白质内部的情况则有所不同,对其进行模拟时经常使 用的有效介电常数在4~20之间(作为对比,水相的有效介电常数为78,气 相为1)。在这种内部环境中,蛋白质侧链倾向于不带电的形式。而蛋白质表 面因氨基酸侧链通常是溶于水的而倾向于带电的状态。
下表列出了来源于较大蛋白质的三种多肽。每个片段都会导致血小板聚集, 这也是血液凝固的关键步骤。
A包括末端在内,以下三种多肽在pH=7.3时的净电荷是多少?
蛋白 质
功能
序列
ARL6IPS
谷氨酸转运
NKDVLRRMKK
PVRL3
细胞黏附
RFRGDYFAK
CLCN7
氯离子通道
KGNIDKFTE K
B 第一条多肽在pH=7.3 时能够更好地结合到带正电荷的表面还是带负电荷 的表面?为什么?
氨基酸侧链介导蛋白-蛋白相互作用
蛋白质侧链之间的相互作用使其能形成某种独特的有利折叠构象。除稳 定折叠蛋白质之外,这种侧链-侧链相互作用还可以介导蛋白-蛋白相互作用、 受体-配体相互作用以及酶-底物相互作用。为了对氨基酸化学进行深入认识, 我们将考察蛋白质内部以及蛋白质之间最重要的“侧链-侧链”相互作用。
我们希望读者对比表5.1最后一栏中的侧链去溶剂化能与图5.2中氨基 酸侧链的化学结构。这一必要的练习揭示出对于精氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、
表5.2 蛋白质内代表性的侧链-侧链
相互作用
侧链
侧链
实测值/预期值
Phe
Ile
Met
Leu
lle
Leu
Tyr
Val
Val
Leu
Met
Arg
Tyr
Lys
Ala
Asp
Leu
Thr
Gln
Thr
Leu
Phe
lle
Met
Leu
Leu
Trp
Tyr
Leu
Val
Tyr
Cys
Asp
Pro
Glu
Leu
His
Thr
Thr
Asn
Ser
Gly
4.30 3.76 3.73 3.57 3.28 3.04 2.64 2.62 2.45 2.35 1.65 1.60 1.60 1.27 1.26 1.13 1.03 0.89 0.86 0.61
0.59
图5.6 深入内部。在蛋白质内部或蛋 白-蛋白作用界面,疏水基团之间的相 互作用往往比极性基团的相互作用更 常见。
图5 .7 位于蛋白-蛋白界面的疏水相 互作用。氨基酸侧链(球体形式)使 得蛋白质1(褐色)的α螺旋和蛋白 质2(青色:仅显示出该蛋白质的顶 部)的沟区之间紧密地结合。极性原 子(蓝色和红色)倾向于暴露在溶剂 中。( PDB:3IM4)
谷氨酰胺、天冬酰胺以及组氨酸等极性氨基酸而言,即使是以中性形式存在, 其侧链上的水也很难除去。实际上,带正电或带负电的侧链的去溶剂化能太 大,以至于难以测量。因此即使天冬氨酸羧酸负离子与赖氨酸铵正离子发生 相互作用是极为有利的,也需要各自克服与水分子的强相互作用。类似地, 虽然丝氨酸和苏氨酸侧链之间形成氢键是非常有利的,但这是以牺牲它们与 水之间极为有利的氢键相互作用为代价的。而疏水性侧链的去溶剂化较为容 易。事实上,亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和丙氨酸的脂肪性侧链发生去溶剂 化在热力学上是有利的,因为这类侧链本身就有疏水倾向。
如果只列举出400种可能出现的侧链-侧链相互作用的能量范围并没有太 大意义,因为这些所涉及的能量都比较小,并且高度依赖侧链的方向和局部 的介电常数。尽管如此,对蛋白质结构中的侧链-侧链相互作用进行统计学分 析,也能够发现一些有意义的规律。
如表5. 1所示,氨基酸在蛋白质中的出现频率并不相同,而这些频率可 以用于分析侧链-侧链相互作用。在人源蛋白质中,亮氨酸的含量是色氨酸的 7.6倍,因此我们可以预期与亮氨酸相关的相互作用理论上应当是与色氨酸相 关相互作用的7.6倍。如果实际发现与亮氨酸相关的相互作用高于与色氨酸相 关相互作用的7.6倍,这就值得我们留意。表5.2显示了在蛋白质内部氨基酸 侧链之间相互作用的实测值与预期值的比值。非极性侧链之间的相互作用(如 苯丙氨酸-苯丙氨酸、异亮氨酸-异亮氨酸以及异亮氨酸-亮氨酸)比预期的出现 频率高得多(图5.6)。尽管表5.2中没有相应的数据,阳离子- π相互作用也比 预期的更常见。在蛋白质内部,离子盐桥(如天冬氨酸-精氨酸、谷氨酸-赖氨 酸)的出现频率仅略高于预期。而蛋白质侧链之间的氢键相互作用(如丝氨酸- 苏氨酸、天冬酰胺-谷氨酰胺)则比预期的出现频率要低。显然,对于极性侧 链而言,去溶剂化所需的能量太大,不利于相关的侧链相互作用。
更 少 见 — →
芳烃-芳烃 阳离子-π 色散力 盐桥 氢键
以上规律也适用于蛋白质之间甚至蛋白质与小分子配体之间的高亲和力相 互作用。在蛋白-蛋白相互作用的界面上,包埋最深的侧链-侧链相互作用通常 涉及亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸和甲硫氨酸(图5.7),而 极性氨基酸往往更趋向于接近溶剂。
在膜蛋白中,芳香性氨基酸(如酪氨酸)发挥着重要作用。这些大且疏 水的侧链促使膜蛋白离开水相而进入环境截然不同的细胞膜油性区域。不仅 如此,这些残基也可以驱动蛋白质的折叠以及膜蛋白之间的相互作用。与预 期相反,像氢键这样涉及亲水侧链的相互作用,对膜蛋白的稳定和相互作用 影响不大。
分析蛋白质MDM2 和一个多肽抑制剂的复合物晶体结构( PDB:3JZR)。
找出蛋白质和多肽中最为明显参与侧链一侧链相互作用的疏水氨基酸(用单字母 代码和残基编号表示,例如 K42)。
5.2 固相多肽合成
(Solid-Phase Peptide Synthesis)
多肽可用作药物
绝大多数调控细胞功能的相互作用发生在蛋白质之间。从逻辑上推论, 来源于蛋白-蛋白界面的短肽应该能够抑制相应完整蛋白质间的相互作用。理 论上我们也应该能够相应地创造出可以抑制细胞通路的多肽药物。遗憾的 是,大多数处方药均采用口服的方式,而多肽的酰胺键会被胃蛋白酶迅速水 解,难以在胃肠道里被吸收。即使直接注射到血液中,多肽也面对着大量能 够破坏肽键的蛋白酶。这些蛋白酶的存在使得大多数多肽在血浆中的半衰期 都不超过1小时。 一些多肽的半衰期甚至短于1分钟,例如亮氨酸脑啡肽 (YGGFL, 一种内啡肽)。尽管如此,在多肽骨架上进行细微的改造就可能显 著延长其半衰期。这样的改变包括氨基酸立体构型的翻转、骨架酰胺氮原子 上的烷基化、在C 端以中性的酰胺替换带电的羧基,以及在N 端采用不带电 的焦谷氨酰残基等(图5 .8)。
要开发作用于细胞内靶标的多肽药物,细胞膜的渗透性则是一个终极挑 战。随着能较强结合水分子的氢键数目的增多,膜渗透性会降低,这使得 多肽大多难以通过细胞膜。 一个例外是含有大量精氨酸的多肽,比如来源于 HIV Tat蛋白的短肽序列RKKRRQRRR, 它不仅自身可以穿过细胞膜,还能 够连接到更大的分子上增强其透膜性。 Tat 多肽能够穿越细胞膜的能力被认为 是一个有趣的例子,但与其生物活性无关。另一个重要的例外是环孢菌素A (cyclospori n A), 它被用于抑制引起器官移植排异的T 细胞反应。 环孢菌素 A 可以口服,穿过生物膜,并且具有足够长的血清半衰期。这些不同于一般 多肽的特点被认为主要得益于其骨架上的多个酰胺的N-甲基化修饰(图5.9)。
尽管存在潜在的不稳定性和膜的不可渗透性问题,多种多肽药物已经获 得了美国食品药品监督管理局 ( FDA) 的批准(表5.3)。这些多肽药物大多 是将天然多肽激素进行修饰而来,它们主要与细胞表面的受体结合而无需进 入细胞。.
多肽类先导化合物经常被用于开发可生物利用的多肽或者非多肽药物。 卡托普利( captopril) 就是一个例子。最初,替普罗肽( teprotide) 是从一种 矛头蝮蛇(Bothrops jararaca) 的抗凝血毒液中提取出来的多肽,由于其在体 内能保持较长时间的活性而被选为先导化合物(图5. 10)。构效关系研究揭示 了Phe-Pro-Ala 序列是与目标蛋白——血管紧张素转化酶的一个可能底物结合
图5.8 一个天然多肽药物。促甲状腺素 释放激素(thyrotropin releasing hormone) 具有作为处方药所需的较长的血清半 衰期。
图5.9 环孢菌素A 。这个在临床上用 于免疫抑制的天然环肽在结构上不同 于在核糖体组装的普通多肽。环孢菌 素A 既具有膜穿透性,又能抵抗蛋白 酶降解。
表5.3 多肽药物
多肽/药物名称
序列*
多肽长度(残基)
促肾上腺皮质激素释放因子(Xerecept®) SEEPPISLDLTFHLLREVLEMARAEQLAQQAHSNRKLMEII-NH₂ 41
降钙素(Miacalcin°) CSNLSTCVLGKLSQELHKLQTYPRTNTGSGTP-NH₂ 32.
生长激素释放因子(1-29)(Sermorelin°) YADAIFTNSYRKVLGQLSARKLLQDIMSR-NH₂ 29
胸腺肽al(Zadaxin) Ac-SDAAVDTSSEITTKDLKEKKEVVEEAEN 28
促肾上腺皮质激素(1-24)(Acthar⁶) SYSMGHFRWGKPVGKKRRPVKVYP 24
比卢伐定(Angiomax) FPRPGGGGNGDFEEIPEEYL 20
生长激素抑制素 AGCKNFFWKTFTSC 14
达托霉素(Cubicin) wNDTGKDADGSI 13
特利加压素(Glypressin⁴) GGGCYFQNCPKG-NH₂ 12
曲普瑞林(Trelstar⁶) pEHWSYWLRPG-NH₂ 10
催产素(Pitocin°) CYIQNCPLG-NH₂ 9
亮丙瑞林(Leuprolide) pEHWSYLLRP-NHEt 9
奥曲肽(Sandostatin) FCFWKTCTol 8
依替巴肽(Integrilin°) CRGDWPC-NH₂ 7
促甲状腺激素释放激素(Relefact) pEHP-NH₂ 3
a 连线表示氨基酸残基之间的交联,例如胱氨酸残基中的二硫键。
图5.10 从多肽到口服药物。来源于 矛头蝮蛇( Bothrops jararaca) 的替普 罗肽可以抑制凝血。一系列设计把毒 液肽改造成为可口服的小分子药物。
卡托普利(口服药物) 脯氨酸衍生物
位点相匹配的最小药效团。最终,人们通过增加一个巯基修饰增强了它与酶 活性位点锌离子的相互作用。由此得到的药物卡托普利在20世纪90年代中 期的年销售额已经超过10亿美元,而同样基于替普罗肽的一个相关药物— 依那普利( enalapril) 在2010年的全球销售额也达到了约5亿美元。
基于血管紧张素转化酶的晶体结构( PDB:1UZF), 哪些氨基酸与活性位点 的关键锌原子相结合?
