生物化学 · 原理精讲 · 中英对照

第二章 氨基酸、肽和蛋白质

《Lehninger 生物化学原理》第八版 — 第3章 氨基酸、肽和蛋白质

Lehninger Principles of Biochemistry, Eighth Edition — Chapter 3 Amino Acids, Peptides, and Proteins · David L. Nelson; Michael M. Cox · 110 段教材原文 · 25 幅插图
From the textbook

Proteins mediate virtually every process that takes place in a cell, exhibiting an almost endless diversity of functions. To explore the molecular mechanism of a biological process, a biochemist almost inevitably studies one or more proteins. Proteins are the most abundant biological macromolecules, occurring in all cells and all parts of cells. Proteins also occur in great variety; thousands of different kinds may be found in a single cell. Proteins are the molecular instruments through which genetic information is expressed — the important final products of the information pathways discussed in Part III of this book.

开篇导读

蛋白质介导细胞中几乎所有的过程,表现出几乎无穷无尽的功能多样性。为了探究某一生物学过程的分子机制,生物化学家几乎不可避免地要研究一种或多种蛋白质。蛋白质是含量最丰富的生物大分子,存在于所有细胞以及细胞的所有部位。蛋白质的种类也极其繁多;单个细胞中就可能存在数千种不同的蛋白质。蛋白质是遗传信息得以表达的分子工具——它们是本书第三部分所讨论的信息传递途径的重要终产物。

氨基酸共有的结构特征:α-碳、通式与三/单字母符号Amino Acids Share Common Structural Features

笔记 考点一:氨基酸——蛋白质的单体亚基笔记 考点一:氨基酸的结构通式与符号
Original text

Proteins are polymers of amino acids, with each amino acid residue joined to its neighbor by a specific type of covalent bond. (The term “residue” reflects the loss of the elements of water when one amino acid is joined to another.) Proteins can be broken down (hydrolyzed) to their constituent amino acids by a variety of methods, and the earliest studies of proteins naturally focused on the free amino acids derived from them.

中文翻译

蛋白质是氨基酸的聚合物,其中每一个氨基酸残基都通过一种特定类型的共价键与相邻的氨基酸相连。(“残基”一词反映了当一个氨基酸与另一个氨基酸连接时,失去了水的组成元素。)蛋白质可以用多种方法降解(水解)为其组成氨基酸,因此早期对蛋白质的研究自然而然地集中在由蛋白质水解得到的游离氨基酸上。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 360
Original text

Twenty different amino acids are commonly found in proteins. The first to be discovered was asparagine, in 1806. The last of the 20 to be found, threonine, was not identified until 1938. All the amino acids have trivial or common names, in some cases derived from the source from which they were first isolated. Asparagine was first found in asparagus, and glutamate in wheat gluten; tyrosine was first isolated from cheese (its name is derived from the Greek tyros, “cheese”); glycine (Greek glykos, “sweet”) was so named because of its sweet taste.

中文翻译

蛋白质中常见的氨基酸有 20 种。最早被发现的是天冬酰胺,时间是 1806 年。这 20 种氨基酸中最后被发现的是苏氨酸,直到 1938 年才被鉴定出来。所有氨基酸都有俗名或通用名,其中一些名称来源于它们最初被分离出来的材料。天冬酰胺最早是在芦笋中发现的,谷氨酸最早发现于小麦面筋中;酪氨酸最早从奶酪中分离得到(其名称来自希腊语 tyros,意为“奶酪”);甘氨酸(希腊语 glykos,意为“甜”)则因其甜味而得名。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 360
原理解读

这两段把“氨基酸—残基—蛋白质”的关系钉死:蛋白质是氨基酸通过共价键(后文的肽键)连成的聚合物;一旦成键,每个单元就要脱去一分子水的组成元素,因此在链中的单元不再叫“氨基酸”而叫“残基(residue)”。中文笔记考点一里“组成蛋白质的基本单位是氨基酸、蛋白质水解的最终产物是氨基酸、20 种常见氨基酸”都对应这里。考试常见考法:①名词解释“残基”,标准答法必须点出“失去水的组成元素后留在肽链中的氨基酸单元”,计算多肽分子量时也据此扣掉 18×(n−1);②填空/选择考“蛋白质中常见氨基酸有多少种”(20 种,注意是“常见/编码”氨基酸,不等于自然界氨基酸总数);③甘氨酸、酪氨酸命名来源属于常识性冷门点,一般只作干扰项,不必深记。

