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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 蛋白质·氨基酸·分析肽链
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日13:07:58 星期六), 站内信件



　　　　　　         分析肽链


　　发现一种蛋白质的经验式只是工作的一半——实际上远不到
一半，更为艰巨的工作是破译一种蛋白质分子的结构。有充分的
理由相信，每一种蛋白质的性质完全取决于所有那些氨基酸在分
子的链上是怎样（按什么次序）排列的。这就给生物化学家提出
了一个难题。即使每种氨基酸只用一次，19种氨基酸在一条链上
可能的排列方式也有大约12亿亿种。如果你觉得这个数目难以置
信，试求 19×18×17×16×……的值，这就是求有多少种可能
的排列方式的方法。如果你不相信算术，可以找出19个棋子，在
棋子上依次标上1至19，看看你能把它们排列成多少种不同的次
序。我保证，这个游戏你很快就会玩不下去的。

　　如果你有一个像血清清蛋白那样由500多个氨基酸组成的蛋
白质，那么它可能的排列方式就会有大约1×10600种，即在1的
后面加600个零。这简直是一个大得难以相信的数目，比整个已
知宇宙中亚原子粒子的数目还要大得多。换句话说，就此而言，
即使把这些粒子都压结实，宇宙也远远容纳不下。

　　虽然在那么多可能的排列方式中，要弄清楚一个血清清蛋白
分子到底属于哪一种，似乎是没有希望的，但是这类问题实际上
已经得到了处理和解决。

　　1945年，英国生物化学家桑格着手确定一条肽链中氨基酸的
排列次序。他首先试图鉴定出肽链一端（氨基端）的氨基酸。

　　显然，这一端的氨基酸（称做N末端氨基酸）的氨基是游离
的，就是说，不与另一个氨基酸相连接。桑格使用了一种能够与
游离的氨基结合、但不能与已经跟羧基连接的氨基结合的化学药
品，制取了肽链的一种DNP（二硝基苯酚）衍生物。利用DNP，他
可以标记出N末端氨基酸。因为把DNP结合在一起的键比把链上的
氨基酸结合在一起的键力量大，所以它能够把链分解成单个的氨
基酸，并把带有DNP标记的那一个氨基酸分离出来。碰巧DNP基为
黄色，因此这种特殊的氨基酸同其DNP标记一起，在纸色谱图上
呈现为一个黄色的斑点。

　　因此，桑格能够分离并鉴定出一条肽链的氨基端的氨基酸。
用同样的方法，他鉴定出链另一端的氨基酸——含有一个游离羟
基的氨基酸，叫做C末端氨基酸。他还多次把一条肽链中的一些
其他氨基酸一个一个地切割下来，并鉴定出它的末端顺序。

　　桑格进而研究整条肽链。他选用的是胰岛素。这种蛋白质有
两个优点：一是它对人体的功能有非常重要的作用；二是它是一
种比较小的蛋白质，胰岛素的最简式分子量只有 6 000。DNP处
理表明，这种蛋白质分子由两条肽链组成，因为它含有两种不同
的N末端氨基酸。这两条链是由一些胱氨酸分子连接起来的。桑
格用化学的方法断开胱氨酸中两个硫原子之间的键，把胰岛素分
子分成它的两条肽链，每一条都完整无损。其中一条链的N末端
氨基酸为甘氨酸（称之为G链），另一条链的N末端氨基酸是苯丙
氨酸（称之为P链）。现在可以对这两条链分别进行研究了。

　　桑格和他的同事塔皮首先把G链和P链分解成单个的氨基酸，
从而鉴定出组成G链的21个氨基酸和组成P链的30个氨基酸。接着，
为了了解排列顺序的情况，他们就把G链和P链分解成由2～3个氨
基酸组成的碎片，而不分解为单个的氨基酸。这个任务可以通过
部分水解的方法来完成，水解仅断开链中比较弱的键；也可以通
过用某些消化物质攻击胰岛素的方法来完成，这些消化物质只断
开氨基酸之间的某些键而不损害其他键。

　　利用这些方法，桑格和塔皮把G链和P链分别分解成许多不同
的片段。例如，把P链分解成48个不同的片段，其中由2个氨基酸
（二肽）组成的片段22个，由3个氨基酸组成的片段14个，由3个
以上的氨基酸组成的片段12个。