使用过量试剂并优化反应实现高通量多肽合成
固相多肽合成 (solid-phase peptide synthesis, SPPS) 是现代合成有机化
学中最为复杂和高度优化的领域。在实际应用中,SPPS 可以被用来构建约 50个氨基酸残基的多肽,而比这个尺寸大得多的肽(也就是蛋白质)最好使 用细菌过表达来制备。常用的术语“自动多肽合成”是具有误导性的,因为 其暗示仪器可以设计并执行多肽的合成。事实上,在非专业人士手中,从多 肽合成仪得到的可能是一个化合物库,而不是单一产物。
与核苷酸相比,多肽的官能团更加多样化,这增大了其化学合成的复杂 程度。回想一下本书前面的内容,核糖体能够熟练地以完美的化学选择性形 成多肽的酰胺结构,然而多肽化学合成可能需要对多达九种不同的官能团进 行保护:对N 末端和C 末端的保护以避免高聚化,以及对其侧链的保护来避 免分支化和其他不希望发生的副反应(图5.11)。成功的多肽合成需要通过对 结构、反应活性和机理的深入理解来预估可能出现的问题并有针对性地设计 合成条件。N 与C 两个末端的保护基团必须足够活泼以保证在不影响侧链保 护基团的条件下被脱除,同时侧链的保护基团又必须足够稳定以耐受合成中 一轮又一轮的酸性或碱性反应条件。
多肽化学合成需要向N 末端不断重复引入羧基被活化的氨基酸
理论上经适当保护的多肽链可以在N或C 末端进行氨基酸偶联(图5.12)。 然而遗憾的是,多肽的C 末端与氨基进行缩合时存在竞争性的环化反应,随 之发生的氨基酸差向异构化破坏了天然肽键的延伸。因此,要从N 端到C 端 进行多肽合成,整条多肽都会受到差向异构化的影响。相比之下,如果从C 端到N 端进行合成,只有待连接的单氨基酸试剂可能发生差向异构化,那么 在每轮缩合反应时,由于有过量的氨基酸试剂,以损失其5%来避免毁掉5% 的多肽链是更为有利的。
在现代多肽合成中,氨基酸试剂的环化反应可以通过将α-氨基(图5.12) 保护为氨基甲酸酯来进行抑制。实验表明,氨基甲酸酯保护的氨基酸发生环 化副反应的比例与酰胺保护相比要更低。当酰胺键形成后,氨基甲酸酯保护 基可以在不影响侧链和C 末端保护基的情况下选择性脱除。
氨基酸 多肽 添加到C末端
去除过量化学试剂和副产物的需求推动了固相多肽合成的发展
要合成较长寡肽,足够快的反应速率至关重要。在缩合反应中,酰胺键 的形成会受到其他消耗一个或多个反应试剂的竞争性副反应的影响。反应试 剂的不足会导致多肽产量降低,而副反应的增多会导致较多杂质产生。杂质
图5.11 多肽合成中的选择性保护。
图中标注的官能团需要进行保护以避 免酰胺键形成过程中的副反应。
图5.12 多肽能够通过在C或N末端
加上一个含保护基的氨基酸得以延长。
一旦羧酸被活化,邻近的羰基会参与 一个不希望发生的环化反应(图中虚 线箭头所示)。根据策略的不同,环化 副反应可能破坏单氨基酸试剂,或者 破坏不断增长的肽链。考虑整个多肽 的合成,牺牲部分试剂比毁掉整个肽 链更有利。
图5.13 t-Boc的脱除反应为S1 机理。
氨基甲酸(图左下)能够迅速脱羧。
图5.14 S、1反应与E1反应。使用三
氟乙酸脱除Boc保护基时,叔丁基碳 正离子发生可逆的E1消除反应和S、1 亲核取代反应。该平衡更倾向于后者 生成的产物三氟乙酸叔丁酯。
的分离在最终纯化过程中耗时耗力。如果杂质无法除去,那么整个合成都需 要重新进行。因此,每次缩合都是酰胺键形成与其他副反应之间的一次竞争。 而赢得竞争的一种方法就是使用更高浓度的反应试剂。事实上,在每一步反 应中使用过量试剂对于实现快速的缩合反应至关重要,而较高的缩合反应速 率有助于抑制副产物的生成。
遗憾的是,为保证高效缩合及脱保护而使用的过量试剂并不容易与产物 分离。针对这个问题罗伯特 ·梅里菲尔德 ( R.Bruce Merrifield) 提出了革命性 的解决方案,独立设计并实现了固相多肽合成。 Merrifield 将多肽连接于不溶 性高聚物上,使过量的试剂可以在不损失产物的情况下被洗去。这个策略与 洗车过程中用水冲洗掉肥皂和污渍(相当于过量试剂和副产物)类似。
对酸或碱敏感的氨基甲酸酯可用于a- 氨基的临时保护
叔丁氧羰基(1-butoxycarbonyl,1-Boc), 通常缩写为Boc, 被广泛应用于 胺的保护。在最早的固相多肽合成中, Boc 基团被用来保护α-氨基。直到现 在,它仍被用在碱敏感基团保护α-氨基情况下赖氨酸侧链氨基的掩蔽。 Boc 保护基在较温和的酸性条件下,如1:1的三氟乙酸( TFA)/ 二氯甲烷,即 可被快速脱除。在这些脱保护条件下,氨基质子化形成铵盐,因此需要单独 的步骤来中和铵盐将其转化为游离碱。脱保护属于S、1 类型机理的反应,其 中叔丁基阳离子被三氟乙酸阴离子所捕获(图5.13)。在这个过程中, E1 消 除反应会与S、1亲核取代反应竞争,但是经消除反应生成的烯烃产物——异 丁烯很容易被重新质子化(图5.14),这可以从“异丁烯+三氟乙酸=三氟乙 酸叔丁酯”这一反应的平衡常数能达到600 L/mol 推测出来。
芴甲氧羰基( Fmoc) 保护基能够在1:4( VIV, 体积比)哌啶/N,N- 二甲 基甲酰胺( DMF) 这样的温和碱性条件下被快速脱除。该脱除反应涉及E1cB 机理:芴基去质子化生成芳香负离子,并进一步发生β-消除反应(图5.15)。 过量的哌啶会加成到富烯中间体上。 一般来说,氨基甲酸在强碱性条件下不 会脱羧,但体系中的哌啶铵正离子能够提供足够的酸性诱导消除二氧化碳。 与基于 Boc 的策略不同,脱除Fmoc 保护基后能直接得到游离氨基(碱),可 直接与下一个氨基酸进行缩合反应。
碳二亚胺驱动酰胺缩合形成肽键
胺和羧酸的缩合需要脱水试剂来驱动。通常这一过程的热力学驱动力是 形成稳定的碳氧双键(C=O) 或磷氧双键 ( P=0) 。 碳二亚胺是一类典型的 偶联试剂,反应后会产生尿素类副产物。尽管碳二亚胺在现代多肽合成中很 少使用,但仍广泛应用于化学生物学研究中形成酰胺键的反应中。根据所产 生尿素副产物的溶解性,有几种常用的碳二亚胺可供选择。在多肽合成中,
最常见的碳二亚胺是DIC(N,N'- 二异丙基碳二亚胺)和DCC(N,N'- 二环己 基碳二亚胺)。人在实验室暴露于大量碳二亚胺(如 DCC) 中可能导致对该 试剂的严重过敏反应。
碳二亚胺偶联的机理(图5.16)首先涉及羧酸和胺之间的酸碱平衡。碳 二亚胺的质子化促进了体系中高浓度羧酸负离子的进攻。由于大多数胺是质 子化形式,它们在亲核反应中不会与羧酸负离子竞争。在强碱性条件下质子 化的碳二亚胺浓度较低,偶联反应也相应较慢。羧酸负离子对质子化碳二亚 胺的进攻产生强亲电性的O- 酰基异脲( O-acylisourea), 这一中间体的羰基 受到氨基进攻,置换出尿素副产物。在不存在胺的情况下,羧酸根可以进攻 酰基异脲中间体生成对称的酸酐。实际上,碳二亚胺常用于酸酐的合成。
低浓度
图5.15 Fmoc的脱除反应经历E1cB
的机理。强碱性条件一般不利于氨基 甲酸脱羧,但是哌啶铵正离子可以使 氨基甲酸质子化,从而促进脱羧反应 的发生(图下部)。
图5.16 碳二亚胺偶联。该机理展示
了成功实现偶联反应所必需的质子化 和去质子化中间体,以及二者之间的 微妙平衡。
副反应与多肽偶联反应的竞争
O- 酰基异脲一旦形成,氨基必须快速进攻:否则,两种不利的分子内副 反应将可能发生:酰基的迁移或氮杂环内酯的形成。氨基的进攻取决于位阻、 胺的亲核性和胺的浓度,而酰基迁移和氮杂环内酯的形成则较少依赖这些影 响因素。因此,当胺的溶解性较差、位阻较大或亲核性较弱时,副反应将占 据主导地位。当羧基的位阻较大时,也可能会发生副反应,例如有β-支链的 苏氨酸、异亮氨酸和缬氨酸等。为了确保氨基有机会进攻O- 酰基异脲中间体, 最后向反应容器中添加碳二亚胺试剂尤其重要。
酰基迁移会形成无反应活性的N- 酰基脲。出人意料的是,动力学研究支
O-酰基异脲
N-酰基脲
图5.17 O 到N的酰基迁移。该副反 应破坏了碳二亚胺偶联反应中的羧酸 底物。
持一种涉及张力较大四元环中间体的机制(图 5.17)。使用过量的氨基酸和偶 联试剂可确保胺的酰化反应(与其他副反应相较)产率更高。在液相合成中, 由于副产物N- 酰基脲不容易除去,酰基迁移会带来更大的问题。
O- 酰基异脲可能发生的第二大类副反应是形成氮杂环内酯(经常拼写为 azlactone, 也被称为吖内酯;图5.18)。氮杂环内酯仍然可以和氨基反应,但 是α手性中心的差向异构化通常会与其竞争。多肽手性中心的差向异构化一 般不会发生,因为酰胺官能团α位质子的动力学酸性较弱。相比之下,由于 去质子化后形成的烯醇负离子具有芳香性,氮杂环内酯的酸性就很强。这一 副反应的发生还有很强的隐蔽性,因为差向异构化产物几乎不可能从目标产 物中分离出来。当α-氨酰基为酰胺(如多肽链)时,氮杂环内酯的生成速度 较快;而当α-氨酰基为氨基甲酸酯(如1-Boc 或 Fmoc) 时,其生成速度较慢。 这就是多肽合成一般不直接在肽链的C 端进行氨基酸缩合(即从N 末端到C 末端的方向进行合成)的原因。
氮杂环内酯
图5.18 副反应。 氮杂内酯化反应会
导致骨架上a- 碳的差向异构化。
HOBt 能减少碳二亚胺偶联中的副反应
减缓酰基迁移和氮杂环内酯形成的一种方法是将O- 酰基异脲原位转化成反应 途径相对简单的酰化试剂。实验证实,1-羟基苯并三氮唑(1-hydroxybenzotriazole, HOBt) 有较高的转化速率,并且所形成的HOBt 酯不会生成氮杂环内酯。 一 般会加入相对于羧酸和偶联剂等物质的量的HOBt 。即使在氨基偶联比较慢的 情况下,O- 酰基异脲也可以定量转化为能相对稳定存在的苯并三唑酯,直到 被氨基进攻生成所需要的肽键 (图5.19)。
BOP 是一种苯并三唑膦盐,也是第一种综合了HOBt 和脱水剂功能的常 用试剂,其发生缩合的驱动力是形成一个较强的磷氧双键( P=O) 。 美中不足 的是,BOP 反应的副产物HMPA是一种致癌物。Py-BOP 是比BOP 更昂贵的 一种替代物,其反应副产物中所含的是吡咯烷基,而不是二甲基氨基,因此
图 5.19 活化酯的形成。抑制氮杂环 内酯的形成可以减少α-碳的差向异构 化。而苯并三唑酯很容易与多肽的N 端反应形成所需的酰胺键。
图5.20 BOP 偶联机理。试 剂BOP 兼 具 脱水剂和酰基转移催化剂的双重作用。
可避免HMPA 的产生。使用BOP 时需要加入等物质的量的碱,通常是大位 阻碱,如二异丙基乙胺( i-Pr₂NEt,Hünig 碱 ) (图5.20)。
脲阳离子(uronium) 偶联剂能更快形成酰胺键
苯并三氮唑脲阳离子盐(如HBTU) 是与BOP 相关的新型偶联试剂。和 BOP 一样,HBTU ( 图5.21)也将脱水试剂和HOBt 的功能结合在一起,并 且也需要加入等物质的量的碱来防止氨基被羧酸质子化。但与BOP 不同的 是,HBTU 将脲阳离子基团连接到HOBt 的氮原子上,在偶联反应完成后生 成副产物N,N,N',N'-四甲基尿素。HATU是目前使用的最先进的偶联试剂之一 (图5.22)。它是HBTU 的氮杂类似物,具有更快的偶联速率,这有可能是因 为吡啶环上的氮原子能与进攻的氨基形成氢键,从而降低了四面体过渡态的 能量。在容易发生消旋的情况下,可以使用试剂DEPBT, 它可以非常有效地 抑制由于碱催化活性酯中间体发生氮杂内酯化而导致的消旋。
图5 .21 HBTU 介导的偶联过程会形 成O- 酰基脲阳离子中间体。
用于固相多肽合成的树脂由“塑料”制成
固相多肽合成使用的传统树脂是聚苯乙烯。聚苯乙烯是一种坚硬、无色 的塑料,也就是用来做光盘盒的那种材料。发泡聚苯乙烯,也称为聚苯乙 烯泡沫塑料,被用作隔热材料及包装材料。用于固相多肽合成的聚苯乙烯珠 粒(即树脂颗粒)是通过在苯乙烯的自由基聚合反应中加入交联剂1-二乙 烯基苯制备得到的。传统树脂颗粒的大小约为0.1~0.2mm, 比海滩上的沙 粒还小。每个珠粒可承载约50~100 pmol 的多肽,因此1g 树脂能够承载约 0.5mmol 多肽。
聚苯乙烯用甲醛和氯化锌进行官能团化,可以得到氯甲基化聚苯乙烯,也
HATU
DEPBT
图5.22 高效偶联试剂。HATU和DEPBT 是比HBTU更先进高效的多肽偶联试剂。
图5.23 聚苯乙烯的官能团化。 与树 脂的连接,既为高效合成提供了固相 载体,又保护了C 末端的羧酸。
图5.24 从里到外。1%二乙烯基苯/聚 苯乙烯被放射性标记的多肽修饰后制得 的超薄切片,揭示了整个珠粒中多肽链 的分布较为均匀。(摘自R.B.Merrifeld, Intra-Sci Chem.Rept.5:184-198,
1971 。)
图5.25 Tentagel 是一种经改造的聚 乙二醇/聚苯乙烯树脂。 PEG连接子增 强了树脂在含羟基溶剂(例如水)中 的溶解度和性能。