Original text

Learning the names, structures, and chemical properties of the 20 common amino acids found in proteins is one of the key memorization trials of every beginning biochemistry student. The necessity rapidly becomes apparent in succeeding chapters. It is impossible to discuss protein structure, protein function, ligand-binding sites, enzyme active sites, and most other biochemical topics without this foundation. The amino acids are part of the biochemistry vocabulary.

中文翻译

学习蛋白质中 20 种常见氨基酸的名称、结构和化学性质,是每一位生物化学初学者都要经历的关键记忆考验之一。在随后的各章中,这种必要性会迅速显现出来。如果没有这一基础,就不可能讨论蛋白质结构、蛋白质功能、配体结合位点、酶活性位点以及大多数其他生物化学主题。氨基酸是生物化学词汇的组成部分。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 360
Original text

All 20 of the common amino acids are α-amino acids. They have a carboxyl group and an amino group bonded to the same carbon atom (the α carbon) (Fig. 3-2). They differ from each other in their side chains, or R groups, which vary in structure, size, and electric charge, and which influence the solubility of the amino acids in water. In addition to these 20 amino acids, there are many less common ones.

中文翻译

20 种常见氨基酸全都是 α-氨基酸。它们都有一个羧基和一个氨基连接在同一个碳原子(即 α 碳)上(图 3-2)。它们彼此之间的区别在于侧链,即 R 基团;R 基团在结构、大小和电荷上各不相同,并影响氨基酸在水中的溶解度。除这 20 种氨基酸之外,还有许多不太常见的氨基酸。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 360
原理解读

这是考点一的核心原文:①“α-氨基酸”指氨基与羧基连在同一个碳(α-碳)上——这是回答“组成蛋白质的氨基酸有何共同结构特点”的第一句话;②通式为 R—CH(NH₂)—COOH,20 种氨基酸的差别全部落在 R 基团上;③R 基团决定大小、形状、电荷、亲/疏水性,因而决定后面所有分类与性质。写简答题时的标准骨架是“同一个 α-碳上连有:一个 —COOH、一个 —NH₃⁺、一个 H、一个 R;除甘氨酸外 α-碳为手性碳;蛋白质中的氨基酸均为 L-α-氨基酸”。注意脯氨酸是唯一例外——它的 α-氨基是仲氨基(亚氨基),所以严格说是“亚氨基酸”,常作为选择题陷阱。

图 3-2 氨基酸的通式结构。除一种 α-氨基酸外,所有 α-氨基酸都具有这一结构。(脯氨酸是环状氨基酸,属于例外。)连接在 α 碳(灰色)上的 R 基团即侧链(紫色)在每种氨基酸中各不相同。
图注 · 图 3-2 氨基酸的通式结构。除一种 α-氨基酸外,所有 α-氨基酸都具有这一结构。(脯氨酸是环状氨基酸,属于例外。)连接在 α 碳(灰色)上的 R 基团即侧链(紫色)在每种氨基酸中各不相同。
Caption · FIGURE 3-2 General structure of an amino acid. This structure is common to all but one of the α-amino acids. (Proline, a cyclic amino acid, is the exception.) The R group, or side chain (purple), attached to the α carbon (gray) is different in each amino acid.
怎么看 · 先认准中心的 α-碳同时连接 α-氨基、α-羧基、H 和 R 四个基团——这是「α-氨基酸」定义与手性的来源。考研常考:图中氨基酸画成两性离子(COO⁻/H₃N⁺)而非中性 COOH/NH₂,因为生理 pH 下就是这种解离态;除甘氨酸(R=H)外 α-碳均为手性碳。
讲解 · 背默通式就背这张图:α 碳居中,上接 —NH₃⁺、下接 —COO⁻、侧接 R 与 H。图中特意用 pH 7 下的离子化形式(—NH₃⁺/—COO⁻)而不是中性式,这正好是考点三“氨基酸在生理 pH 下以兼性离子存在”的图示依据;答题时画通式建议直接画兼性离子形式,更稳妥。
图内标注中英对照 · 6 条
English中文
COO⁻COO⁻(α-羧基,红球)
H₃N⁺H₃N⁺(α-氨基,蓝球)
Cα(α-碳,手性中心,灰球)
HH(氢原子,白球)
RR(侧链基团/R 基,紫球)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021(图右侧竖排)
Original text

