第一章氨基酸科学故事：第二十二种原则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年此前，人们始终觉得，出目前蛋白质分子中的由遗传密码编码的原则氨基酸残基只有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原则氨基酸含硒半胱氨酸。时隔之后，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原则氨基酸吡咯赖氨酸。俄亥俄州立大学由Joseph A. Krzycki领导的研究小组始终在研究一种属于古细菌的产甲烷微生物巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）。此微生物可以将单甲胺（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某些与甲烷生成有关的特殊蛋白质。两年后来，她们分离得到编码其中一种蛋白质的基因，并测定出了它的核苷酸序列。1998年，她们刊登了这个基因的全序列，成果显示其阅读框架内具有一种反常的琥珀型终结密码子（amber codon）。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”），琥珀型终结密码子的核苷酸序列是TGA，它一般不决定任何氨基酸，它的浮现一般是多肽链合成结束的标志。然而，让Krzycki吃惊的是 ，该终结密码子居然编码一种氨基酸，并且这种奇怪的现象还出目前其她几种与甲烷产生有关的基因上。与此同步，由Michael Chan领导的研究小组开始研究由琥珀密码子编码的氨基酸的构造。她们意识到这个古怪的密码子也许编码一种新的氨基酸，但也有其她的也许性。Krzycki及其同事决定测定本来蛋白质的氨基酸序列。当得到蛋白质的氨基酸序列后来，她们发现由琥珀密码子决定的氨基酸似乎仅仅是一种赖氨酸。但是，Krzycki仍然规定Chan和她的一种博士研究生Bing Hao对具有这个氨基酸的蛋白质晶体构造进行研究以拟定那个氨基酸的性质。通过两年的研究，Chan和Hao终于拟定了这个蛋白质的构造。她们得到的某些数据表白那个氨基酸是一种新的氨基酸。不仅如此，Krzycki还在寻找其她证据。她和她的博士研究生Gayathri Srinivasan、Carey James不久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，同步还发现其她某些与此过程有关系的酶。综合以上两个发现以及更为具体的晶体构造，她们确信她们发现了第二十二种由DNA编码的氨基酸吡咯赖氨酸。她们还觉得，这个新的氨基酸是一种非常罕见的氨基酸，因此这样近年后才被发现。然而，Krzycki相信它也也许存在于其她有机体内。对此Chan表达批准并指出，发现第二十二种氨基酸将鼓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，有理由觉得某些有趣的事情迟早会发生。 小结氨基酸是一类同步具有氨基和羧基的有机小分子。构成多肽和蛋白质的氨基酸除Gly外，都属于L型的- 氨基酸（Pro为亚氨基酸）。氨基酸不仅可以作为寡肽、多肽和蛋白质的构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种最为常用，而硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸比较罕见。非蛋白质氨基酸一般以游离的形式存在，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种原则氨基酸可使用三字母或单字母缩写来表达。某些原则氨基酸在细胞内会经历某些特殊的修饰成为非原则蛋白质氨基酸。氨基酸有多种不同的分类措施：根据R基团的化学构造和在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。氨基酸的性质由其构造决定。其共性有：缩合反映、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映，涉及与亚硝酸的反映、与甲醛的反映、Sanger反映、与异硫氰酸苯酯的反映和与茚三酮的反映等。与亚硝酸的反映可用于Van Slyke定氮，与甲醛的反映可用于甲醛滴定，Sanger反映和与异硫氰酸苯酯的反映可用来测定N-端氨基酸。只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反映产生黄色物质，其他生成蓝紫色物质，运用此反映可对氨基酸进行定性或定量分析。多数氨基酸的侧链也许发生特殊的反映，可以此鉴定氨基酸。不同氨基酸在物理、化学性质上的差别可用来分离氨基酸，其中最常用的措施是电泳和层析。第二章 蛋白质的构造科学故事：一级构造决定高档构造蛋白质的高档构造由其一级构造决定的学说最初由Christian B. Anfinsen于1954年提出。在1950年之前，Anfinsen始终从事蛋白质构造方面的研究。在进入美国国立卫生研究所（NIH）后来，继续从事这方面的研究。当时她最想懂得的是：一种蛋白质是如何折叠成它独特的三维构象的？需不需要其她酶的协助？蛋白质为什么要采用特定的构象？Christian B.Anfinsen然而，要想理解蛋白质的折叠过程，一方面需要建立一种措施可以测量或评估蛋白质的构象，另一方面还需要找到一种手段用以检测折叠过程。Anfinsen以牛胰核糖核酸酶（ribonuclease）为研究对象轻而易举地解决了第一种问题（事实上选用此酶的部分因素是当时的芝加哥肉类加工公司可觉得她的实验室随时提供足够的原材料），由于核糖核酸酶催化RNA的水解，其酶活性完全取决于其特定的三维构象，于是酶活性成为测量这种蛋白质采用何种构象的一种措施。但要观测折叠过程既可以从一种新合成的尚没有折叠的蛋白质开始，也可以在体外将一种已折叠好的蛋白质去折叠（unfold），然后再观测它的再折叠（refold）过程。