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1、第二章 重要的生物配体及其金属配合物,对于没有学习过生物化学的同学，简略地了解氨基酸、蛋白质、核酸、酶等重要生物化合物的结构和功能是十分必要的。 在大多数情况下，金属元素在生物体内不以自由离子形式存在，而是与配体形成生物金属配位化合物。 这些在生物体内与金属配位并具有生物功能的配位体称为生物配体(biological ligand)。 大分子生物配体包括蛋白质、多糖、核酸等，其相对分子质量从几千到数百万；小分子生物配体包括氨基酸、羧酸、卟啉、咕啉等。,一. 氨基酸、肽和蛋白质及其金属配合物 （一）、氨基酸及其金属配合物 1. 氨基酸 氨基酸(amino acids)是蛋白质的基本结构单位。 已
2、发现自然界有百多种氨基酸，但从蛋白质水解产物中分离出来的氨基酸通常只有20种 。 除脯氨酸外，这些氨基酸在结构上都有共同点，即与羧基相邻的碳原子上都有一个氨基，因此称为氨基酸。,氨基酸的分类,根据R的化学结构 （1）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、Gln、Ser、Thr （2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr （3）杂环氨基酸：Trp、His （4）杂环亚氨基酸：Pro,根据R的极性 （1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3
3、）带负电：Asp、Glu （2）非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp,硒代半胱氨酸（Sec）可能是蛋白质中天然存在的第21种氨基酸。 Cys：,人体内的硒以含硒酶和含硒蛋白2 种生物活性物质的形式存在。硒的功能主要是通过各种硒酶( selenoenzyme)和硒蛋白( selenoprotein)实现的。 在硒酶和硒蛋白中，硒总是以硒代半胱氨酸(selenocysteine，Sec) 的形式存在并位于硒酶的活性中心。Sec 是由密码子U GA 介导经复杂而特殊的翻译过程参入到蛋白质中的。目前已从动物的器官和组织中检测出含硒蛋白有13 种。,R基带
4、可配位基团氨基酸在金属蛋白和金属酶活性中心与金属离子配位。,可形成二硫键的氨基酸在蛋白质高级结构中，维持其构象；影响金属蛋白和金属酶构象易变性。,特别值得关注的氨基酸：,非极性R基氨基酸在蛋白质高级结构中，维持其构象的疏水作用；可能是对疏水性底物分子识别的基础。,R基带可成氢键基团氨基酸在蛋白质高级结构中，维持其构象；在金属蛋白和金属酶活性中心周围的氢键网络。,2、氨基酸的金属配合物 在生物体内存在的微量金属元素，当它们以自由离子存在时并不表现出生物活性或活性不强，只有当它们与特定结构的配体结合在一起、以配合物的形式存在时，才能表现出某种生物活性。 在人体的血桨中已经分离出了铜氨基酸配合物，C
5、u(his)(thr)。 研究蛋白质和金属离子键合的问题，更多的是借助于研究金属离子与氨基酸或缩氨酸键合的作用模式来加以研究的。因此，金属氨基酸配合物的研究已经引起了人们的广泛关注。,就氨基酸而言，最常见是作为二齿配体，以碳上的氨基和羧基作为配体基团同金属离子配位，形成具有五元环结构的较稳定的螯合物，如下图。 Zn ( Gly )2 2H2O,氨基酸是否都是二齿配体?,碳上的羧基具有多变的配位模式。,碳上的氨基和羧基是否同时与金属离子配位?,在一定条件下,氨基酸侧链的某些基团可与金属离子配位。,化合物Zn(dl-histinato)25H2O (15) 中金属离子的配位环境如图所示， 化合物1
6、5的金属离子配位环境,在化合物Zn(dl-histinato)25H2O (15)中，羧基的氧原子与氨基氢原子间形成强的氢键作用，通过这些氢键的作用，形成了通道结构。在通道中填充着水分子，这些水分子通过氢键作用与主体分子结合在了一起。,如果不画出这些客体水分子，则可以清晰看到孔洞结构。,将化合物Zn(dl-histinato)25H2O（15）在120条件下加热2 h，获得失去所有的结晶水分子（理论值19.33%, 实验值19.42%）而且其整体分子框架结构可以稳定到240的化合物(15),然后将化合物15暴露在水蒸气氛围下数天，15通过固-汽反应吸附水分子从而恢复为化合物15。 即化合物Zn
