Transcript 2生命中的超分子
第2章 生命中的超分子化学 胡亚莉 绪论 生命体系是一个很好的超分子体系，很多对超 分子的合成设计都源自生物体系中发现的化学 现象。在生物化学中超分子的主体是酶、基因、 抗体和离子载体的接受位点。客体是底物、抑 制剂、辅助药物或者抗原。所有这些性质表现 出超分子化学的性质，例如分子识别、自组装 和动力学热力学补偿性。这些性质绝大部分依 赖于超分子相互作用，例如配位（离子-偶极） 键，氢键和∏- ∏堆积。在这一章。我们将给出 一些重要的与超分子化学联系的生物化学的简 单概述，通过研究超分子化学来研究生物化学 体系的进展情况。 2.1 生物化学中的碱金属阳离子 比如在能量传输过程中涉及到的一种酶Na+/K+ATP酶，超分 子碱金属阳离子传输在另外一些信号产生过程中也是非常重 要的.例如在视网膜 种视杆细胞和视锥细胞对可见光的响应过 程,碱金属阳离子在生物化学中起到的络合和传输等重要作用 是显而易见的。 2.2 卟啉和四吡咯大环 大环配体在生物化学中很常见，它们可以利用螯合和大环效应来 络合（甚至是取代不稳定的）金属离子。四吡咯大环化合物的重 要性还体现在，它们在很多需要很强的络合或者尺寸选择要求很 高的络合的情况下，可以和过渡金属或主族金属离子进行结合。 常见的例子有:钴胺素,维生素B12的活性形式,包括部分共轭 “咕啉”环体系,如图（a）;血红素络合物如图（c）所示,由 一个中心铁和一个取代的卟啉配体（b）组成. NH N NH N N N N HN (a) (b) 咕啉 卟啉 （ c）血红素 2.3 植物光合作用中的超分子特征 四吡咯镁络合物的作用 光合作用是绿色植物利用光能 ,把二氧化碳和水合成有 机物 ,并释放出氧气的过程 .光合作用合成的有机物 , 主要是碳水化合物 .光合作用的过程可用化学反应方程 式表达为 :ＣＯ2 +Ｈ2Ｏ光合作用(ＣＨ2 Ｏ) +Ｏ2 CO2 H2O (CH2O)n O2 光合作用 绿色植物与一些种类的细菌和海藻可以进行光合作用。 可见光范围是380-750nm,但是波长更长的可达 1000nm的光（能量很低）也有重要的贡献.在光合作用 中,有效转换这个能量范围的光需要大量不同的色素 （光的接受体或载体）.每种色素敏感于光谱某一特定部位,这 些色素包括叶绿素a和细菌叶绿素a,还有很多相关的受体,这些 受体都是四吡咯大环化合物.图为叶绿素a的结构 可看出叶绿素包含一个完全共轭的四吡咯∏-体系（185 ∏电子） 且伴随一个低能量的∏- ∏＊跃迁.叶绿素络合的Mg2+有助于色 素的排列.八面体Mg2+的两个自由轴向配位点络合在多肽侧链 上,色素产生3个锚合点,因而具有很好的空间取向。 血红蛋白吸收和运载氧 分子氧O2是那些呼吸空气的高等生物新陈代谢中至关重要 的一部分，它被用于氧化代谢糖类例如葡萄糖和蔗糖，并 伴随能量释放。为了使吸氧生物利用活性氧（这是有效的 光合作用的逆反应).O2有必要被吸收和传递给细胞线粒体， 在那里发生依靠“食物”（例如糖类）的呼吸作用，不会 伴随产生不可逆的反应或者自由基或氧化性损伤，血红蛋 白就是一个负载氧和传输氧的蛋白质。它是一种四聚体蛋 白质，包含4个肌红蛋白单元，每个肌红蛋白单元包括一个 称作血红素或Fe-原卟啉IX的铁卟啉络合物，如图所示 它通过八面体Fe(Ⅱ)中心轴和最接近的蛋白质组成 氨基酸残基的一个氮原子的络合连接在一个蛋白质 上，铁中心键合O2的可逆性是这一重要生物过程的 关键。 辅酶B12 另外一类基于四吡咯大环的有趣化学物质是辅酶B12 及其衍生物例如维生素B12.这些化合物结构如图所 示.它们都是Co(Ⅲ)和带有一个负电荷的配体咕啉环 的络合物,Co上剩余的电荷由一个完整的磷酸盐残基 和一个取代基X平衡.在辅酶的活性结构里,这个取代 基是一种碳负离子.