　　经过分离的各种小的肽，用纸色谱法可以再分解成单个的氨
基酸。现在研究者们准备测定这些片段中氨基酸的顺序了。假如
他们有一个由缬氨酸和异亮氨酸组成的二肽。问题会是：顺序是
Val－lleu还是Ileu－Val？换句话说，N末端氨基酸是缬氨酸还
是异亮氨酸？（氨基以及相继的N末端单元，通常认为在一条链
的左端。）对此，DNP标记可以回答这个问题。如果DNP标记出现
在缬氨酸上，那么，缬氨酸就是N末端氨基酸，从而可以确认这
个二肽的排列顺序是Val－Ileu。如果DNP标记出现在异亮氨酸上，
排列顺序则为Ileu－Val。

　　一个由3个氨基酸组成的片段，其排列顺序也可以确定出来。
假如一个片段的组成是亮氨酸、缬氨酸和谷氨酸。DNP试验可以
首先鉴定出N末端氨基酸。比方说，如果是亮氨酸，那么，排列
顺序不是Leu－Val－Gin就是Leu－Glu－Val。然后人工合成这两
种组合，并分别滴在滤纸上，使成为色谱图上的斑点，再看看哪
一种组合在滤纸上占的位置与被研究的片段所占的位置相同。

　　对于含有3个以上氨基酸的肽，可以把它们先分解成比较小
的片段，然后再进行分析。

　　用这种方法把胰岛素分子分成的所有片段的结构确定以后，
下一步就是按照它们在链中的正确次序，把这些片段连接在一起
——就像小孩玩拼板玩具那样。这里有许多线索可寻。例如，已
知G链只含有1个单位的氨基酸——丙氨酸，在从分解G键所得到
的肽混合物中，发现丙氨酸有两种组合方式：丙氨酸-丝氨酸和
胱氨酸-丙氨酸。因此，在完整的G链中，排列次序一定是CyS－
Ala－Ser。

　　利用这些线索，桑格和塔皮逐渐地把这些片段拼到了一起。
把所有的片段都确认出来，并以完全满意的顺序把它们排列出来，
要花费几年的时间。但是到了1952年，他们就研究出了G链和P链
中所有氨基酸的精确的排列次序，接着他们继续研究两条链是怎
样连接起来的。1953年，他们宣布终于胜利地破译了胰岛素的结
构。一种重要的蛋白质分子的全部结构第一次被研究出来了。由
于这一成就，桑格获得了1958年的诺贝尔化学奖。

　　生物化学家们立即采用桑格的方法来确定其他蛋白质分子的
结构。1959年，攻克了核糖核酸酶，这是一种由含有124个氨基
酸的单个肽链组成的蛋白质分子；1960年，研究出了含有158个
氨基酸的烟草花叶病毒的蛋白质单位；1964年，破译了一种含有
223个氨基酸的蛋白质——胰蛋白酶；到1967年，这种研究技术
实际上已经自动化了。瑞士血统的美国生物化学家埃德曼设计了
一种顺序分析仪，可以把5毫克纯蛋白质的氨基酸一个一个地分
离和鉴定出来。肌红蛋白链的60个氨基酸就是用这个方法在4天
内鉴定出来的。

　　人们已经详细地研究出了更长的肽链。到20世纪80年代，任
何蛋白质，不论有多大，其详细结构都可以确定出来。只要不怕
麻烦，就毫无疑问。

　　总的来说，这些分析表明，大部分蛋白质都能在它们的链上
充分显示出所有（或几乎所有）不同的氨基酸。只有几种比较简
单的纤维状蛋白，如丝中或腱中发现的那些蛋白，偏重于2~3种
氨基酸。

　　在由全部19种氨基酸组成的那些蛋白质中，单个的氨基酸没
有明显的排列次序，也很少发现有周期性的重复。这些氨基酸是
这样排列的，当链通过在各处形成的氢键而折叠起来的时候，各
种侧链能构成一个含有正确排列次序的原子团或电荷图样的表面，
从而使蛋白质发挥其功能。




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