7、(dl-histinato)2 5H2O（15）孔洞中的结晶水分子通过加热或者吸附的方法能够可逆的失去和获得。,羧基是有趣的配体，具有多变的配位模式。一定条件下，通过羧基桥连配位模式形成多核结构，形成独立的双核配合物或一维、二维、三维多种超分子网状配合物。 羧酸基团与金属离子可能采用的多种配位模式。,含有镍离子的尿酶存在于大量的植物和微生物中，在尿酶催化作用下，尿素可以水解为氨和氨基甲酸，甲酰胺、乙酰胺等氨基化合物可以水解为二氧化碳和氨气。 尿酶活性中心的结构是通过甲氨酰化赖氨酸羧基氧原子以及溶剂水分子（或者氢氧根离子）双桥联起来双核结构。金属离子Ni1为五配位，呈现变形的四方棱锥型几何形状，
8、金属离子Ni2则为六配位的变形八面体形状。,配合物Fe2(-O)( -L)(tpa)24+(tpa = 三（2- 吡啶甲基）胺；L = (s)-缬氨酸，(s)-脯氨酸，(s)-丙氨酸)，两个铁离子分别与两个tpa的氮原子配位,同时两个铁离子通过一个氨基酸羧基氧原子（-O,O）和一个氢氧离子（-OH）桥连起来，形成双桥连结构。,脯氨酸配合物SmNi(pro)63+结构特点是钐离子和镍离子通过脯氨酸的羧基的两个氧原子桥联起来。,（二）、肽、蛋白质及其金属配合物 1、 肽 肽是由-氨基酸按一定的序列通过肽键（酰胺键）缩合而成的生物大分子。 肽链中的肽键是由一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的羧基缩合去一分
9、子水而成。多个氨基酸以这种方式首尾相接则成为肽链。 氨基末端或N末端； 羧基末端或C末端；肽链的主干称为主链；肽链上各残基的R基称为侧链。,少于10个残基的肽称为寡肽(oligopeptide)，超过10个残基的肽称为多肽(polypeptide)。 肽的命名通常以肽链的N末端氨基酸残基开始，按残基出现顺序逐一记载。习惯把N末端写在结构式的左侧。C末端写在最后。 甘氨酸的羧基与丙氨酸的氨基缩合形成肽键, 生成甘氨酰丙氨酸。 如果是丙氨酸的羧基与甘氨酸的氨基形成肽键，则生成的二肽命名为丙氨酰甘氨酸。,多肽是否就是蛋白质？,2、 蛋白质的分类 根据化学组成可分为简单蛋白(simple protei
10、n) 和结合蛋白(conjugated protein)。 简单蛋白只由氨基酸组成。简单蛋白按溶解性、沉淀所需盐类浓度、分子大小及来源不同，又可分为七类：清蛋白(albumin)、球蛋白(globulin )、谷蛋白(glutelin)、醇溶谷蛋白(prolamine)、精蛋白(spermatine)、组蛋白(histone) 和硬蛋白(albuminoid)。 结合蛋白由单纯蛋白质与非蛋白物质结合而成，如血红蛋白。非蛋白质部分称为辅基(prosthetic group)。结合蛋白按辅基不同可分为五类：色蛋白(chromoprotein)、糖蛋白(glucoprotein)、磷蛋白(phosp
11、hoprotein)、核蛋白(nucleoprotein)、脂蛋白(lipoprotein)。,3、 蛋白质的结构 蛋白质是由一条或多条肽链按各种特殊方式组合成生物大分子。 蛋白质的结构可以分为四级。 蛋白质的一级结构(primary structure) 就是指肽链的数目、肽链中氨基酸的连接方式和排列顺序，以及二硫键(disulfide bond) 的数目与位置。二级以上是指空间结构。,（1）、蛋白质的一级结构 一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨 基酸的线性序列。在基因编码的蛋白质中，这种序列是由 mRNA中的核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共价键主要 指肽键（peptid