因此辅酶及其衍生物是唯一真正 自然形成的有机金属络合物,Co-C键在生理条件下是 非常稳定的。 5,6-二甲基苯并咪唑 氰钴胺素 氰钴胺素 5′-脱氧腺苷钴胺素 甲基钴胺素 羟钴胺素 辅酶是生物催化体系的一部分。整个体系 必须有辅酶、一种脱辅 基酶蛋白和一种酶蛋白作用物。当辅酶和酶作用物被结合在脱辅 基酶蛋白上时，它们之间就会发生化学反应。脱辅基酶蛋白和辅 酶的结合物被定义为全酶辅酶B12与不同的脱辅基酶蛋白参与各 式各样的生物反应，这些反应包括Co-C键的均裂生成一个烷基自 由基（导致自由基重排反应），氧化还原反应还原成Co(Ⅱ)和 Co(Ⅰ)以及好、烷基化反应辅酶B12的研究一般围绕变位酶活性 或者蛋氨酸合成酶的甲基化进行，前者包括官能团的迁移，具有 显著的立体专一的1,2迁移，变位酶一般的机理是自由基机理 神经传递素和荷尔蒙 前面介绍了不同形式的金属阳离子的生物无机 化学，还存在着大量的生物化学研究.从超分子 意义上它们将分子和阴离子作为客体.在此说明 两类特殊的生物客体-荷尔蒙和神经传递素.它 们从广义上讲是作为信息载体和活性介质的.荷 尔蒙如人类的性荷尔蒙、雌激素、妊娠荷尔蒙、 孕酮等；神经传递素例如多巴胺和乙酰胆碱的 含量可能会严重影响神经行为，导致神经系统 的紊乱例如精神分裂症和帕金森综合症以及影 响人们思维过程中的化学性质. DNA DNA的结构和功能 DNA（脱氧核糖核酸）是包含构造生物体所必需的 所有遗传信息的分子。所有真核生物的细胞核都 含有DNA而且每个细胞核包含组装整个生物体的所 有的遗传密码-惊人的复制信息，结构如图所示 DNA呈现双螺旋结构，有两条相同的链，并通过氢键和∏∏相互作用连接在一起，其基本成分是核苷酸，它是由一 个连接在糖分子上的核碱（腺嘌呤A，鸟嘌呤G，胞嘧啶C， 胸腺嘧啶T）和一个磷酸盐尾部组成。如图所示 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 这些核苷酸通过糖-磷酸盐残基的聚合反应形成DNA单 链的骨架。碱基配对和∏- ∏堆积聚集形成DNA的双螺 旋是一个很好的超分子自组装的例子，而且使DNA可 以自复制，将已编码的遗传信息传递给RNA 定点突变 1993年的诺贝尔化学奖由Michael Smith和Mullis共 同获得，他们发展了定点突变和聚合酶链（PCR） 这样两个调整DNA的方法。定点突变是指通过聚合 酶链式反应（PCR）等方法向目的DNA片段（可以 是基因组，也可以是质粒）中引入所需变化（通常 是表征有利方向的变化），包括碱基的添加、删除、 点突变等。定点突变能迅速、高效的提高DNA所表 达的目的蛋白的性状及表征，是基因研究工作中一 种非常有用的手段。 定点突变可以使在DNA内部完成的编码重新 编制来产生具有多种新性质的蛋白质。它广 泛地应用在特定的抗体进攻特殊位点的蛋白 质工程中（例如攻击肿瘤细胞），为技术应 用制作更加稳定的蛋白质以及遗传疾病的治 疗。这个方法已经应用在谷物的基因工程来 生产出快速生长的和抗病的品系。GM食品 成为现在争论的中心，主要是因为公众和媒 体担心修饰的蛋白有不可预测的属性，尤其 是其长期效应，以及/或它会与“自然”多样 性来竞争的特性。 定点突变 是使用人工合成的引子，先与目标基因亲合 (2)，而此引子的核苷酸序列与目标基因互补，但其上 有一個核苷酸变异 (GTC→GCC)。然后补满双股核酸 (3)，再把此混成基因转殖进入宿主，则宿主菌的复制 系统将会因复制而产生两种质体 (4)，其一为原來的 野生型，转译可得原來的蛋白质 (5)；另一则为突变 型，转译則得到突变的蛋白质，但只改变了一個指定 位置的胺基酸 (6)。