被称为Merrifield 树脂(图5.23和图5.24)。第一个氨基酸可以通过S、2反应形 成酯键连接到树脂上,这样树脂本身也就充当了这个氨基酸的C 端保护基。
般来说直接购买连有首个氨基酸的树脂要比自己完成氨基酸负载的花费要少。
“固相”一词具有一定的误导性,因为它暗含“固定不动”的意思。实际 上,我们可以将固相合成使用的珠粒视为液体球,而不是静止不动的固体。 一旦树脂珠粒被溶剂所溶胀,多肽和聚苯乙烯链将具有很强的流动性,从而 允许试剂扩散进出。这种流动性使得固相树脂上连接的这些多肽在相互作用 时并没有显著的壁垒,所以多肽可能会在合成过程中聚集,氨基酸偶联的效 率也会随之降低。
对于某些非肽类反应或者基于珠粒的检测,带有羟基的溶剂理论上可能 是比较理想的选择。遗憾的是,聚苯乙烯并不能很好地被水或醇类溶剂化, 因此珠粒内部的肽链无法接触到试剂。如果将聚苯乙烯用聚乙二醇( PEG) 官能团化,树脂颗粒就能够在包括醇和水在内的多种溶剂中被更好的溶剂化。 此外,用长的亲水性PEG 链修饰的蛋白药物(图5.25)在人体中通常有较长 的半衰期,这意味着药物注射的频率能够得以降低。
可断裂连接子为合成多肽与固相载体提供了稳定且可逆的结合
在进行固相多肽合成时,多肽与树脂之间的连接子必须在所有的肽链延 伸步骤中保持稳定,但又需要在合成结束后较容易被切断。这个概念被称为 正交保护 ( orthogonal protection)。连接子则是根据合成需求,在多肽和固相 载体间提供一个更稳固或更易断裂的连接官能团。
对于使用Boc 保护氨基酸的SPPS 来说,必须保证多肽-树脂连接子在一 轮又一轮的TFA 处理中保持稳定。当使用Merrifeld 树脂时,每轮Boc 脱保 护都会造成约0.65%的多肽从树脂上脱落。为了减少这种副反应,可以通过 苯乙酰氨基甲基 ( PAM) 连接子将多肽固定到树脂上。由于酰胺( pK'=0.0)
的碱性比酯( pK'=-6.5) 强100万倍以上, PAM 连接子会优先于酯发生质 子化,从而使苄酯键的稳定性和抗离子化能力提高了约100倍(图5.26)。
多肽从Merrifield或 PAM 树脂上裂解需要强酸性条件。S、2 裂解的最佳 条件要使用无水氟化氢( HF), 它需要从气态经特殊装置冷凝得到,但大多 数实验室不具备这样的条件。HF 会溶解玻璃和人体骨骼,而且它的弱酸性 能使其渗透到组织深处,是一种极其危险的化学品。因此,有时可以使用三 氟甲磺酸 ( TFMAS) 替代氟化氢,例如三氟甲磺酸/苯甲硫醚/1,2-乙二硫醇 (EDT)(2:1:1) 、25℃、1h 。 裂 解和脱保护条件的选择很大程度上取决于 多肽链的组成,通常会使用亲核性的清除剂与裂解过程中产生的苄基及叔丁 基阳离子进行反应。“由低到高”(温度)的条件[三氟甲磺酸/三氟乙酸/二
图5.26 过早裂解。使 用Merrifield 树 脂时,多肽链在多次循环使用三氟乙 酸脱除Boc 保护基过程中发生S、1机理 的溶剂解反应,导致产率降低。而采 用PAM树脂时,PAM连接子的质子化 能够抑制这一溶剂解过程。
甲硫醚/间甲基苯酚(1:5:3:1)、0℃、3h; 三氟甲磺酸1三氟乙酸/苯 甲硫醚/1,2-乙二硫醇(1:10:3:1)、25℃、30min] 可防止酪氨酸的烷基 化以及谷氨酰胺侧链发生酰化反应。
人们在大多数情况下希望合成得到的多肽在C 末端是酰胺而不是羧酸。 例如在合成较大蛋白质的一个多肽片段时,酰胺与羧基相比能够避免在其C 末端引入负电荷。但在侧链保护基被脱除、多肽也从树脂上裂解下来后,就 不可能在其C 末端选择性地发生化学反应。实际上多肽链从固相切下和侧链 的脱保护常常是在同一步骤中完成的。为得到C 末端是酰胺的多肽,二苯甲 胺树脂[如甲基二苯甲胺树脂( MBHA)] 被开发出来,它具备碳氮键较容 易发生S、1 断裂反应的特点(图5.27)。其中第二个芳基的引入为无水HF 或 TFMSA 条件下酰胺的有效离子化提供了充分的活化作用。
在固相多肽合成时,如果使用对碱不稳定的经Fmoc 保护的氨基酸,多肽 会循环反复地经历偶联和碱性条件的脱保护:肽链在延伸过程中的任意时间 点都不会接触到酸。与使用N-Boc 保护的氨基酸进行多肽合成相比,这使得 那些在酸性条件下高度不稳定的连接子得以应用,并在更为温和的条件下实 现最终的脱保护和裂解。例如,通常情况下能使用更安全的三氟乙酸( TFA) 代替剧毒的无水氟化氢。代表性的条件如 TFA/i-Pr₃SiH/H₂O(95:2.5:2.5)、
25℃、1~10 h 等。在基于Fmoc 的多肽合成中,经常用到的两种树脂是氯代 三苯甲基树脂和Rink 酰胺树脂(图5.28)。前者能够裂解产生稳定的三苯基 甲基阳离子,其中的氯原子可以略微降低S、1 解离的速率。后者则通过裂解 得到C 末端为酰胺的多肽。 Rink 酰胺连接子在设计上以生成高度稳定的碳正 离子弥补了碳氮键S、1 解离较慢的不足。
图 5.27 制备C末端为酰胺的多肽。在
Boc-SPPS中 ,MBHA 树脂能耐受反复 的TFA处理,但能够被HF或TFMSA 裂解,从而得到末端是酰胺的肽链。
氯代三苯甲基树脂
图5 .28 Fmoc 多肽合成常用的树脂。
氯代三苯甲基树脂和Rink 酰胺树脂的 设计是通过形成高度稳定的碳正离子 来促使快速的S、1解离。
在酸性条件下脱除侧链保护基
侧链保护基团的设计和选择要求它们能够在多肽树脂浸泡于酸性混合液 裂解多肽时脱落下来。相应的氨基酸起始原料需要根据合成策略来进行选择 (图5.29)。当用N-Boc 保护的氨基酸合成多肽时,侧链保护基团必须能在 TFA的反复浸泡下稳定存在。当形成所有肽键后,再用无水氟化氢或三氟甲 磺酸这样的强酸性条件同时完成多肽从树脂上的裂解和侧链脱保护。这样的 合成策略通常使用苄基进行侧链保护,但部分苄基保护基的反应性需要通过 卤素取代进行调节。Arg(Mts) 是使用在酸性条件下脱除的磺酰基保护。 His (DNP) 和 Trp(CHO) 比较特殊,二者含有能够被硫醇脱除的氮保护基团,需 要进行额外的亲核脱保护步骤。
对HF 和TFMSA不稳定的侧链保护基团
BOC-Tyr(2-Br-Z)-OH
BOC-Asp(OBzl)-OH
BOC-Glu(OBzl)-OH
BOC-Lys(2-CI-Z)-OH
BOC-Cys(4-MeBzl)-OH
BOC-Ser(Bzl)-OH
BOC-Thr(Bz1)-OH
BOC-Arg(Mts)-OH
对TFA不稳定的侧链保护基团
Fmoc-Asn(Trt)-OH
Fmoc-Gln(Trt)-OH
Fmoc-His(Trt)-OH
Fmoc-Cys(Trt)-OH
Fmoc-Asp(OtBu)-OH
Fmoc-Glu(OtBu)-OH
Fmoc-Lys(BOC)-OH
Fmoc-Trp(Boc)-OH
Fmoc-Tyr(O-tBu)-OH
对PhS-不稳定的侧链保护基团
BOC-His(DNP)-OH
BOC-Trp(CHO)-OH
Fmoc-Ser(O-tBu)-OH
Fmoc-Thr(O-tBu)-OH
图5.29 用于多肽合成的氨基酸。不同的氨基酸被设计应用于Boc 策略(反复弱酸处理)或者Fmoc 策略(反复弱碱处理)。
当 用N-Fmoc 保护的氨基酸合成多肽时,它们会反复暴露在碱性脱保护条件
下。直到合成结束,整条多肽才会接触酸性条件。除精氨酸外,所有N -Fmoc 保 护的氨基酸的侧链均使用三苯甲基(trityl) 或叔丁基作为保护基,它们比用于保 护 Boc- 氨基酸的苄基保护基更不稳定,用三氟乙酸进行处理即可脱除。
在最终多肽裂解和脱保护过程中会产生碳正离子,酪氨酸极易与其发生 Friedel-Crafts 烷基化反应。用箭头转移的形式画出该过程中酪氨酸侧链烷基化 可能的反应机理。
肽核酸缺少磷酸酯和呋喃核糖环
短 DNA 探针和短干扰 RNA 可以用来干扰细胞功能,但它们的膜通透性 较差且容易被酶降解。为了解决这些问题,科学家们付出了巨大的努力,希 望开发出能与DNA 和 RNA 杂交而又不采用多聚核糖磷酸骨架的分子。
人们在早期尝试了较易合成的基于酰胺骨架的寡核苷酸,但发现其并 不能与DNA 进行杂交。随后,通过在合适的位置引入柔性化学键, 一种易 于合成的 DNA 类似物被设计合成出来,并且可以依据沃森-克里克碱基配对 与 DNA 杂 交(图5.30和图5.31)。这些被称为肽核酸 ( peptide nucleic acid, PNA) 的新型DNA 类似物,对细胞内能够破坏磷酸二酯和裂解酰胺键的酶都 具有抗性。由于缺乏DNA 磷酸二酯骨架的负电荷,PNA 不受双链DNA 杂交 时固有的电荷-电荷排斥作用影响。因此, PNA 与互补DNA 序列的结合力 很强,以至于它们可以插入一条长DNA 双链分子将其中一条原有DNA 单链 置换下来。此外, PNA 还可以与细胞中的基因组DNA 紧密结合,因而已经 被用于抑制基因转录。美中不足的是,与寡核苷酸一样,PNA 具有溶解度不 足和膜通透性差的问题。尽管人们可以利用各种方式在培养皿中促进细胞对 PNA的摄取, 但将其应用于人体内调控基因表达的前景似乎很渺茫。显然, 我们需要开发新的方法来有效携带生物活性分子穿过生物膜。
肽核酸 PNA·DNA 双链
画出可用于Fmoc 策略合成肽核酸的一种胸苷酸单体类似物结构。
自然化学连接经由硫酯的氨解反应生成半胱氨酸酰胺
由于蛋白质完整序列过长,通常无法在多肽合成仪上进行循环合成。从 策略上来说,较长的多肽最好能够通过组装较短的多肽片段来进行合成,但 是全保护的多肽在有机溶剂和水中的溶解度都比较低。 自然化学连接(native chemical ligation, 图 5.32)是为了在水溶液中连接无保护多肽片段而开发出 来的一种有效方法。该方法要求一个多肽片段的N 末端残基为半胱氨酸,而 另一片段必须具有非天然的C 末端硫酯。
图5.30 肽核酸能够与DNA杂交。PNA ·
DNA双链的一个螺旋转角由18个碱基 对组成。(PDB:1PDT)
图5.31 肽核酸的利用。荧光标记的
肽核酸(CCCTAA)₃特异性结合染色体 末端的端粒DNA序列。(摘自J.M. Zijlman et al.,Proc.Natl.Acad.Sci. USA 94:7423-7428, 1997: 已获得the National Academy of Sciences授权。)
图5.32 自然化学连接。硫酯在生理
条件下容易进行交换,通过可逆平衡 产生的半胱氨酸衍生硫酯能够经S到N 的酰基迁移生成新的肽键。
图5.33 自剪接蛋白。 内含肽从翻译
得到的蛋白链中间被移除。
自然化学连接充分利用了硫酯的独特反应性和半胱氨酸硫醇较低的pK。 (约为9.0)。与传统的羧酸酯类似,硫酯在pH=7 的水解条件下相对稳定。但 与羧酸酯有所不同的是,硫酯在生理pH 和过量硫醇存在的条件下能够进行迅 速的硫酯交换。当N 末端半胱氨酸残基形成硫酯时,容易经历一个五元环四 面体中间体发生S 到 N 的酰基迁移。这一过程所生成的酰胺键与由核糖体合 成的相比没有任何区别。
在实验室开发自然化学连接策略后不久,人们又发现在一组特殊的蛋 白质中存在相关的化学过程,能够使这些蛋白质发生类似于mRNA 剪接的 自剪接。与RNA 内含子进行类比,自剪接蛋白中被切除的部分称为内含肽 (intein )。而蛋白质自剪接过程经历的硫酯中间体与自然化学连接的相关机制 非常类似(图5.33), 但是所得蛋白质的序列与mRNA 序列或基因序列不能 完全对应。如机理所示(图5.34),该反应利用了硫酯易于交换的性质,并且 内含肽残基的侧链也参与了这一过程。
图5.34 硫酯是内含子剪接机理中的
关键中间体。天冬酰胺侧链进攻主链 骨架上的酰胺键,切割内含肽并释放 出游离的α-氨基,进而发生最终的S 到N 酰基迁移。
一种称为表达蛋白连接 (expressed protein ligation) 的方法进一步打破了 获取含非天然组分的较大蛋白质的壁垒(图5.35)。这一方法利用大肠杆菌表 达来制备目标蛋白的绝大部分,但所得蛋白质是以与内含肽融合或共价连接 的形式表达。内含肽上通常还需融合壳聚糖结合域(chitin-binding domain, CBD) 以简化重组蛋白的纯化。连有壳聚糖的微珠更倾向于捕获重组蛋白,
图5 .35 用于半合成较大蛋白的表达蛋白连接。按照步骤,包含非天然氨基酸或其他修饰的合成多肽片段被连接到所表达蛋白 质 的C 末 端 。CBD 表示壳聚糖结合域( chitin-binding domain)。
而大肠杆菌产生的其他蛋白质则被洗脱。内含肽驱动附着于微珠的蛋白质发 生N 到S 的酰基迁移,再添加硫酚即可使蛋白质以苯基硫酯的形式从微珠上 释放。这种硫酯修饰的蛋白质非常适合与N 末端含半胱氨酸残基的合成多肽 进行自然化学连接。这一连接策略也使得在蛋白质C 末端引入化学合成多肽 来生产较大的蛋白质成为可能。