12、e bond）和二硫键（disulfide bond）,牛胰岛素的化学结构,（2）、 蛋白质的高级结构 A. 维持蛋白质空间构象的作用力 一条任意形状的多肽链不具有生物活性。蛋白质分子有特定的三维结构，在主链之间，侧链之间和主链与侧链之间存在着复杂的交互作用，使蛋白质分子在三维水平上形成一个有机整体。维持蛋白质空间构象的作用力可归纳为以下几种。 氢键 (hydrogen bond) 蛋白质分子内的氢键有多种形式，而主要的是肽链上的羰基与亚氨基之间形成的氢键。氢键存在于肽链之间，也存在于同一条肽链之中，对维持蛋白质的构象十分重要。 二硫键 (disulfide bond) 蛋白质分子中二硫键结合
13、比较牢固，是稳定蛋白质空间结构的一种因素。二硫键的数目越多，蛋白质越稳定。 酯键 (ester bond) 一般由氨基酸残基的羟基与二羧酸的或羧基脱水缩合而成。磷蛋白分子中的磷酸也可与羟基氨基酸残基形成磷酸酯键，酯键在蛋白质分子中不多。,疏水键 (hydrophobic bond) 蛋白质分子中疏水性较强的氨基酸(Val、Leu、Ile、Phe等) 残基的侧链避开水相彼此粘附在一起, 在分子内部形成孔穴，同时又使亲水性侧链留在分子表面。这是一种使体系能量趋于最低的有利过程。疏水键对维持蛋白质分子空间结构有一定作用。详细机理仍不太清楚。 盐键 (salt linkage) 在适当条件下，蛋白质分
14、子中的自由氨基和自由羧基可分别以正负离子形式存在，它们相互结合形成盐键。盐键的结合力比较牢固。但在蛋白质分子中盐键数量不多，且易受酸碱作用而破坏。 范德华力 (Van der Waals force) 蛋白质分子中还存在非极性基团的偶极与偶极间的相互作用，以及极性基团的偶极与偶极间的相互作用。 配位键 (coordinate bond) 许多蛋白质还需要金属离子参与维持其三、四级结构。这些金属离子通过配位键与肽链结合。当金属离子被除去时，蛋白质的结构会受到局部破坏，生理活性就减弱或丧失。,B 蛋白质的二级结构 指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式 （1）-螺旋（-helix） Pauling和C
15、orey于1965年提出。 结构要点： 1）肽键内CONH的4 个原子和相邻的两个碳原子处于同一个平面上；它的键长和键角与酰胺及二肽一样。 2) 肽键中的CN键比一般CN键短，具有部分双键性质，不能自由旋转；与CN键相连的原子是反式的。螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每个残基沿轴旋转100。 3）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键，氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形成。,4) R侧链基团伸向螺旋的外侧。 5）Pro(脯氨酸)的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。,（2）. 折叠 折叠片( pl
16、eated sheet )模型。在折叠结构中，肽链采取较为伸展的形式，称为构象。 各条肽链的长轴平行，相邻肽链之间借助氢键连成如图的片状结构。这种链间氢键由一条肽链的羰基和另一条肽链的亚氨基形成。在折叠片中，所有肽键参与构成链间氢键。氢键与肽链长轴接近垂直。 折叠片在长轴方向具有重复单位，因此也是一种二级结构。,C 蛋白质的三级结构(tertiary structure ) 指多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间的分布。即指肽链在二级结构基础上进一步折叠。 它主要由盐键、氢键、疏水键，某些情况下还有配位键来维持。蛋白质的三级结构实质是由氨基酸排列顺序决定的，是多肽链主链上各个单键旋转自由度受到限制的总结果。 D 蛋白质的四级结构(quaternary structure) 多肽亚单位（subunit）的空间排布和相互作用。亚单位间以非共价键连接。四级结构就是各个亚单位在寡聚蛋白质的天然构象中的排布方式。 四级结构由氢键、盐键、疏水键、范德华力等维持。,