The three-letter code is easily understood, the abbreviations generally consisting of the first three letters of the amino acid name. The one-letter code was devised by Margaret Oakley Dayhoff, considered by many to be the founder of the field of bioinformatics. The one-letter code reflects an attempt to reduce the size of the data files (in an era of limited computer memory) used to describe amino acid sequences. It was designed to be easily memorized, and understanding its origin can help students do just that.

中文翻译

三字母代码很容易理解,这些缩写通常由氨基酸名称的前三个字母组成。单字母代码由 Margaret Oakley Dayhoff 创立,许多人认为她是生物信息学领域的奠基人。单字母代码体现了在计算机内存有限的年代,人们试图缩小用于描述氨基酸序列的数据文件体积的努力。它的设计便于记忆,而了解其由来正可以帮助学生做到这一点。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 361
Original text

For six amino acids (CHIMSV), the first letter of the amino acid name is unique and thus is used as the symbol. For five others (AGLPT), the first letter of the name is not unique but is assigned to the amino acid that is most common in proteins (for example, leucine is more common than lysine).

中文翻译

对于其中 6 种氨基酸(CHIMSV),氨基酸名称的首字母是唯一的,因此就用首字母作为其符号。另有 5 种(AGLPT),名称的首字母并不唯一,于是把该字母分配给蛋白质中最常见的那一种氨基酸(例如亮氨酸比赖氨酸更常见,L 就给了亮氨酸)。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 361
原理解读

缩写符号是笔记考点一的“必背表”。三字母缩写基本等于英文名前三个字母,只有 Asn/Gln/Trp/Ile 等需要留意;单字母符号的分配规则按这段原文分三类记:①首字母唯一的 6 个 C、H、I、M、S、V;②首字母冲突时给最常见者的 5 个 A、G、L、P、T;③其余靠谐音或名称内部字母(R=aRginine、F=Fenylalanine、Y=tYrosine、W=tryptophan,D/N/E/Q 取自名称内部,K 因与 L 相邻而给赖氨酸)。考研中缩写主要出现在“写出下列氨基酸的三字母缩写/根据序列判断电荷”一类题,L=Leu(亮氨酸)而 K=Lys(赖氨酸)是最高频的混淆点。

术语对照
  • 残基residue成肽后失去水的组成元素而留在链中的氨基酸单元;名词解释高频
  • α-氨基酸α-amino acid氨基与羧基连在同一 α 碳上;蛋白质中 20 种常见氨基酸全部属此类
  • 侧链 / R 基团side chain / R group20 种氨基酸的唯一结构差异所在,决定极性、电荷与分类
  • 三字母缩写 / 单字母符号three-letter abbreviation / one-letter symbol序列书写与判断电荷题必备

手性、对映体与 D/L 构型:蛋白质中的氨基酸都是 L 型The Amino Acid Residues in Proteins Are L Stereoisomers

笔记 考点一:氨基酸的立体化学(α-碳为手性碳)笔记 考点五:氨基酸的光学性质(旋光性、D/L 与左右旋的区别)
Original text

For all the common amino acids except glycine, the α carbon is bonded to four different groups: a carboxyl group, an amino group, an R group, and a hydrogen atom (Fig. 3-2; in glycine, the R group is another hydrogen atom). The α-carbon atom is thus a chiral center (p. 61). Because of the tetrahedral arrangement of the bonding orbitals around the α-carbon atom, the four different groups can occupy two unique spatial arrangements, and thus amino acids have two possible stereoisomers. Since they are nonsuperposable mirror images of each other (Fig. 3-3), the two forms represent a class of stereoisomers called enantiomers (see Fig. 1-21).