5.3 决定蛋白质二级结构的基本作用力
(Fundamental Forces that Control Protein Secondary Structure)
酰胺骨架间氢键的不同模式决定了蛋白质二级结构
蛋白质的一级结构 ( primar y structure), 也就是它的氨基酸序列,很大程 度上决定了蛋白质的三维结构和功能。而二级结构( secondary structure) 指 的是蛋白质结构中典型的、常见的折叠,通常包括α螺旋、β折叠及转角。 在水溶液中,蛋白质主链通过熵效应主导的分子内相互作用和疏水作用更倾 向于预先形成分子内氢键。主链上每个酰胺键都通过一个碳原子彼此连接, 因此蛋白质通过限制主链构象降低了熵值,从而促进分子内氢键的形成。与 此相反,由自由水分子和蛋白质主链上酰胺键形成的分子间氢键会付出更高 的熵成本。除此之外,如同油在水中会形成油滴一样,疏水作用倾向于让蛋 白质在水溶液中的体积保持最小化。通过这种压缩效应,疏水作用将蛋白 质主链酰胺基团聚集在一起,进一步促进分子内氢键的形成。疏水作用被 普遍认为是蛋白质结构折叠的主要驱动力,但是仅仅通过疏水作用很难直接 准确预测蛋白质的三维结构,这是因为疏水作用同时也会导致蛋白质的错误 折叠。
氢键的强度与几何构象相关性很高。在讨论蛋白质分子内氢键之前,首 先需考虑两个酰胺基团间形成理想氢键的情况。理想的氢键倾向于直线型的 N—H…0 键角(180°)以及约1.93A 的键长。对有机小分子晶体结构分子间 氢键的统计分析表明,酰胺形成的C=0…HN 氢键倾向于处在羰基基团平面 内,并且C=0…HN 的键角很少会小于110°(图5.36)。通过分析集中在酰 胺的羰基氧上的负电荷分布,也可以得到相似的结论(图5.37)。通过对已有 分子结构的经验统计和对静电势的理论计算所得出的结论,都与羰基氧原子 上的sp² 孤电子对的经典描述很好地吻合。
非对称的两个甲酰胺分子的气相模拟计算结果与基于晶体结构观察的结 果相符:酰胺基团间理想的氢键倾向于直线型的N-H…O 键角(180°),处 于羰基平面内, C=0…H 键角为112°(图5.36)。当非直线型N-H…O 键角 介于160°和180°之间时,氢键的稳定性与直线型的氢键类似,然而当该键 角低于150°时,氢键的稳定性锐减。酰胺间氢键的稳定性对是否偏离羰基平 面也非常敏感。即使在其他几何参数处于最优状态时, N-C=0…H 扭转二面 角为90°的氢键也要比平面型氢键的稳定化能低2 kcal/mol 。 一个C=0…HN
键角为112°的氢键比该键角为180°的氢键稳定1.8 kcal/mol 以上,所以形成 锐角的氢键会付出很高的能量代价。尽管酰胺间的氢键倾向于与羰基氧的孤 对电子对齐,但几何构型还会受到空间位阻的限制:由于研究的模型是甲酰 胺分子而不是真正的多肽,该模型无法充分评估实际空间位阻在蛋白质主链 氢键形成中的影响(图5 .38)
图5.36 分子晶体结构中的氢键角度 的分布图。通过对分子晶体结构的分 析,发现主链分子内N-H 与C=0 之 间更易形成氢键。
图5.37 静电电势图有助于解释酰胺 基团间氢键的几何构型。传统的用价 层电子对互斥理论描述的羰基上兔耳 状孤电子对(左图)与共价键成键距 离(1A) 的静电电势分布(右图)吻 合,而与氢键成键距离(2A) 不吻合。
图5.38 蛋白质主链酰胺间的氢键。
高精度的刀豆蛋白A(PDB:1XQN)
中子衍射结构揭示了蛋白质主链氢键 几何构型的典型变化。
图5.39 氢键的重复模式。在α螺旋 中,第i 个残基的C=0 与第i+4 个残 基的N-H 之间形成氢键。
α螺旋使一级序列邻近的主链酰胺间N-H 与 C=O 形成有效的 氢键
理论上,蛋白质中每个氨基酸残基(第i 残基)主链的C=0 都可以与自 身主链的N-H 形成一个氢键 (图5.39)。然而因为它的N-H…0 键角严重 偏离直线型,这种氢键的几何构型扭曲,而且氢键相互作用很弱。模拟计算 结果表明,每个这样的扭曲氢键相互作用比相应β折叠中的氢键相互作用弱 4.7 kcal/mol, 因此这种完全伸展的结构在溶液中观察不到。此外,由于肽键 的存在,第i 残基的C=0 不可能和i+1残 基 的N-H 之间形成氢键。第i 残 基的C=O 有可能和第i+2 残基的N-H 之间形成氢键,从而导致主链产生迂 回折转的构象。这种构象为一类被称为γ 转 角 (γ-turn ) 的独立结构单元所特 有,但并不能出现在那些具有重复性的二级结构单元中。
通过把多肽扭成右手螺旋,可以在第i 残基的C=O 和 第i+3 残基的N-H 间形成氢键。这种扭曲形成的结构被称为310螺旋(下角标10表示通过氢键 形成的环中原子的个数)。鉴于结构中的扭曲,由四或五个残基组成超过一个 螺旋环的31螺旋很少见。通过第i 残基和i+4 残基之间的氢键可以形成一个 更稳定、更常见的螺旋,称为α螺旋 ( a-helix) 。α 螺旋每转动两圈,多肽主
链的酰胺键会重新对齐,因此α螺旋的重复性结构单元是两圈螺旋中的七个 残基。例如,在常见的跨膜蛋白结构中,跨过磷脂双层膜需要七圈螺旋(约 21个氨基酸残基)。在α螺旋的二级结构中,氨基酸侧链像“倒刺” 一样朝 向主链的N 端方向,而主链的羰基则指向C 端方向。
某些氨基酸不符合形成α螺旋的空间要求。例如,脯氨酸的特殊结构迫 使蛋白质主链产生转角,而且其主链的氮原子由于与侧链成环不能再形成氢 键,因此可以直接破坏α螺旋的延伸。有趣的是,尽管不能出现在α螺旋中 间,脯氨酸却经常出现在α螺旋的第一圈内(从N 末端算起)。此外,侧链 带有β支链的氨基酸(如缬氨酸、异亮氨酸、苏氨酸)的β-烷基有可能与α 螺旋的主链发生碰撞,这也减少了它们出现在α螺旋中的概率。
α螺旋是高度极化的,因为来自每个氨基酸的主链羰基都指向同一方向 ( 图 5.40)。羰基偶极子的叠加效应使α螺旋的两个末端处于强度约为半个电 荷的不平衡的电场作用中。根据偶极子的指向,α螺旋的N 端略带正电, C 端略带负电。因此,酶和其他功能蛋白有时将α螺旋的N 末端指向活性位点, 从而有助于稳定带负电的过渡态(图5.41)。
β折叠通过不同主链的酰胺基团形成氢键
在β折叠结构中,延伸的肽链(折叠片的“边”)以平行或反平行方式形 成主链间的氢键(图5.42)。反平行β折叠中形成的氢键更稳定、结构更接近 于直线型,因此它们比平行β折叠更常见。与α螺旋相反,具有β支链的氨 基酸(如缬氨酸、异亮氨酸和苏氨酸)更倾向于出现在β折叠结构中。而与 α螺旋类似,脯氨酸同样可以破坏β折叠的形成。
反平行β折叠
图5.42 β折叠中的氢键。平行β折叠与反平行β折叠内部的氢键排列截然不同。
β折叠的表面不是平整的,它们通常有一个弯曲的弧度,可以像面包包 裹热狗一样紧贴在α螺旋上。β桶状结构(β barrel) 是蛋白质结构中的一种 常见模体,其名字的来源是因为β折叠中的每一片层像木桶中的木棍一样整 齐地排列在一起(图 5.43)。β折叠暴露出较大的表面从而可促进蛋白质聚集, 而错误折叠成β折叠的蛋白质由于折叠中边与边、面对面的相互作用很容易 发生聚集沉淀。例如,与阿尔茨海默症相关的蛋白质Aβ, 会通过这样的作用 形成显微镜下可见的不溶性聚集体。
图5.40 螺旋状的大偶极体。在α螺 旋中,每个氨基酸主链的羰基基团产 生的单个偶极子叠加在一起产生更大 的静电场。
图5.41 蛋白质利用α螺旋偶极效应结
合小分子。 硫酸根结合蛋白( PDB: ISBP) 通过三个α螺旋大偶极体N 端的 正电场效应与SO² 结合,而非通过带 正电荷的基团。
图5.43 膜孔蛋白是一个巨大的β桶状 结构。它允许蔗糖选择性穿过细菌 膜 。( PDB: IAOS)
β转角
Y转角
图5.44 转角结构中的氢键。两种不 同转角结构中多肽主链的方向发生 改变。
转角结构中主链酰胺之间具有最少的氢键
为了使蛋白质可以形成球状的紧凑构象,多肽链必须改变方向。蛋白质 主链方向发生变化的部位称为转角结构( turn structure) (图5.44)。这些转角 结构经常出现在蛋白质表面,且不是所有主链的酰胺基团都形成氢键。这样 富余出来的主链酰胺基团可以与其他分子形成氢键,而这一特点使得转角结 构经常出现在蛋白质与其他分子结合的相互作用位点中。转角幅度最大的结 构是β转角,有时也被称为β发夹(βhairpin) 。在该结构中,第i 残基的羰 基和i+3残基的N-H 之间形成氢键。在β发夹结构中,第i+1 残基的侧链通 常由于空间位阻从而破坏转角结构的稳定性。因此,在该位置上,α碳上具 有非天然R 基构型的D 型氨基酸反而容易形成更稳定的β发夹。例如,序列 D-Pro-Gly特别适合β发夹结构的生成。另外一种γ转角结构,通过第i 残基 的 C=0 和第i+2 残基的N-H 之间形成氢键,使肽链的走向发生一个直角的 弯曲。
通过分析大量蛋白质X 射线晶体结构, P.Y.Chou 和 G.D.Fasman 统计 计算了每种氨基酸出现在螺旋、折叠和转角结构中的概率。他们起初只是基 于几十种蛋白质结构分析了氨基酸残基在不同二级结构中的偏好,后来将 分析对象进一步扩展到数千种蛋白质中。在分析中,他们使用“无规卷曲” (“coil”) 这种分类来描述那些既不在α螺旋也不在β折叠二级结构中的氨基 酸残基(表5.4)。统计结果可以被用来大致判定不同氨基酸对不同二级结构 的偏好性,表格中数字越大(红色)通常说明某种氨基酸在该二级结构中出 现的概率越高。例如,赖氨酸看起来更喜欢α螺旋:通过观察实际结构发现, 赖氨酸其实更常见于α螺旋末端的C 端(因为赖氨酸侧链的氨基可以通过α 螺旋C 末端大偶极子的负电荷获得额外的稳定性),因此它也被视为“螺旋 终结者”。
蛋白质序列cyclo [Tyr-DPro-Gly-Val-lle-Tyr-"Pro-Gly-Val-lle-]可 以 形成一个类似反平行的β折叠。根据你对Chou 和 Fasman 统计结果的理解,画 出这种折叠片的结构,包括氢键。
科学家们做了大量努力,试图在天然氨基酸组成的多肽序列中找到那些 可以通过β发夹从而形成稳定的反平行β折叠结构的短肽。这其中最成功的 例子之一是含有成簇的疏水性氨基酸的多肽。例如, 一种被称为“色氨酸拉 链”的多肽,由于其含有成簇的色氨酸疏水性侧链,即使在水溶液中也能形 成稳定的发夹结构。
通过带有取代基的乙烷、丁烷和戊烷分子模型中的单键旋转探 究决定蛋白质折叠的基本作用力
为了更好地理解控制蛋白质中各个二面角扭转的作用力,首先可以通过简 单的模型体系进行模拟。阻碍乙烷分子中C—C键旋转的能垒约为3 kcal/mol, 这通常被认为是高能量的重叠式构象导致的,然而经典的空间位阻效应并不 能完全解释这种能量差异,因为在这个模型中氢原子太小且相距太远,所 以无法在重叠式(eclipsed) 的乙烷分子构象中发生空间碰撞。轨道相互作 用理论提供了一种解释:将填充的 σc 轨道提供给未填充的 σc- 日轨道会
增加稳定性,而在乙烷分子中有可能出现六种这样的作用,把它们加到一起, 这六种通过填充轨道到未填充轨道的贡献可以使交错式的分子构象得到大约 2.6 kcal/mol的稳定化能。我们将这种立体化学中特定电子轨道空间排布、交 互填充所产生的效应称为立体电子效应 ( stereoelectronic effect)。由于立体 电子效应的作用,乙烷分子的重叠式构象中空间电子轨道的排布迫使填充的 5c二轨道与填充的 σcn 轨道相互作用,因此该构象能量上很不稳定。
不可否认,C-H 键是一个很弱的亲核基团,而C-H 的σ*轨道也是一个 很弱的亲核受体。然而,如果我们用C-O 键取代其中的两个C-H 键,将乙 烷变成乙二醇,立体电子效应会发生令人惊讶的变化。尽管偶极排斥的作用 倾向于使乙二醇处于反交叉式( anti) 构象,但在极性环境中立体电子效应 (两个 σc 轨道贡献给两个σ*二。轨道)会变得更为明显,大大有利于邻交叉 式 (gauche) 构象的形成。因此,通常用于提高蛋白质药物的血清半衰期和 诱导哺乳动物细胞融合的聚合物聚乙二醇分子( PEG), 更容易形成螺旋构象 (图5.45)。
驱动聚乙二醇分子扭曲成螺旋结构的立体电子效应同样也可以驱动乙酰 胆碱(一种必需的神经递质)采用邻交叉式构象(图5.46)。那么正电荷会 对轨道能量有什么影响呢?原子带有正电荷后会导致其轨道能量更低。因此, 可*二、轨道是比σ*、轨道更好的亲核受体。在乙酰胆碱中,两个 σc■ 轨道对 可*、和o* 二。轨道的影响使乙酰胆碱分子倾向于邻交叉式构象。因为π OH 的能量比π*。低得多,这一效应也解释了为什么质子化的羰基比正常的羰基 有更高的反应活性。立体电子效应对碳水化合物的结构和反应活性有重要的 影响,我们将在第7章继续讲解这些概念。