Anfinsen选择了后一种途径。事实上，这种酶特别适合用后一种途径进行研究，一方面由于二硫键是决定其分子形状的重要因素。此外，此酶是一种单纯蛋白质，只有124个氨基酸残基构成，具有4个二硫键，并且其活性很容易通过测定水解RNA释放出来的核苷酸量来测定。Anfinsen和两个博士后Michael Sela、 Fred White在研究中发现，使用高浓度的巯基试剂- 巯基乙醇（- mercaptoethanol）可将二硫键还原成自由的巯基，如果再加入尿素，进一步破坏已被还原的核糖核酸酶分子内部的次级键，则该酶将去折叠转变成无任何活性的无规卷曲。对还原的核糖核酸酶的物理性质进行分析的成果清晰地表白了它的确采用的是无规卷曲的形状。在成功得到一种去折叠的核糖核酸酶后来，Anfinsen 着手开始研究它的重折叠过程了。考虑到被还原的核糖核酸酶要在已被还原的8个Cys残基上重建4对二硫键共有105 种不同的组合，但只有一种是对的的形式，如果决定蛋白质构象的信息始终存在于氨基酸序列之中，那么，最后重折叠得到的总是那种对的的形式。否则，重折叠将是随机的，最后只能得到少量的对的形式。显然，第一种情形能完全恢复去折叠过程中丧生的酶活性，而后一种状况只能恢复很少的酶活性。 Anfinsen的重折叠实验还是比较顺利的，她通过透析的措施除去了导致酶去折叠的尿素和巯基乙醇，再将没有活性的酶转移到其生理缓冲溶液之中，在有氧气的状况下于室温放置，以使巯基能重新氧化成二硫键。通过一段时间后来，发现核糖核酸酶活性得以恢复，这意味着它本来的构象恢复了（图2-47）。由于上述过程没有细胞内任何其她成分的参与，完全是一种自发的过程，因此，有理由相信此蛋白质对的折叠所需要的所有信息所有存在于它的一级构造之中。不久，Anfinsen的研究成果被刊登在1954年 生物化学杂志（Journal of Biological Chemistry，JBC）上。进一步的实验拟定了变性的核糖核酸酶完全恢复其活性的条件，在此基本上，Anfinsen提出了蛋白质折叠的热力学假说（thermodynamic hypothesis）。根据此假说，一种蛋白质的天然三维构象相应于在生理条件下其所处的热力学最稳定的状态。热力学稳定性由构成的氨基酸残基之间的互相作用决定，于是蛋白质的三维构象直接由它的一级构造决定。图247 牛胰核糖核酸酶的变性和复性实验尽管Anfinsen的工作奠定了蛋白质折叠的热力学基本，她也因此获得了1972年的诺贝尔化学奖，但是蛋白质折叠是相称复杂的。到目前为止，我们仍然不能根据一种蛋白质的一级构造推断出它的三维构造。同步，还必须注意到，蛋白质在体外的折叠比在细胞内的折叠要慢得多！肽是氨基酸之间以肽键相连的聚合物，它涉及寡肽、多肽和蛋白质。氨基酸是构成肽的基本单位。线形肽链都具有N端和C端，书写一条肽链的序列总是从N端到C端。肽键具有部分双键的性质，多为反式，也有顺式。酰胺平面中C-N单键旋转的角度称为，C-C单键旋转的角度称为。和决定了相邻两个肽单位在空间上的相对位置。210个氨基酸残基构成的肽为寡肽，1250个氨基酸残基构成的肽为多肽，由50个以上的氨基酸残基构成的肽一般被称为蛋白质。天然存在的活性肽有的是在核糖体上合成，有的在核糖体以外的地方由特定的酶依次催化而成。寡肽的理化性质涉及两性解离、双缩脲反映等。蛋白质的构造一般涉及一级构造、二级构造、三级构造和四级构造，二级构造、三级构造和四级构造被称为高档构造，一种蛋白质的所有三维构造一般被称为它的构象。蛋白质的一级构造是指氨基酸在多肽链上的排列顺序，含二硫键的蛋白质的一级构造还涉及二硫键的数目和位置。蛋白质的二级构造是指多肽链的主链骨架自身在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非侧链基团之间的氢键决定的。常用的二级构造有螺旋、三股螺旋、折叠、转角、凸起和无规卷曲。螺旋中肽链骨架环绕一种轴以螺旋的方式伸展，它也许是极性的、疏水的或两亲的。折叠是肽链的一种相称伸展的构造，有平行和反平行两种。如果股交替浮现极性残基和非极性残基，那么就可以形成两亲的折叠。转角指伸展的肽链形成180的U形回折构造而变化了肽链的方向。凸起是由于折叠股中额外插入一种氨基酸残基而形成的，它也能变化多肽链的走向。无规卷曲是在蛋白质分子中的某些极不规则的二级构造的总称。无规卷曲无固定走向，有时以环的形式存在，但不是任意变动的。从构造的稳定性上看，右手螺旋折叠 U型回折无规卷曲，但在功能上，酶与蛋白质的活性中心一般由无规卷曲充当，右手螺旋和折叠一般只起支持作用。蛋白质的三级构造是指多肽链在二级构造的基本上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成重要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维构造。三级构造一般由模体和构造域构成。稳定三级构造的化学键涉及氢键、疏水键、离子键、范德华力、金属配位键和二硫键。模体可用在一级构造上，特指具有特殊生化功能的序列模体，也可被用于功能模体或构造模体，相称于超二级构造。构造模体是构造域的组分，基本形式有、和等。常用的模体涉及：左手超螺旋、右手超螺旋、卷曲螺旋、螺旋束、 螺旋-环- 螺旋、Rossmann卷曲和希腊钥匙模体。构造域是在一种蛋白质分子内的相对独立的球状构造和/或功能模块，由若干个构造模体构成的相对独立的球形构造单位，它们一般是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接有关。一种构造域一般由一段持续的氨基酸序列构成。根据其占优势的二级构造元件的类型，构造域可分为五大类： 构造域、构造域、/构造域、+构造域、交联构造域。以上每一类构造域的二级构造元件也许有不同的组织方式，每一种组织就是一种构造模体。这些构造域均有疏水的核心，疏水核心是构造域稳定所必需的。拟定一