如图所示为定点突变过程 Site-directed mutagenesis Wild type CAG CAG GTC GTC (5) (1) translation Val CAG Wild type protein + primer Mutant CGG CAG primer GCC GCC Thr CAG GCC (4) replication Smith (1993) translation (6) + polymerase (3) Mutant protein Only one amino acid changed Val → Thr Juang RH (2004) BCbasics (2) 聚合酶链反应 (PCRPolymerase Chain Reaction) 聚合酶链链反应（PCR）是指由一对引物介导的 基因或克隆的特定DNA序列的酶促扩增的反应过 程，是DNA的体外扩增技术，本质是DNA的体外 复制——应用PCR技术可以使特定的基因或DNA 片段在短短的2－3小时扩增至百万倍。 PCR是DNA化学中另外一种很重要的新发展。PCR 能够大量合成一段特设DNA片段或者寡核苷酸片 段，而起始量只需要很少。这种技术被广泛应用 在法医鉴定上，可以从血样或组织的少量痕迹中 复制出大量足够用来分析的DNA数量 。 PCR是通过合成两条短的寡核苷酸来作用的两 条寡核苷酸正确地结合在要复制的DNA链的反义 链上,DNA聚合酶启动两条链的拷贝,从而生成2 条新的DNA链.加热样品使生成的双螺旋解链,可 以产生4条新链,成为合成另外4条链的模板。 与DNA的结合 许多癌症对铂络合物是高度敏感的，这类药物进入肿 瘤细胞，水解后呈羟基化物，该化合物与DNA的两个 鸟嘌呤碱基N7络合呈五元环，破坏了DNA的双螺旋结 构，进而丧失复制能力。铂络合物可以与肿瘤DNA结 合.几乎所有的活性抗肿瘤试剂都包含Pt（Ⅱ）,它具有 平面四边形的空间配位结构,并有两个顺式一级胺或二 级胺和两个更弱键合的配体,例如氯或羧酸根来配位.两 种最重要的铂类抗癌药物是顺铂和Carboplatin（碳 铂），如图所示 Cl H3N H3 N Pt H3N Cl ˳²¬(Cisplatin) OH Pt H3 N OH active O H3N O Pt O H3N O ¿¨²¬(Carboplatin) 生物化学中的自组装 DNA的双螺旋结构和分子为了能够成为自身复制和刻写 RNA的模板而解开的能力，很明显是与连接两条核苷链 的超分子作用而密切相关的。正是独立的核基内含的 信息“告诉”分子形成双螺旋结构的。这是众多自组 装现象中的一个例子，这种自组装在现代超分子化学 中是非常重要的.自组装体系可以这样去理解，它是两 个或更多元素进行可逆的组合，在绝大部分情况下形 成系统可得的热力学和动力学最稳定结构.严格的讲,形 成最终聚集体所需的信息一定是包含在参与反应组分 中。 蛋白质核糖核酸酶是蛋白质自组装的一个例子，它由 124个氨基酸残基组成，包括4个二硫键（-S-S-）.还原 这些键可以得到8个SH基团的还原蛋白质，它是完全变 性的（像酶的失活）。在尿素存在下蛋白质的氧化还原 （利用它的多样性的氢键作为一个变性试剂）产生蛋白 质凑拢（错误交叠）的混合物，其中蛋白质包含了105 种二硫化物键的可能组合中的大多数，加入β-巯基乙醇 引起二硫化物键在平衡过程中缓慢的断裂和重组；如果 尿素被移走，β-巯基乙醇被加入，没有凑拢的蛋白质会 给出具有全部酶活的核糖核酸酶。由此可以得出结论， 天然蛋白质代表最低吉布斯自由能的结构,并且组装蛋白 质所需的所有信息都存在于氨基酸序列中。 其他生物化学自组装的例子包括人类免疫 缺陷病毒1（HIV-1）蛋白酶的二聚，这种 酶在AIDS与造成普通感冒的具有二十面结 构的伤风病毒的集合和传染中是非常重要 的。除了DNA，大概最重要的生物化学自组 装的例子是烟草嵌合体病毒，该物质形成 的机理将在以后介绍。