在简单烷烃中,反交叉式构象是首选构象,但邻交叉构象和反交叉式构 象之间的能量差异很大程度上由空间位阻决定。丁烷的反交叉式构象比邻交 叉式构象要稳定0.9 kcal/mol 。这个重要的数字可以用来帮助判断各种多环碳 氢化合物分子间能量的差异。重叠式构象比交叉式构象的稳定性低4 kcal/mol 以上。这种构象的偏好决定了是否可以形成碳碳键,例如丁烷发生反应时, 必须克服5.5kcal/mol 的能垒才能形成具有重叠式构象的过渡态 (图5.47)。
反交叉式(anti) 邻交叉式(gauche) 重叠式(eclipsed)
Erel +0kcal/mol 0.9 kcal/mol 5.5keal/mol
图5.47 丁烷(带有取代基的乙烷)的分子构象。
酰胺和酯的立体电子效应与带有取代基的乙烯完全不同
围绕碳碳双键发生旋转的能垒非常大(65 kcal/mol), 因此能够阻止E 和 Z 异构体之间的相互转化。键内原子的共振使酰胺中的酰基碳氮单键和酯中 的酰基碳氧单键呈现部分双键的特性。酰胺键具有近40%的π键特征,在生 理温度下可以缓慢发生顺反异构体之间的相互转化,半衰期约为1h 。酯键的 双键特征要远远弱于酰胺键,因此酯在E 和 Z 异构体之间会发生相对快速的 转 化 (图5.48)。
表5.4 氨基酸残基在二级结构中 的构象偏好
残基
α 螺旋
β 折叠
图数
Ala 1.39
0.75
0.80
Glu
1.35
0.72
Leu
1.32
1.10
Gln
1.29
0.76
Met
1.21
0.99
0.86
0.68 0.89
0.83
Arg 1.17 0.91 0.91
Lys 1.1 0.83 1.00
His 0.92 0.99 1.07
Asp 0.89 0.55 1.33
Ser 0.82 0.85 1.24
Asn 0.77 0.62 1.39
Pro 0.50 0.44 1.72
Gly 0.47 0.65 1.62
Thr 0.76 1.23 1.07
Trp 1.06 1.30 0.79
Cys 0.74 1.31 1.05
Phe 1.01 1.43 0.76
Tyr 0.95 1.50 0.78
Ile 1.04 1.71 0.59
Val 0.89 1.86 0.64
(数据来自S.Costantini et al. Biochem.Biophys. Res.Commun. 342:441-451,2006 。)
反交叉式
+0.67 keal/mol
邻交叉式
0.00 keal/mol
图5.45 乙二醇容易形成邻交叉式
(gauche ) 构象而非反交叉式( anti) 构象。理论计算(左)显示0-C-C-0 扭转角更偏好60°而非180°。因此, 聚乙二醇( PEG) 更倾向于形成螺旋 构象。
乙酰胆碱
图5.46 乙酰胆碱分子倾向于邻交叉 式 ( gauche ) 构象。
图5.48 烯烃、酰胺和酯中π键和离
域π键的旋转能垒。根据Cahn-Ingold-
Prelog顺序规则,在酰胺和酯中,含0 取代基具有比甲基更高的优先级,因 此“反式( trans)” 异构体实际上具有 Z构型。
图5.49 为什么酰胺和酯比烯烃更容
易处于反式(trans ) 构象?在酰胺和
酯中,亲核性电子填充轨道对未填充 轨道的贡献会使反式( trans ) 构象比 顺式(cis) 构象更稳定。
能垒: 65keal/mol 23kcal/mol 14.4 keal mol
△Ez-E 1 keal/mol 2.8kcal/mol 8.5 keal/mol
理论上上述分子的顺反(cis-trans) 异构体之间的能量应该相差很大,但 实际上并不都是如此。在图5.49所示的三种分子结构中,甲基都倾向于处在 反式( trans) 位置。那么为什么酯类的顺反异构体之间的能量差别要比其他 两个分子大得多呢?立体电子效应可以帮助解释这种差异。与烯烃双键相连 的键既不是好的电子受体,也不是好的电子给体,因此烯烃中顺反异构体能 量差异很大程度上是由空间位阻决定的。
相反,酯和酰胺的 σc-。轨道是一个相对较好的电子受体。因为和N-H 的σ键相比,氧原子的孤对电子是更好的电子给体,所以这对孤对电子倾向 于处于羰基C-O 的反键轨道上(图5.49)。
图5.50 两种由烯丙基双取代基和烯
烃取代基相互作用产生的扭曲张力:
A1,2和A1,3oA1.3张力作用更加显著。
烯丙位取代基( allylic) 与烯烃位取代基( a lkene) 的 相 互 作
用限制了取代丙烯分子的构象
烯丙位取代基通过施加两种不同类型的张力影响取代丙烯分子的构象, 这两种张力分别被称做A₁.2张力和A₁.3张力(图5.50)。A₁.2张力抑制烯丙位 碳原子(1)和烯烃位(2)的第一个碳原子上R 官能团共处一个平面。A₁
张力对分子构象的影响比A₁.2张力更显著。当烯丙位碳原子上的一个甲基取 代基(C-Me) 和烯烃位碳原子上氢原子(C=CHMe) 处于重叠式构象时, 需克服的扭转张力能垒仅为0.9 kcal/mol ( 图5.51)。这一数值显著低于在丁 烷分子中两端的甲基处于重叠式构象时所需克服的能垒(5.5 kcal/mol), 其主 要是由于烯烃相对于烷烃具有更宽的键角(120 °vs 109.5°)。然而烯烃位碳 原子上顺式取代基(图5.51中的Me) 存在时,A₁.3张力则能够极大地影响烯 丙位上各种取代基的构象。任何将烯丙位取代基与烯烃位顺式取代基置于同 一平面的构象在能量上都是非常不利的。
A₁ 张力对生物分子构象的影响更为普遍。在取代丙烯分子中观察到的烯
图5.51 当烯丙位的碳原子存在取代 基 时 ,取代丙烯分子的某些构象需要 克服较大的A1,3张力能垒。当烯烃位 的取代基与烯丙位取代基为顺式构象 时 ,A₁ . 张力的影响最为显著。相对 能量的单位是kcal/mol。
图5.52 烯丙位张力决定不同类型生
物分子的构象,其中包括有部分双键 性质的酰胺和酯分子。 蛋白质β折叠 的特征弯曲度是由烯丙位A₁ . 张力引 起的。( PDB:2F73)
丙位取代基构象偏好同样也出现在酯和酰胺分子中(图5.52)。许多天然产物、 蛋白质和膜脂分子的构象都是由 A₁.3张力控制的。例如,A₁.3张力导致肽键
二面角(φ角)稍微偏离平面,而这一微小改变让β折叠平面出现弯曲度(见
图5.52)。
烯丙位张力决定了两种蛋白质二级结构的偏好
肽链中每个氨基酸残基有三个键参与构成多肽的主链骨架,它们不能自由 地旋转。如上所述,酰胺键由于部分的双键特性总是处于平面构象,而且绝大 多数情况下具有反式(Z) 构型。因此,主链骨架中每个氨基酸残基的构象只 能用两个单键(N-C,C 。-C) 扭转的二面角来描述,这两个二面角被分别命 名为phi(φ) 和 psi(ψ) 。 当 N-C。和 C 。-C分别处于反叠( antiperiplanar) 构 象时,φ和ψ为180°,这时候多肽主链处在一个完全伸展的构象中(图5.53)。 同理,每个残基侧链中的扭转二面角被称为Chi(x 。) 角,侧链中的单键倾向 处于伸展的构象。
烯丙位张力限制主链构象
图5.53 蛋白质中用于描述主链和侧链扭转二面角的变量。
如果把众多不同类型蛋白质主链的φ和ψ角分布画在一个二维图上 (Ramachandran plot, 也称为“拉氏图”),可以观察到该分布是很不均匀的,在 某些区域里φ和ψ角分布很集中,而在其他区域里出现的概率很低(图5.54)。 这是因为A₁.2和 A₁; 两种烯丙位张力共同发挥作用从而限制了蛋白质主链可 能的构象。在拉氏图中,φ和ψ角分布最为集中的两个区域对应于α螺旋和β 折叠。
图5.54 标记有二级结构特征区域的 拉氏图。蓝色区域对应的φ和4角在蛋 白质结构中出现的频率较高,而蓝色 越深说明出现频率越高。
A 哪种类型的烯丙位张力对φ角的影响最大?哪种类型的烯丙位张力对ψ角的 影响最大?
B 根据拉氏图中统计,φ=0°的主链构象在蛋白质中几乎不存在。画一段φ=0° 时多肽主链的构象,并在其中标出不利于这一构象的空间位阻。
C 根据拉式构象图中统计,φ=160°的主链构象在蛋白质中几乎不存在。画一 段当φ=160°时的多肽主链的构象,并在其中标出不利于这一构象的空间位阻。
5.4 二硫键交联的化学
(The Chemistry of Disulfide Crosslinks)
半胱氨酸在氧化条件下易于形成二硫键
图5.55 二硫键中的扭转二面角是直角。
二硫键中围绕S-S 键的扭转二面角倾 向于-90°或+90°。牛胰蛋白酶抑制剂 (PDB:1BPI) 中的C5-C55二硫键采 用-90°左旋扭转角构象,而C14-C38 二硫键采用+90°右旋扭转角构象。
图5.56 半胱氨酸容易氧化二聚形成
二硫键交联的胱氨酸。在还原条件下,
胱氨酸则可以很容易地转化为带有游 离巯基侧链的半胱氨酸。
蛋白质中两个半胱氨酸侧链的硫醇基团之间容易形成二硫键。形成二硫键 形式的半胱氨酸( cysteine) 被称为胱氨酸(cystine) 。 所有以杂原子-杂原子单 键 ( 如O-O 键和N-O 键)为轴旋转的扭转二面角都倾向于90°,胱氨酸中 的S-S 键也不例外。与该优势构象相比,二硫键的重叠式( eclipsed) 和反式 (anti ) 构象相对不稳定,需要克服扭转张力的能量分别为14 kcal/mol 和7 kcal/
mol 。同时二硫键也具有手性,扭转二面角既可以采用+90°也可以采用-90°,
这两种手性构象在蛋白质中都很常见(图5.55)。
所有硫醇在氧化条件下都容易形成二硫键(图5.56)。无论是人源还是细 菌的细胞,其细胞质都是一个还原性环境,不利于蛋白质二硫键的形成。而 在细胞外的氧化环境则利于二硫键的形成。在分泌蛋白(如抗体)或膜结合 蛋白的胞外结构域中很少见到处于还原状态的半胱氨酸巯基侧链。含有半胱 氨酸的多肽如果在室温下过夜,在空气的氧化作用下也会形成二硫键,特别 是在碱性条件下,这种氧化过程发生得更快。
在含半胱氨酸的肽中引入二硫键的一种简便方法是在20%( VIV, 体积比)二 甲基亚砜中搅拌过夜。请画出这其中酸催化反应的具体机理(请用箭头表示电子 转移)。
谷胱甘肽是一种细胞内的硫醇缓冲剂
二硫键在生理pH 下可以与游离的硫醇发生快速交换。细胞利用硫醇作 为亲核试剂以缓冲氧化物质带来的影响。然而,硫化氢( H₂S) 结构太小,作 为气体小分子不适合与酶结合。谷胱甘肽作为一种替代的硫醇化合物,具有 特殊的分子结构,更适合被细胞用来缓冲氧化物质(图5 . 57)。 谷胱甘肽的 分子结构对于它作为辅因子与酶结合很重要,但对其催化反应的能力并不重 要。还原型谷胱甘肽通常简写为GSH, 形成二硫键的氧化型谷胱甘肽简写为 GSSG。
二硫键的快速交换是处在元素周期表第三周期的硫原子同时作为强亲核 试剂和强亲电试剂反应的结果。在该交换反应的机理中,硫醇阴离子 (RS)
通过S、2 反应进攻二硫键(图5.58)。谷胱甘肽和半胱氨酸侧链硫醇基团的
pK 约为8.8。在生理条件下,约5%的硫醇以高反应性和高亲核性的硫醇阴 离子形式存在。烷氧基阴离子( RO) 由于与水的氢键作用导致其亲核性大大 减弱,然而硫醇阴离子的反应性则受水环境影响较小。此外,在二价硫原子 上的SN2亲核取代反应非常快,如次磺酸( RS-OH) 很容易发生亲核置换反 应,因此无法被稳定地分离出来。
蛋白质中的胱氨酸二硫键与谷胱甘肽二硫键处于平衡状态
天然的胱氨酸交联在热力学上并不总是最稳定的。例如,一旦人胰岛素
蛋白中的三个天然二硫键被还原打开后,它们很难高选择性地恢复到原始状 态从而让胰岛素继续保持生物活性。二硫键的稳定性除了受严格的空间几何 约束外,熵也起着同样不可忽视的重要作用。例如,在二硫苏糖醇(DTT) 小分子还原GSSG 的反应中(图5.59),由于熵的作用才能将整体反应平衡 向前推动。二硫苏糖醇也被称为Cleland 试剂,价格低廉,是一种常用外消旋
还原剂。三羧乙基膦(TCEP) 是一种更高效的水溶性还原剂。在水溶液里,
氧化膦的生成驱动了TCEP 将二硫键不可逆地还原为硫醇。与基于硫醇的还 原剂(如DTT) 不同,TCEP 在反应体系中不需额外添加亲核性硫醇基团, 因此当还原打开二硫键后还需要利用生成的半胱氨酸巯基进行后续反应时, TCEP 是首选还原剂。
图5.57 谷胱甘肽的氧化还原平衡。
谷胱甘肽在细胞里是一种广谱的还原 剂分子。
图5.58 二硫键交换反应机理。与碳
原子不同,在二价硫原子上发生S、2 亲核取代反应非常容易。
图5.59 二硫键的化学还原。在实验
室,二硫键的还原可以通过熵驱动 (如与DTT形成环状二硫化物),也可 以通过焓驱动(如与TCEP反应形成 稳定的P=O 键的氧化膦产物)。
图5.60 蛋白质( P) 分子内二硫键的