中文翻译

除甘氨酸外,所有常见氨基酸的 α 碳都连接着四个不同的基团:一个羧基、一个氨基、一个 R 基团和一个氢原子(图 3-2;在甘氨酸中,R 基团是另一个氢原子)。因此 α 碳原子是一个手性中心(第 61 页)。由于 α 碳原子周围成键轨道呈四面体排布,这四个不同的基团可以有两种独特的空间排列方式,因此氨基酸有两种可能的立体异构体。由于二者互为不可重叠的镜像(图 3-3),这两种形式属于一类称为对映异构体(对映体)的立体异构体(见图 1-21)。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 361
原理解读

这段是“为什么氨基酸有旋光性”的完整逻辑链:四个不同取代基 → α-碳为手性(不对称)碳 → 四面体排布下有两种空间排列 → 互为镜像且不可重叠 → 对映体 → 具旋光性。笔记考点一“除甘氨酸外都有手性碳”与考点五“旋光性”都由此而来。标准答题点:①甘氨酸 R=H,α-碳连有两个 H,无手性碳,无旋光性,是唯一例外;②苏氨酸和异亮氨酸的侧链上还有第二个手性碳,因此各有 4 种立体异构体(2ⁿ 规则),这是选择题的经典设问;③对映体在普通化学环境中理化性质相同,只有旋光方向相反、在手性环境(酶)中行为不同。

图 3-3 α-氨基酸的立体异构现象。(b、c)表示立体异构体空间构型的两种不同书写惯例。在透视式(b)中,实楔形键伸出纸面,虚线键伸向纸面之后;在投影式(c)中,横向的键被默认伸出纸面,纵向的键伸向纸面之后。
图注 · 图 3-3 α-氨基酸的立体异构现象。(b、c)表示立体异构体空间构型的两种不同书写惯例。在透视式(b)中,实楔形键伸出纸面,虚线键伸向纸面之后;在投影式(c)中,横向的键被默认伸出纸面,纵向的键伸向纸面之后。
Caption · FIGURE 3-3 Stereoisomerism in α-amino acids. (b, c) Two different conventions for showing the configurations in space of stereoisomers. In perspective formulas (b), the solid wedge-shaped bonds project out of the plane of the paper, the dashed bonds behind it. In projection formulas (c), the horizontal bonds are assumed to project out of the plane of the paper, the vertical bonds behind.
怎么看 · 按 (a)(b)(c) 三行对照看同一对对映体的三种画法:球棍→透视式→费歇尔投影式。考研重点:费歇尔投影中「横前竖后」的约定,以及判读规则——α-氨基画在左侧为 L 型、右侧为 D 型;蛋白质中只用 L-氨基酸。
讲解 · 这张图解决两件事:①用丙氨酸说明一对对映体“互为镜像、不可重叠”;②讲清 Fischer 投影式的读法——横键朝前、竖键朝后。凡是要求“画出 L-丙氨酸的 Fischer 投影式”的题,必须按此惯例作图,否则画出来的其实是 D 型。
图内标注中英对照 · 10 条
English中文
(a)(a) 分图 a:球棍模型(对映体互为镜像、不可重叠)
COO⁻COO⁻(α-羧基)
H₃N⁺H₃N⁺(α-氨基)
Cα(α-碳,手性中心)
HH(氢)
CH₃CH₃(甲基,丙氨酸的 R 基,红色标示)
L-AlanineL-丙氨酸(L-Alanine,Ala/A)
D-AlanineD-丙氨酸(D-Alanine)
(b)(b) 分图 b:透视式(楔形实线键指向纸面外,虚线键指向纸面内)
(c)(c) 分图 c:投影式(费歇尔投影:横键朝向纸面外,竖键朝向纸面内)
Original text

For most other organic molecules, carbon atoms are simply numbered from one end, giving highest priority (C-1) to the carbon with the substituent containing the atom of highest atomic number. Within this latter convention, the carboxyl carbon of an amino acid would be C-1 and the α carbon would be C-2.

