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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-Ileu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
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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-Glu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链所
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
和肽氨酸…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
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
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。
合成蛋白质
一旦弄清楚了多肽链中氨基酸的顺序,人们就可以着手完全
按照那种正确的顺序把氨基酸结合在一起了。当然,一开始合成
的是一种小的蛋白质。在实验室中合成的第一种蛋白质是催产
素,一种对人体有许多重要功能的激素。催产素是一种极小的蛋
白质分子,只含有
8个氨基酸。1953年,美国生物化学家迪维尼
奥成功地合成了一种与催产素的特征完全相似的肽链,而且,这种
合成肽的确显示出自然激素的全部特性。迪维尼奥获得了
1955
年的诺贝尔化学奖。
在以后的几年中,人们合成出了更复杂的蛋白质分子;但是要
用按照特殊顺序排列的特殊氨基酸合成一种特殊的分子,打个比
方说,就必须像穿串珠一样,一次只穿一个。这件事情在
20世纪
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50年代如同在半个世纪以前的
E。 费歇尔时代一样困难。每次把
一个特殊的氨基酸连接到一条链上,都必须用繁琐的方法把这种
新的化合物同所有其他的部分分离,然后再重新开始连接另一个
特殊的氨基酸。在每一步骤中都会有大部分物质在副反应中失
去,因此,即使简单的链,能合成的量也很小。
但是,1959年初,由美国生物化学家梅里菲尔德领导的一个
小组,在新的方向上有了突破。所需要的链的开头的一个氨基酸
被连接在用聚苯乙烯树脂制成的串珠上。这些串珠在所使用的溶
液中不溶解,而且通过简单的过滤就能够同其他所有的物质分离。
把含有第二个氨基酸的新溶液加进去,第二个氨基酸就会接在第
一个上。再过滤,然后再倒入含有第三个氨基酸的新溶液。加溶
液的步骤非常简单迅速,因此可以自动化,而且几乎没有任何损
失。1965年,用这种方法合成了胰岛素分子;
1969年,合成了更长
的核糖核酸酶的链,共含有
124个氨基酸;接着,
1970年,中国血
统的美国生物化学家李卓浩合成了有
188个氨基酸链的人体生长
激素。原则上讲,只要具有足够的耐心,任何蛋白质现在都能人工
合成。
蛋白质分子的形状
认识到蛋白质分子是一串氨基酸(打个比方)以后,人们希望
对蛋白质分子能有更多的了解。氨基酸链究竟是以什么方式扭曲
的呢?蛋白质分子的确切形状是什么样的呢?
奥地利血统的英国化学家佩鲁茨和他的英国同事肯德鲁着手
研究这个问题。佩鲁茨把血红蛋白作为研究对象。血红蛋白是血
液中载氧的蛋白质,含有大约
12 000个原子。肯德鲁则挑选了肌
红蛋白,一种在功能上类似血红蛋白的肌肉蛋白质,但在大小上只
有血红蛋白的
1/4。他们使用的是
X射线衍射分析法。
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
佩鲁茨使用的装置能够把一些蛋白质分子和一个大质量原子
(如金或汞的原子)结合起来,因为这些大质量原子衍射
X射线的
效率特别高。这样,他得到很多线索,从而更精确地推断出在没有
大质量原子的情况下血红蛋白分子的结构。到
1959年,肌红蛋白
分子的结构弄清楚了,第二年血红蛋白分子的结构也研究出来了。
这样就可以制造出它们的立体模型,使每一单个原子都安置在看
上去很可能是正确的位置。结果,佩鲁茨和肯德鲁分享了
1962年
的诺贝尔化学奖。
有理由认为,利用佩鲁茨…肯德鲁技术得出的这些立体结构,
终归要由那一串氨基酸的性质来确定。打个比方说,氨基酸串具
有一些自然折皱点,当它们弯曲的时候,必然会发生某些相互联
系,从而使氨基酸串适当地折叠起来。通过计算出所有原子间的
距离和连接键所放置的角度,就能够确定这些折叠和相互联系的
情况,但这确实是一项繁琐的工作。这项工作也已经利用计算机
了:不仅用计算机进行计算,而且还让计算机把结果显示在屏幕
上。
不管怎样,已经知道立体形状详细情况的蛋白质分子的数目
正在迅速增加。胰岛素作为向分子生物学发起新的攻击的起点,
它所具有的立体形状是英国生物化学家
D。 C。 霍奇金
1969年研
究出来的。
酶
蛋白质