形成与GSSG交换反应的平衡常数K 。
其中PSSP和GSSG分别为含有二硫键 的蛋白质和谷胱甘肽,而PSH和GSH 则是硫醇处于还原状态的蛋白质和谷 胱甘肽。当K 较大时,蛋白质二硫键 在谷胱甘肽存在时也能稳定存在。
表5.5 (不同)蛋白质中不同
二硫键的稳定性
蛋白质
K../M
DsbA(还原剂)
DsbC(二硫键异构酶)
硫氧还蛋白
枯草杆菌蛋白酶
C22-C87
核糖核酸酶AC2-C10 BPTI C14-C38
BPTI C5-C55
0.000008
0.00002 10
120
1000
1500
11000000
图5.61 如果二硫键交换反应缓慢进
行,蛋白质可能因为生成二硫键错配
而产生错误的折叠构象。对于一个含
有两个二硫键( N=2) 的蛋白质, 一 共有三种可能的二硫键交联组合。
假设质子转移通过碱催化发生,推断在水中膦化合物还原二硫键的机制(用电 子转移机理表示)。
分子内二硫键(如在蛋白质中)与GSSG 之间的交换反应平衡可以通过 平衡常数K。表示。K、低意味着构成二硫键的两个半胱氨酸更多处于还原的 游离硫醇形式,而K 高则意味着它们更容易形成胱氨酸二硫键(图5.60)。 蛋白质中二硫键的稳定性差别很大。如表5.5所示, 一些蛋白质(如DsbA) 的二硫键比GSSG 还不稳定,而另一些蛋白质(如BPTI) 的二硫键则在所有 正常氧化还原条件下都可以稳定存在。
通过突变引入非天然的胱氨酸二硫键通常很难直接提高蛋白质的稳定性, 这是因为:①形成的二硫键容易发生快速交换;②形成二硫键的扭转角几何 约束比较苛刻:③形成二硫键需要克服将两个半胱氨酸侧链交联所导致的熵 减。因此,在蛋白质中找到可以有效稳定蛋白质结构的二硫键交联位点是困 难且难以预测的。对于每一个期望能通过引入二硫键稳定蛋白质的实例,似 乎都有一个令人失望的失败结果。
多种二硫键的组合交联和蛋白质错误折叠会使含二硫键蛋白质
的制备复杂化
随着蛋白质在核糖体上被翻译,那些最快形成的二硫键不一定就是在天 然活性蛋白质中存在的二硫键(图 5 .61)。且随着天然蛋白质中二硫键数目 的增加,产生错配二硫键的数目也呈几何数量级增长。一旦二硫键发生错配, 蛋白质几乎不可能折叠成正确的天然构象。例如,大肠杆菌中表达的组织型 纤溶酶原激活物会形成一种被称为“包涵体”的聚集体,将变性的蛋白质复 性后重新折叠成天然构象时,需要保证在35个半胱氨酸中正确选择34个以 形成17个天然的交联二硫键。计算下来,这种形成正确二硫键的概率只有 6.3×10¹⁸分之一。只要环境中有足够高浓度的谷胱甘肽支持二硫键的快速交 换,蛋白质就可以在短时间内形成大量不同的构象;但是如果谷胱甘肽的浓
度过高,蛋白质中的二硫键就会变得不稳定。在自然界中有一类被称为“蛋 白质二硫键异构酶”的蛋白,它们可以帮助催化二硫键交换反应,从而帮助 蛋白质在发生聚集之前形成正确折叠的天然构象。
异源表达(例如在细菌中表达人源蛋白)含有二硫键的蛋白质常常导致蛋 白质错误折叠。在过表达的情况下,这个问题变得更加严重,因为在这种情况 下,蛋白质分子间二硫键的交联会促进蛋白发生聚集(图5.62)。在一些情况 下,错误折叠的蛋白质可以在体外重新复性折叠,但是复性使用的硫醇浓度需 随经验摸索而定,不同蛋白质复性时所需硫醇浓度差别很大(表5.6)。通常来 说,细胞外的真核蛋白在谷胱甘肽浓度约为1~5mmol/L 且[GSH]/[GSSG]
值约为1~3的时候折叠复性效果最好。
表 5 6 通过经验摸索获取的一些在蛋白质折叠复性中所使用的谷胱甘肽浓度和氧化还原型配比
蛋白质
/( mmol/L)
IGSSGV( mmo/L)
牛胰蛋白酶抑制剂 10 0.1
牛胰核糖核酸酶 1 0.2
核糖核酸酶A 2 1
大肠杆菌碱性磷酸酶 <0.4 4~8
细菌TEMβ-内酰胺酶 <0.4 4~8
图5.62 蛋白质异源重组表达的问题。
在细菌中大量异源表达真核蛋白会产生 大量被称为“包涵体”的不溶性蛋白 聚集体。(图来自E.De Bernardez-Clark and G.Georgiou,Protein refolding,ACS Symposium Series 470,1991; 已获得 American Chemical Society授权。)
细胞内不同位置的谷胱甘肽浓度有所不同
大多数细胞中的谷胱甘肽的总浓度(即还原型与氧化型之和)约为5mmol/L, 但还原型GSH 与氧化型GSSG 的比例在1:1到300:1区间有显著变化(表 5.7)。谷胱甘肽的缓冲能力使细胞能够控制新生蛋白质中二硫键的形成程度。 然而,细胞内不同位置的谷胱甘肽浓度有所不同。例如,与细胞质相比,内 质网更偏氧化环境,因为这里生成的蛋白质大多最终要分泌到细胞外。此外, 大肠杆菌细胞的细胞质比哺乳动物细胞的细胞质还原性更强,这导致在哺乳 动物细胞蛋白质中可以稳定存在的二硫键在大肠杆菌中会变得不稳定,从而 导致某些哺乳动物蛋白在大肠杆菌中难以表达。
表5.7 不同组织、细胞或亚细胞器中谷胱甘肽的浓度和氧化还原型配比
细胞
IGSH/( mmol/L)
IGSSGI/(mmol/L)
IGSHI/I
GSSGI
鼠肝
11
0.04
300
内质网
2
1
1~3
哺乳动物细胞质
2
0.05
30~100
大肠杆菌细胞质
5
0.05
50~200
5.5 蛋白质结构域的结构和功能
(Protein Domains Have Structural and Functional Roles)
蛋白质生物复合体表现为多级结构
蛋白质结构可以根据其结构复杂性分为不同的层级(图5.63)。描述蛋白 质结构最简单的方式是它的一级结构,即该蛋白质的氨基酸序列。二级结构 是指蛋白质中的α螺旋、β折叠和转角的数量和位置。在本章前面部分,我 们讨论了氨基酸的基本结构和由寡聚氨基酸短肽链形成的各种二级结构单元。 这些二级结构单元通过蛋白质折叠在空间中相互作用,形成新的层级复杂度,
一 级结构
二级结构
三级结构
四级结构
生物复合体
图5.63 蛋白质结构的层级单元。最低级的蛋白质结构(一级结构)由
其氨基酸序列决定。这些氨基酸片段折叠产生二级结构单元(如α螺旋 和β折叠),进而相互作用形成结构域。多个结构域可以相互作用产生独 立折叠的蛋白质三级结构。由多条折叠的蛋白链的空间相互作用形成蛋 白质的四级结构。这些功能完善的四级结构与其他生物大分子结构相互 作用形成具有完整功能的生物复合体,例如G 蛋白偶联受体和G 蛋白异 三聚体形成的蛋白质复合物( PDB:IGOT)。
称为蛋白质的三级结构( tertiary structure)。在本书中,我们用“肽”(peptide) 这个词来描述不具有特定折叠结构的多肽;我们用“蛋白质”这个词来表示 至少包含两个相互作用的二级结构单元的折叠多肽。这些α螺旋和1或β折 叠之间的相互作用构成蛋白质结构域 ( domain )。结构域通常由少于100个氨 基酸残基的多肽链构成,当它们从更大的蛋白质结构中被分离出来时还能够 独立地折叠成特定结构。其中有个例外就是由少于50个氨基酸残基的序列构 成的结构域,因为它们只有通过相互叠加构成一个多结构域单元才能稳定存 在。一个折叠蛋白的三级结构可以由一个或多个结构域组成。
庞大的蛋白质分子机器通常由多个独立折叠的多肽链组成。蛋白质三级 结构或结构域彼此之间的相互作用可以形成复杂的结构组合体和纳米尺度的 分子机器,这种复杂程度更高的结构被称为蛋白质的四级结构(quaternary structure) 。 蛋白质的四级结构彼此直接或间接地相互作用,最终形成了在细 胞、组织和器官中发挥机体功能所必需的生物复合体。
蛋白质的三级结构和四级结构中包含许多不同的经典蛋白质折 叠构象
这里我们对蛋白质结构的讨论将主要集中在结构域上。结构域是蛋白 质结构中的模块化单元,每个结构域都由α螺旋、β折叠、转角和回环结构 (loop) 等不同的二级结构单元按独特的顺序排列组成。有时候这些结构域即 使是从更大的蛋白质中分离出来的也会折叠成稳定的蛋白质结构。例如,抗 炎药依那西普( etanercept) 的设计思路就是将免疫球蛋白Fc 结构域(抗体的 恒定区)和肿瘤坏死因子受体的胞外结构域这两个独立的结构域连接起来的。 依那西普中的每个结构域都能独立折叠,折叠后整个蛋白质通过免疫球蛋白 结构域的二聚生成活性药物。与结构域相对应的基因可以发生同源重组,这 在蛋白质进化中起着非常重要的作用。不同功能的蛋白质结构域往往被重复 使用。例如,进化至今,很多蛋白质仍然采用高度保守的核苷酸结合域来结 合ATP 从而水解产生能量,这些结构域在基因组水平对应的片段被称为沃克 盒子( Walker box)。同时,在膜转运蛋白、微丝组装蛋白质和核糖体蛋白合 成纠错蛋白,中也能发现类似的核苷酸结合域。
一些最常见的蛋白质结构域主要发挥结构支撑作用,例如胶原蛋白结构 域或者含有β三明治的结构域。还有一些常见的蛋白质结构域是有特定功能 的,如七次跨膜结构域和激酶催化结构域。时至今日,已经有上千个不同的 蛋白质结构域被解析。由于我们无法对所有的结构域都进行逐一介绍,所以 这里我们将重点关注人类蛋白质组中最常见的蛋白质结构域。 表 5 .8列出了 来自2011年的Pfam 数据库中4400个不同的蛋白质结构域中的前10名。
不同物种中最常见的结构域有所不同,甚至在同一类细菌的不同菌株之 间也是如此。因为细菌蛋白质比人源蛋白质更容易表达和结晶,所以在20世 纪末我们对蛋白质结构域的研究更偏重于对细菌蛋白质结构的分析。时至今
表5.8 人类蛋白质组中常见结构域
结构域
出现次数
描述
锌指结构域,C2H2型
9398
a螺旋+回环+Zn²+
免疫球蛋白功能域
3563
反平行β三明治
WD40结构域
2084
扭转的楔形β折叠
纤维连接蛋白Ⅲ型结构域
1605
反平行β三明治
钙黏着蛋白结构域
1012
反平行β三明治+Ca²+
七次跨膜结构域
980
7个a螺旋
蛋白激酶结构域
812
具有β折叠片的a螺旋
寿司(Sushi)结构域
773
含二硫键的β三明治
胶原蛋白三螺旋结构域
751
三螺旋
RNA识别域
687
2个a螺旋+4串β折叠
a 来 自Pfam 数据库 . 统计数据获取时间为2011年7月14日。
日,结构生物学研究更多地转向哺乳动物细胞中的蛋白质,但对于难以结晶 的膜蛋白来说,现有的蛋白质结构依然非常有限。随着结构生物学家将来不 断地解析出更多的人源蛋白质结构,人类蛋白质组中常见结构域的排名也可 能会发生变化。尽管如此,鉴于结构域是蛋白质中结构和功能的基本模块单 元,基于现有的蛋白质结构对结构域进行分析,依然能给我们提供十分丰富 和有效的信息。
锌指结构域识别DNA 序列
人类蛋白质组中最常见的结构域是经典的锌指结构域 (Zinc-finger domain), 其长度约为25个氨基酸残基,由一个α螺旋和一个回环结构组成。这类被称 为C2H2 的锌指结构域在结构上异常稳定,因为回环结构上的两个半胱氨酸 残基(C) 和α螺旋上的两个组氨酸残基 ( H) 可以通过配位作用与锌离子紧 密结合 [图5.64(A )] 。 在第4章中,我们介绍的一类重要的转录因子就含有 锌指结构域。C2H2 锌指结构域是参与DNA 序列识别的重要功能结构域之一。 人体细胞中这类DNA 识别结构域的广泛存在表明了转录调控的重要性。
每个锌指转录因子都具有多个C2H2 锌指结构域。例如,转录因子Zif268 中有三个锌指结构域,每个都能识别一个三碱基DNA 序列[图5.64( B)]。
一条长度为18个碱基的DNA 序列在人类基因组中是独特的,而识别它只 需要六个锌指结构域。由于α螺旋的直径正好与双螺旋DNA 的大沟宽度相 吻合,因此锌指结构域通过α螺旋和DNA 碱基之间的相互作用从而实现对 DNA 序列的识别。通过蛋白质工程改造, 不同的锌指结构域可以根据需要被
A
图5.64 锌指结构域。(A) 在C2H2锌 指结构域中,两个半胱氨酸残基和两 个组氨酸残基共同与一个锌离子配位, 形成稳定的结构。( B) 一个转录因子 中通常有多个锌指结构域连接在一起。 (PDB:1AAY)
串连起来从而获得能够靶向特定DNA 序列的转录因子和核酸内切酶。除了与 DNA 结合外,锌指结构域还可以与其他蛋白质发生相互作用,这种相互作用 有时是不需要依赖DNA 而存在的。
一些常见的结构域都基于β三明治构型
很多常见的人源蛋白质结构域都含有β三明治(β-sheet sandwiches)构型, 例如免疫球蛋白结构域、纤维连接蛋白Ⅲ型结构域、钙黏蛋白结构域和补体 调控蛋白分子结构域,它们在β折叠链的数量以及β折叠链之间连接的顺序 和拓扑结构上都有所不同。在这种结构域中,两个反平行的β折叠片像三明 治的两片面包一样叠加在一起,因此也被形象地称为β三明治。β三明治结 构域(β sandwiches domain) 也经常重复出现,就像一个个串珠被串在一起 一样。