中文翻译

对于大多数其他有机分子,碳原子只是从一端开始编号,把最高的编号优先级(C-1)赋予连接着含最高原子序数原子的取代基的那个碳。按照后一种惯例,氨基酸的羧基碳应为 C-1,而 α 碳应为 C-2。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 363
原理解读

氨基酸有两套碳原子编号体系:希腊字母体系(从 α 碳向外依次为 β、γ、δ、ε)与数字体系(从羧基碳开始 C-1、C-2……)。笔记里赖氨酸“ε-氨基”、谷氨酸“γ-羧基”、丝氨酸磷酸化位点等都用希腊字母;而 4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等修饰氨基酸的命名用数字。考试中容易被问到“赖氨酸的第二个氨基位于哪个碳上”(ε 碳)、“γ-羧基谷氨酸的修饰位置”(γ 碳),记住 α→β→γ→δ→ε 与 C-2→C-3→C-4→C-5→C-6 的对应即可。

Original text

For all chiral compounds, stereoisomers having a configuration related to that of L-glyceraldehyde are designated L, and stereoisomers related to D-glyceraldehyde are designated D. The functional groups of L- alanine are matched with those of L-glyceraldehyde by aligning those that can be interconverted by simple, one-step chemical reactions. Thus the carboxyl group of L-alanine occupies the same position about the chiral carbon as does the aldehyde group of L-glyceraldehyde, because an aldehyde is readily converted to a carboxyl group via a one-step oxidation.

中文翻译

对于所有手性化合物,凡构型与 L-甘油醛相关的立体异构体都被指定为 L 型,与 D-甘油醛相关的立体异构体则被指定为 D 型。把 L-丙氨酸的官能团与 L-甘油醛的官能团对应起来时,依据的是那些能够通过简单的一步化学反应相互转化的基团。因此,L-丙氨酸的羧基在手性碳周围所占的位置,与 L-甘油醛的醛基所占的位置相同,因为醛基很容易经一步氧化反应转变为羧基。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 363
Original text

However, not all L-amino acids are levorotatory, and the convention shown in Figure 3-4 was needed to avoid potential ambiguities about absolute configuration. By Fischer’s convention, L and D refer only to the absolute configuration of the four substituents around the chiral carbon, not to optical properties of the molecule.

中文翻译

然而,并非所有 L-氨基酸都是左旋的,因此需要采用图 3-4 所示的这一惯例,以避免在绝对构型上可能产生的歧义。按照 Fischer 的惯例,L 和 D 仅指手性碳周围四个取代基的绝对构型,而不指分子的旋光性质。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Share Common Structural Features · 教材 p. 363
原理解读

这是考点五里最容易失分的一条:D/L 与 (+)/(−)(右旋/左旋)是两套完全不同的标记。D/L 由 Fischer 以甘油醛为参照定义,描述的是绝对构型(空间排列);(+)/(−) 或 d/l 描述的是分子实际使旋光面偏转的方向,只能由实验测定。L-型氨基酸不一定左旋——例如 L-丙氨酸实际是右旋的。常见考法:判断题“L-氨基酸都是左旋氨基酸”(错);简答题要求解释 D/L 体系的参照物(甘油醛)与建立者(Emil Fischer,1891 年)。此外还有更精确的 R/S 体系,用于含多个手性中心的分子的系统命名。