免疫球蛋白结构域是最常见的β三明治结构域。顾名思义,它们是抗体 结构的核心(图5 .65),但也存在于其他类型的蛋白质中。鉴于抗体与抗原结 合的特异性高、结构容易被工程化改造以及具有良好的类药性(毒性低和血 清半衰期长),抗体在当今生物制药市场上占据优势地位。正如第1章所介绍 的,高亲和力G 型免疫球蛋白由两条通过二硫键相连的重链和两条轻链组成 (图1.24)。每条抗体链都由数目不等的免疫球蛋白结构域串接组成,且每个 免疫球蛋白结构域的拓扑构型也略有不同。免疫球蛋白结构域由两个面对面 的反向平行β折叠片组成,通常每个折叠片由三到四个β折叠链组成。尽管 在空间上形成两个片层,但是两个β折叠片在序列走向上是相互交织在一起 的,例如,如果在免疫球蛋白CH2 结构域中从N 末端开始将7个β折叠链依 次标记为1~7,那么底部的折叠片层则是由链1、2、5和4组成,而顶部折 叠片由链3、6和7组成(图5.65)。因此,我们可以根据组成每个结构域的 单β折叠链的拓扑连通性对免疫球蛋白结构域进行更细致的分型。
基于电镜和X 射线晶体学的结构生物学实验表明,连接免疫球蛋白“双 臂”的铰链区具有非常大的灵活性,可以大范围地调节“双臂”之间的距离 和相对位置。在铰链区中的蛋白链由于缺少限制构象的主链氢键,因此没有 特定的二级结构。这种灵活性特别适用于免疫球蛋白用“双臂”近距离地结 合抗原(例如在细菌细胞表面)。小鼠通常是制备单克隆抗体(即具有单一蛋 白质序列的抗体)的模型动物,但是由于人类免疫系统对鼠源抗体会产生强 烈的免疫反应使其难以成药,因此催生了许多“人源化”小鼠抗体的技术,
图5.65 免疫球蛋白结构域。G 型免 疫球蛋白的四条链中,每条链都由数 目不等的免疫球蛋白结构域组成。尽 管每个结构域总体来说都具有β三明 治构型,但是每个结构域中的7条β 折叠链的拓扑连接方式都有所不同。 (PDB:1HZH)
也就是将小鼠抗体中负责识别抗原表位的互补性决定区(CDR) 嫁接到人源 抗体结构上。
免疫球蛋白结构域作为常见的结构单元也广泛存在于其他蛋白质中。当多 个免疫球蛋白结构域连接在一起时,蛋白质可以精确地控制长度伸展至合适的 距离。这些结构域在蛋白质处于拉伸状态时还可以起到重要的缓冲作用,让 整体蛋白结构保持足够的韧性。例如,肌巨蛋白(又称肌联蛋白, titin) 中 的 每个结构域都可以解折叠,以保证蛋白质骨架被拉伸时不会崩塌(图5.66)。 正是因为含有多个这样的长度可伸展的内置结构单元,肌联蛋白具有极佳的 韧性。
纤维连接蛋白Ⅲ型( FNⅢ) 结构域是另一种反向平行的β三明治结构域, 在该结构域中β折叠链的拓扑连接方式与抗体免疫球蛋白结构域中不同。这个 结构域最早是在纤维连接蛋白中被发现的。纤维连接蛋白是一个位于细胞外的 超大蛋白,包括16个FNⅢ 结构域。后来在其他可溶性的胞外蛋白和膜结合蛋 白的胞外区域(例如受体)也可以经常发现这种类型的结构域(图5.67)。
图5.66 肌联蛋白。多达95个免疫球 蛋白结构域的串联使肌联蛋白在低负荷 拉伸下具有很好的韧性。( PDB:3B43)
图5.67 免疫球蛋白和纤维连接蛋白
结构域。嗅觉细胞黏附分子(OCAMs, 绿色和蓝色部分)的蛇形胞外区通过 免疫球蛋白结构域相互结合,使细胞 黏附。蓝色OCAM分子的结构域被标 记为:免疫球蛋白结构域( IgI-1gV)、 纤维连接蛋白Ⅲ型结构域( Fn3I 和 Fn3Ⅱ); 红色和橙色的树状结构是寡 糖。(改编自N.Kulahin et al.,Shucture 19:203-211,2011;已获Elsevier授权。)
寿 司( Sushi) 结构域是另一种β三明治结构域,也被称为短共有重复序 列结构域(基于序列同源性命名)或补体调控蛋白结构域(基于其功能背景 命名),因其形状像一盒米饭上盖有一片鱼片的日式手握寿司而得名。每个短 共有重复序列 ( short consensus repeats,SCR) 结构域约有60个残基,可以 折叠成一个β三明治结构。其中,两个β折叠链处于另外三个β折叠链的上 方,另有两对二硫键帮助稳定整个SCR 结构域。这类特定类型的结构解释了 为什么所有SCR 结构域中的半胱氨酸残基都是高度保守的。 SCR 结构域存在 于许多调节补体免疫反应的蛋白质中, 一些补体蛋白质包含多达30个SCR 结构域。通常情况下,蛋白-蛋白的相互作用只需要2~4个SCR 结构域,因 此,补体蛋白质中的多个 SCR 结构域的串接,使其具有募集大量其他蛋白质 形成寡聚蛋白质复合物的能力。
钙离子促进钙黏着蛋白结构域之间的相互作用
钙黏着蛋白结构域是人类蛋白质组中另一种常见的β三明治结构域。它 通过锚定在每个细胞内部骨架上的蛋白质复合物控制细胞与细胞之间的黏附。 钙黏着蛋白这个名字反映了它的主要结构特征(包含钙离子)和功能(细胞 黏附)。C 型钙黏着蛋白的胞外区包含五个钙黏着蛋白结构域,这些折叠的结 构域通过一段穿膜的单链α螺旋与胞内区相连;胞内区是另一种类型的结构 域,它与肌动蛋白构成的细胞骨架共同调控细胞的整体结构。在C 型钙黏着 蛋白中,离细胞表面最远端的钙黏着蛋白结构域可以与另外一个细胞上同位 置的钙黏着蛋白结构域相互作用发生二聚化(图5.68),此时,其中一个钙黏 着蛋白结构域中保守的色氨酸残基会嵌入其互补结构域的疏水口袋中,导致 分别来自两个结构域中的β折叠链在相互作用界面形成新的互补,这一过程 也被称为“β折叠链交换”。癌细胞表面钙黏着蛋白的丢失被认为与肿瘤的侵 染性相关。钙黏着蛋白结构域需要结合Ca² 作为结构支撑:钙黏着蛋白执行 黏附功能时需要细胞外Ca²+达到毫摩尔浓度,因此该蛋白质与钙离子的结合 能力并不是很强。在钙黏着蛋白中,钙离子主要通过天冬氨酸和谷氨酸侧链 的羧酸基团与蛋白质结合(图5.69)。
图5.68 β折叠链交换促进钙黏着蛋
白结构域之间的相互作用。
图5.69 钙黏着蛋白结构域。( A) 钙 黏着蛋白结构域之间的区域在钙离子 (绿色)存在下变得具有刚性。刚性蛋 白通过细胞膜传递给细胞内的肌动蛋 白骨架。( B) 钙黏着蛋白结构域界面 上的三个Ca²+ ( 绿色)与八个羧酸和 两个酰胺基团螯合。( PDB:IL3W)
细胞膜
细胞骨架 钙黏着蛋白胞外结构域
WD 结构域像蛋糕的三角切块一样组合在一起
WD 结构域是正交扭曲的β折叠结构,具有楔形轮廓(图5.70)。一个含 有4个β折叠链的WD 结构域大约有40个氨基酸残基,因此该类结构域也被 称为WD40 结构域,它们可以像涡旋叶片一样装配在一起形成一个完整稳定
的结构(图5.70)。转导蛋白( transducin) 是异三聚体G 蛋白家族中的一个 成员,它主要由WD40 结构域组成,关于该蛋白家族的具体细节将在第9章 中详细讨论。WD 结构域的名称来源于在该结构域中C 端频繁出现的Trp-Asp (WD) 序列。WD 结构域在转录调控、细胞命运抉择、跨膜信号传递、 RNA 修饰、囊泡转运和细胞凋亡等多种信号转导过程中发挥着重要作用。 WD 结 构域在原核生物中的存在形式相对单一,但在多细胞的高等生物中可以组合 构成执行各种复杂功能的蛋白质,这也暗示该结构域在生命体从单细胞到多 细胞的进化过程中发挥了关键的作用。
转录因子Groucho/TLE 的四级结构中有多少WD 结构域? ( PDB:1GXR)
图5.70 WD40结构域。β折叠的扭转 使WD40结构域具有楔形轮廓。楔子 像蛋糕的切块一样组合在一起。
胶原蛋白由三股α螺旋链组成
胶原蛋白主要存在于细胞外基质中,是结缔组织的主要组成部分,发挥 着连接细胞、组织和器官的重要功能。胶原蛋白是人体中最丰富的蛋白质,约 占人体蛋白质总质量的四分之一。高水平的胶原蛋白可以为包括人类在内的大 型脊椎动物提供关键的结构支撑作用。例如,骨骼的强度依赖于胶原蛋白;鼻 子和耳廓中的软骨组织也主要由胶原蛋白组成。胶原蛋白是烹饪用明胶的主 要成分,它可通过炖煮软骨、骨骼、韧带等组织获取。“胶原蛋白”(collagen) 一词来源于希腊语,其中“colla” 为“ kolla”, 意为“胶水”,因为古希腊人 利用炖煮的牛羊动物颈部组织制作黏合剂,而这种蛋白质本身在生物体内也 起连接的作用。
胶原蛋白包含成百上千个Gly-Xaa-Yaa的氨基酸重复序列,其中Xaa 和 Yaa可以表示任何氨基酸,但通常是脯氨酸或羟脯氨酸。这些肽链自发地交织 在一起形成一个三股的左手螺旋(图5.71)。每股链中的Gly-Pro-Pro 片段都 通过氢键与另外两股链中对应片段发生相互作用(图5.72)。甘氨酸上的N-H 与第二股链上的脯氨酸羰基( C=0) 形成氢键,而第二股链上的脯氨酸羰基 (C=O) 与第三股链上甘氨酸的N—H 形成氢键。胶原蛋白这种特殊三螺旋构 象的结构基础是甘氨酸允许蛋白质主链构象发生角度急转,同时丰富的脯氨
图5.71 胶原蛋白。 在胶原蛋白中, 三条蛋白质链交织形成三股螺旋结构。
图5.72 链间的氢键使胶原蛋白的三
股螺旋链紧密地交织在一起。(PDB:
IK6F)
邻交叉式构象
图5.73 胶原蛋白中的立体电子效应。
(R)-4- 羟基脯氨酸中的电负性原子处 于能量更稳定的邻交叉式构象,因此 该修饰可以稳定胶原蛋白的三螺旋结 构。反之,( S)-4- 羟脯氨酸中电负性 原子处于能量不稳定的反式构象,从 而破坏了蛋白质的稳定性。
图5.74 视紫红质蛋白( Rhodopsin)。 视紫红质是一种7TM受 体 蛋白 ,与 一种叫作视黄醛(黄色)的光敏类胡 萝卜素配体共价结合。视紫红质蛋白 上存在两种翻译后修饰:胞外环区有 两个糖基化修饰:胞内区C 末端的两 个半胱氨酸残基发生含有硫酯结构的 棕榈酰化修饰。( PDB:1GZM)
酸残基可以使蛋白质主链处于一种刚性状态。我们此前讲解过一个标准的蛋 白质α螺旋仅由单链组成。尽管两个或多个α螺旋之间也可以形成螺旋束结 构,但是在那些螺旋束中,螺旋之间不存在蛋白质主链之间的氢键作用。与 上述传统的螺旋束结构不同,在胶原蛋白的三螺旋结构中,所有氢键都来自 不同的螺旋主链基团之间。
胶原蛋白中的脯氨酸经酶催化后会被翻译后修饰形成( R)-4- 羟基脯氨酸, 该修饰可以稳定胶原蛋白的三螺旋结构。通过对4-氟脯氨酸类似物的研究证 实,该修饰带来的稳定性不是由所引入的羟基的氢键引起的,而是由立体电 子效应引起的。脯氨酸侧链的五元杂环缺少足够的结构刚性因而无法形成环 己烷椅式结构,但在(R)-4- 羟基脯氨酸中,额外的羟基相对于环中的氮原子 处于能量更稳定的邻交叉式(gauche) 构象(图5.73),从而稳定了三螺旋的 整体结构。相反,(S)-4- 羟脯氨酸会导致羟基和环中的氮原子处于不稳定的 反式构象,因此具有该构象的修饰在胶原蛋白中从未被发现。
催化胶原蛋白脯氨酸羟基化的酶需要维生素C 作为辅因子。因此,饮食 中缺乏维生素C 会导致胶原蛋白三螺旋结构的稳定性减弱,在实际生活中会 诱发坏血病(又称水手病)、牙龈出血、牙齿松动和暴躁易怒等症状。据统计, 在18世纪的英国海军中,坏血病造成的死亡人数比与敌人作战死亡人数还多。
蛋白激酶结构域和七次跨膜结构域在信号转导中起关键作用
蛋白激酶结构域 ( protein kinase domain) 和七次跨膜结构域( seven transmembrane domain或 7TM domain) 是人体细胞中调控转录的信号转导途 径的重要组成元件,在细胞内普遍存在。蛋白激酶是人类蛋白质组中最常见 的酶家族之一,我们将在第6章对其结构和机制进行讨论。含有七次跨膜结 构域的膜结合受体蛋白( seven-transmembrane domain receptor) 的主要特征 是在细胞膜内有七个α螺旋二级结构单元。对于这类重要的膜结合受体来说, “七个螺旋”是对其特征结构域的一个更为恰当的描述,因为本书中我们并没 有把单一的α螺旋定义为一个蛋白质中独立的结构域。7TM 受体的七个螺旋 组装构成一个篮子的形状,非常适合与神经递质和激素等小分子发生可逆结 合,并将小分子配体的结合转化为受体蛋白细胞质内的构象变化。在G 蛋白 偶联受体视紫红质蛋白中,小分子配体视黄醛总是以亚胺的形式与受体蛋白 中的赖氨酸侧链结合(图5.74)。光照可以将视黄醛中的烯烃从反式构型异构 化为顺式构型,由此产生的构象变化被传输到受体蛋白末端,从而启动细胞 内的信号转导通路。这类7TM 受体蛋白质会与由WD 结构域构成的异三聚体 G 蛋白相互作用,形成一个具有完整信号传递功能的生物复合体(图5.63)。 我们将在第九章对7TM 受体蛋白进行详细讨论,介绍它们在调节和控制哺乳 动物细胞中转录和信号转导途径中发挥的重要作用。
由α螺旋束组成的蛋白质结构域在所有生物体中都很常见。这些束状结 构域的每个α螺旋往往都具有一个贯穿螺旋全长的疏水面,这疏水氨基酸之 间的相互作用能够驱动蛋白质在亲水环境中折叠成正确的结构。理论上对于形 成束状结构的α螺旋的数量没有内在限制,但含有四个α螺旋的螺旋束结构域 相对比较常见。由两个α螺旋构成的螺旋束被称为卷曲螺旋(coiled coil),这 种卷曲螺旋通常长度较长,以保证蛋白能独立折叠成正确构象。例如,转录 因 子c-Fos 和 c-Jun 的 DNA 结合域中的两个α螺旋就是以卷曲螺旋的方式发 生相互作用(图3. 18和图 5.75)。
图5.75 亮氨酸拉链( leucine zipper)。
在c-Fos 和c-Jun 二聚化结构域的氨基 酸序列中,大约每七个残基处就有一 个亮氨酸,亮氨酸的疏水侧链间的相 互作用驱动两个蛋白质以卷曲螺旋 的形式结合,这一特殊的结合构象 形象地称为“亮氨酸拉链”。( PDB:
1FOS)
RNA 识别模体结构域结合单链RNA
很多蛋白质结构域专门用于结合特定类型的分子,如多肽、核苷酸或糖 类。蛋白质-RNA 复合物在维持核糖体结构、 RNA 剪接和RNA 干扰中都发 挥着重要作用。许多RNA 和蛋白质的相互作用是由RNA 识别模体 ( RNA recognition motif, RRM) 结构域介导的,该结构域由四条反向平行的β折叠 链和两条α螺旋链组成(图5.76)。该结构域可以和一条伸展的单链RNA 结 合。四条β折叠链构成一个β折叠片,折叠片的一侧与两个α螺旋相互作用, 而另一侧有多个芳香族氨基酸,这些残基通过π-π堆积与RNA 上的碱基发生 相互作用:除此之外,RRM 结构域中的其他残基可以与RNA 中的各个碱基 发生特异性的相互作用,因此每个RRM结构域都可以与一段特定的RNA 序 列结合。在相互作用的界面,带正电的氨基酸残基(精氨酸和赖氨酸)还可 以与RNA的磷酸骨架形成盐桥,进一步稳定蛋白质和RNA 复合物的结构。
短肽结合结构域可以让蛋白质功能模块化
特定短肽与对应蛋白质结构域的选择性结合是蛋白质之间完成信号传递 的一种经典模式。例如,SH2(S rc homology 2)结构域对酪氨酸磷酸化的识 别是人体细胞内信号转导的一个关键步骤(图5.77)。这个结构域中间是一个 反向平行的β折叠片,该折叠片上下各有一个α螺旋。与许多短肽结合结构 域一样,SH2 结构域通常会与其他类型的结构域连在一起,构成更大的蛋白 质。当含有SH2 结构域的蛋白质发生酪氨酸磷酸化时,经常会诱发蛋白质的 同源二聚,具体而言就是一个单体蛋白上的磷酸酪氨酸和另一个单体蛋白上 的 SH2 结构域结合,反之亦然,这样的结合方式就像两个分子在握手一样。
SH3 结构域是另一种可以实现蛋白质相互作用的模块化单元,整体构型 是一个β桶状结构(β barrel) 。 它可以特异性识别并结合蛋白质中特定的短肽 序列(图5.78)。这个结构域的首选靶标是具有“聚脯氨酸螺旋”构象的短肽。
图5.76 RNA 识别模体结构域。 一
条寡聚腺苷酸RNA 链 ( 绿 色 ) 与 寡 聚腺苷酸RNA 结合蛋白的两个RRM 结构域结合(蓝色和紫色)。( PDB: 1CVJ)
图5 .77 SH2 结构域。 p56 Lck激酶 中的SH2 结构域(青色)与一个带有 磷酸化酪氨酸残基的短肽(蓝色)结 合。磷酸根的两个负电荷分别与两个 带正电荷的精氨酸残基侧链(黄色) 发生静电相互作用。( PDB:ILKL)
图5.78 SH3结构域。 磷脂酰肌醇 3-激酶(蓝色)的SH3结构域是一个 β桶状结构,可以与具有聚脯氨酸螺 旋构象的肽段结合。聚脯氨酸螺旋的 螺距为三个氨基酸(如图中左上角所 示)。( PDB:315R)
图5.79 c-Src 催化结构域的活性被 其内部的SH2 和SH3 结构域抑制。催 化结构域通过去磷酸化作用或通过Sre 激活剂与SH2 和SH3 结构域的竞争性 结合,从而实现激酶功能的释放。
顾名思义,该类短肽富含脯氨酸残基,在形成的特征螺旋构象中,螺距为三个 氨基酸残基,这比标准α螺旋缠绕得更紧密一些(标准α螺旋中螺距为四个残 基)。人源信号转导蛋白GRB2 包含两个SH3 结构域,中间还夹着一个SH2 结 构域。该蛋白通过SH2 结构域与表皮生长因子受体蛋白上的磷酸酪氨酸残基结 合,同时还可以利用SH3 结构域募集其他自带有聚脯氨酸序列的蛋白质。
5.6 更高层级的蛋白质结构
(Higher Levels of Protein Structure)
蛋白质三级结构具有一个或多个结构域
单条蛋白链的折叠定义了该蛋白质的三级结构。这种结构可以由单一的 结构域构成,但是更多情况下,它是由多个结构域组成的。很多时候蛋白质 采用多个结构域只是为了巩固一个庞大且高度稳定的折叠构象,在另外一些 情况下则是为了赋予蛋白质模块化功能。
酪氨酸激酶Src 就是一个典型的例子。该蛋白虽然只由一条单链构成, 但是必须通过其包含的多个功能结构域协同工作才能调控蛋白质的活性。劳 斯 ( Rous) 肉瘤病毒可以编码一种类似Src 的基因,该基因编码的Src 同源 蛋白会在被感染的鸡细胞中对其蛋白质组进行广泛磷酸化,导致细胞的无限 生长以及肿瘤的发生,这一结果说明了不受调控的酶活功能会给细胞和机体 带来巨大的风险。在20世纪70年代末期,研究人员发现正常的鸡细胞中含 有一种相关的c-Sre 激酶(cellular Src)。与病毒版的Src 不 同 ,c-Src 包含两 个用来严格控制激酶催化活性的短肽结合结构域。这两个结构域分别是SH2 结构域和SH3 结构域,它们共同作用限制c-Src 的激酶活性(图5.79)。
图5.80 铁储存蛋白的四级结构由24个 相同的四螺旋束组成。 每个铁蛋白复合 物(以紫色显示的一条链)可以在其中心 区域存储约4500个Fe³ 。(PDB:1FHA)
c-Src 激酶中的SH2 结构域与其C 末端第527位的磷酸化酪氨酸结合, 使c-Src 激酶结构域保持在一个失活状态。而SH3 结构域则与一段连接SH2 结构域和激酶结构域的短肽片段结合,从而进一步稳定激酶结构域这种失活 状态。当第527位酪氨酸发生去磷酸化时, c-Src 激酶可以被激活。c-Src 激 酶恢复活性的另外一种方式是通过Sre 激活蛋白来实现,该激活蛋白含有一 个聚脯氨酸SH3 结构域识别配体和一个磷酸酪氨酸SH2 结构域识别配体,可 以通过竞争性地结合c-Src 中 的SH2 和 SH3 结构域从而释放激酶结构域,激 活 c-Src 的激酶活性。
四级结构由独立折叠蛋白质高度组装而成
协同效应在蛋白质四级结构中非常重要,通俗的比喻是“一加一大于 二”。四级结构对应的是由多个蛋白质通过非共价相互作用组装成的大型复合 物。例如,铁储存蛋白是一种由24个独立折叠的蛋白质分子组成的蛋白质复 合物。它在各个物种中广泛存在,执行铁存储功能(图5.80)。其形成的四级
结构将铁离子半晶团簇包裹住,从而避免铁离子参与氧化还原反应,对细胞 造成伤害。我们之前也展示过许多其他具有独特四级结构的蛋白质,例如免 疫球蛋白、胶原蛋白、DNA 旋转酶、组蛋白、DNA 聚合酶和核糖体等。
在某些情况下,四级结构、三级结构和结构域这三个概念很难被区分。 例如,胶原蛋白的结构域由三条独立的蛋白链折叠组成。根据之前的定义, 这应该属于四级结构的一种形式。但胶原蛋白又很长,每条单链上有数百个 Gly-P ro-Pro重复序列。 从三条单链交织形成多束胶原蛋白进而又捆绑形成胶 原纤维的过程,需要结构域相互作用、三级结构折叠和四级结构组装的协调 运 作 (图5.81)。当翻译完成后,胶原蛋白的单肽链被运输到内质网,其C 端 结构域折叠成球状结构,发生三聚化。 C 端结构域形成三聚体可以产生“种 子效应”诱发三条单链交织形成三股精密匹配的螺旋结构。在该过程中,脯 氨酸酰胺键的顺反异构化是三螺旋形成的限速步骤,而脯氨酰顺反异构酶能 够催化顺反异构化反应,加速胶原蛋白通过内质网运输时形成三螺旋结构。 当胶原蛋白三螺旋到达高尔基体时,它们进一步纵向罗列形成聚集体,然后 从细胞中分泌出来。细胞外的蛋白酶将N 端 和C 端的球状结构域从胶原蛋白 上切割下来,这样胶原蛋白中间的三螺旋区域彼此沿纤维轴错开约四分之一 的长度后,相互搭在一起,组装成不可逆的弹性纤维。通过进一步对赖氨酸 侧链的酶促氧化,胶原蛋白间可以产生共价交联,就像引入焊点一样把整个 胶原纤维焊接在一起,继续加固胶原蛋白的结构、提高胶原纤维的强度。
赖氨酸氧化酶催化赖氨酸侧链的氧化,生成亚胺中间体。
A 提出一种合理的酸催化反应机制,解释由胺和亚胺官能团形成亚胺交联。
B 提出一种合理的酸催化反应机制,解释由两个亚胺官能团通过羟醛反应形成 的交联。
C-前肽 折叠/组装
OH
OH
OH
三螺旋形成
OH
OH
大量聚集
分泌和酶切
纤维形成
图5.81 四级结构的可控形成。 胶原 纤维的分步组装依赖于胶原蛋白的三 级结构和四级结构。
5.7 总 结(Summary)
如果可以做一个形象的比喻,蛋白质就像一个高级的交响乐团,其中每 个氨基酸都是一个乐团成员,而蛋白质主链就是这个乐团的指挥。氨基酸的 侧链就像乐团成员手中的乐器,不同的化学性质对应不同的音质。例如,疏 水性氨基酸像是弦乐乐器,芳香性氨基酸像是铜管乐器,极性氨基酸像是木 管乐器,而侧链带电荷的氨基酸则像是打击乐器。如同乐团中每位成员需要 齐心协力在音乐会上成功地演奏出长短不一、难度各异的音乐作品一样,这 些通过肽键连接在一起的氨基酸,也能协同发挥作用,共同折叠成大小不 等、形态各异的蛋白质结构。与之类比,RNA 分子就像是一个爵士乐四重 奏组合,其中每种核糖核酸亚基对应一位乐手,由于没有互补链的约束,它 们可以自由发挥自己的特色,让RNA 折叠成不同形态的结构。作为遗传信 息重要载体的双链DNA 也是由四种脱氧核糖核酸组成,但它的构象相对单
一,所以更像是一个经典的弦乐四重奏组合,成员彼此间默契配合,完美地 演绎出一部部脍炙人口的佳作。当你第一次听到交响乐团演奏时,你会倾向 于直接享受其音乐整体饱满度带来的震撼。但如果你集中精力仔细品味,你 会在音乐演奏过程中的每个小节都听到占主导地位的领奏乐器。通过这种方 式欣赏,你将对不同乐器的音质有更真实的体会,同时也会加深对整个乐章 的理解。同理,刚开始读这本书时,你可能会沉浸在简单浏览彩图中各种复 杂的蛋白质宏观结构,但是这里给你的建议是多花时间仔细查看每个结构, 把注意力聚焦在更微观的原子和成键等细节,因为这些是化学生物学家最擅 长的。
尽管蛋白质合成领域仍然存在着巨大的战略挑战,化学家们现在已经开 发出各种功能强大的多肽合成策略。当前寡核苷酸合成所采用的固相合成策 略,最早是为多肽合成应用所设计的。在多肽固相合成中,化学家将活化的 氨基酸酯逐一添加到肽链的N 端,让肽链不断延伸,这就像在蛋白质生物合 成过程中,新生成的肽段N 端从核糖体里慢慢延伸出来一样。不同之处在于, 核糖体以氨酰-tRNA 作为肽键生成反应的活化中间体,而化学家则将氨基酸 的氨基保护后,使用偶联试剂来活化羧酸基团进行肽键的合成。同时,化学 家们设计了不同的氨基酸侧链保护基团,在进行S、1 反应将多肽从固相树脂 上切下来的同时,可以将这些侧链的保护基团也一并脱去。
蛋白质通过主链的分子内氢键,驱动形成α螺旋、β折叠和转角等二级 结构。扭转张力、烯丙位张力和立体电子效应等基本作用力在原子层面直接 决定了这些二级结构的几何属性。α螺旋、β折叠和转角等二级结构组合在一 起构成模块化的蛋白质结构域,进而组合形成单条蛋白链的三级结构。更高 层次蛋白结构(如四级结构)的复杂性构成了生物蛋白质复合体执行功能的 基础。在下一章中,我们将从化学的视角对蛋白质的功能进行更深入的讨论。
学习重点( Learning Outcomes)
· 学习二十种参与合成蛋白质的天然氨基酸的结构 以及每个氨基酸侧链的独特化学性质。
·熟悉掌握每个氨基酸对应的单字母编码。
· 设计使用Fmoc 保护氨基酸合成多肽的固相合成 方法。
· 画出多肽合成和脱保护中常见的副反应机理。
·掌握二面角扭转张力和烯丙位张力与多肽φ、ψ以 及x角的构象偏好之间的关联。
· 了解每个氨基酸在二级结构中出现的偏好性。
· 区分蛋白质二级结构、三级结构和四级结构的 概念。
·从蛋白质数据库中下载蛋白质结构文件(*.pdb), 用软件展示其二级结构和单个氨基酸。
·熟悉最常见的蛋白质结构域的结构特征。
■确定在蛋白质一级、二级、三级和四级结构中起 决定作用的关键因素。
化学生物学/(美)戴维 ·范 ·弗兰肯 ( David Van Vranken), (美)格雷戈里 · 韦斯(Gregory A.Weiss)著: 张艳等译. —北 京:化学工业出版社,2021.8
(国外名校名著.创新药物研究基础与关键技术译丛)
书名原文:Introduction to Bioorganic Chemistry and Chemical Biology
ISBN 978-7-122-39146-9