(图 3-4 图注节选)在这些透视式中,碳原子垂直排成一列,手性碳位于中间。分子中的碳从末端的醛基碳或羧基碳(红色)开始编号,如图所示自上而下为 1 到 3。按这种方式书写时,氨基酸的 R 基团(此处为丙氨酸的甲基)总是位于 α 碳的下方。
图注 · (图 3-4 图注节选)在这些透视式中,碳原子垂直排成一列,手性碳位于中间。分子中的碳从末端的醛基碳或羧基碳(红色)开始编号,如图所示自上而下为 1 到 3。按这种方式书写时,氨基酸的 R 基团(此处为丙氨酸的甲基)总是位于 α 碳的下方。
Caption · In these perspective formulas, the carbons are lined up vertically, with the chiral atom in the center. The carbons in these molecules are numbered beginning with the terminal aldehyde or carboxyl carbon (red), 1 to 3 from top to bottom as shown. When presented in this way, the R group of the amino acid (in this case the methyl group of alanine) is always below the α carbon.
怎么看 · 上下两行对齐着看:甘油醛(参照物)在上、丙氨酸在下,碳链竖直排列、手性碳居中、1 号碳(醛基或羧基,红色)在最上。考研重点:D/L 命名是「相对构型」,以甘油醛为基准,判读口诀是 R 基在 α-碳下方时,α-氨基在左即 L、在右即 D。
讲解 · 这张图给出 D/L 判定的操作规则:把羧基(或醛基)写在最上、R 基写在最下,则 α-氨基写在左边的是 L 型,写在右边的是 D 型(口诀“左 L 右 D”)。考试中凡给出 Fischer 投影式要求判断 D/L,一律按此规则;注意先确认碳链方向摆放正确再判断,上下颠倒会得到相反结论。
图内标注中英对照 · 16 条
English中文
1 (superscript on CHO)1(碳原子编号 1,标在 CHO 上,从醛基/羧基碳开始编号)
CHOCHO(醛基,红色)
HOHO(羟基)
2 (superscript on C)2(碳原子编号 2,手性碳)
HH(氢)
3 (superscript on CH₂OH)3(碳原子编号 3)
CH₂OHCH₂OH(羟甲基)
L-GlyceraldehydeL-甘油醛
D-GlyceraldehydeD-甘油醛
COO⁻COO⁻(α-羧基,红色)
H₃N⁺H₃N⁺(α-氨基)
CC(α-碳,手性中心)
NH₃⁺NH₃⁺(α-氨基,位于右侧者为 D 型)
CH₃CH₃(甲基,丙氨酸 R 基)
L-AlanineL-丙氨酸
D-AlanineD-丙氨酸
Original text

Nearly all biological compounds with a chiral center occur naturally in only one stereoisomeric form, either D or L. The amino acid residues in protein molecules are almost all L stereoisomers, with less than 1% being found in the D-configuration.

中文翻译

几乎所有具有手性中心的生物化合物在自然界中都只以一种立体异构形式存在,或为 D 型,或为 L 型。蛋白质分子中的氨基酸残基几乎全都是 L 型立体异构体,只有不到 1% 以 D 构型存在。

§3.1 Amino Acids — The Amino Acid Residues in Proteins Are L Stereoisomers · 教材 p. 364
Original text

It is remarkable that virtually all amino acid residues in proteins are L stereoisomers. When chiral compounds are formed by ordinary chemical reactions, the result is a racemic mixture of D and L isomers, which are difficult for a chemist to distinguish and separate.

中文翻译

值得注意的是,蛋白质中几乎所有的氨基酸残基都是 L 型立体异构体。当手性化合物通过普通化学反应生成时,得到的是 D 型和 L 型异构体的外消旋混合物,而化学家很难把它们区分开并加以分离。

§3.1 Amino Acids — The Amino Acid Residues in Proteins Are L Stereoisomers · 教材 p. 364
原理解读

“蛋白质中的氨基酸都是 L-α-氨基酸”是考点一必答句。原文补充了两层原理,可直接用作简答题的展开:①化学合成得到的是 D/L 外消旋体,而细胞能专一地合成 L 型,原因是酶的活性部位是不对称的,其催化反应具有立体专一性;②只有构成氨基酸属于同一立体化学系列,蛋白质才能形成稳定、重复的二级结构(第 4 章的 α 螺旋、β 折叠)。此外要知道 D-氨基酸并非不存在:细菌细胞壁肽聚糖中的 D-Ala、D-Glu,多肽类抗生素(短杆菌肽、缬氨霉素)中的 D-氨基酸,以及少数经翻译后酶促异构化引入蛋白质的 D-残基,都是常考的“例外”。

Original text

Only the L stereoisomers of amino acids, with a configuration related to the absolute configuration of the reference molecule L-glyceraldehyde, are found in proteins. Amino acids can be classified into five types on the basis of the polarity and charge (at pH 7) of their R groups.

中文翻译

蛋白质中只存在 L 型氨基酸立体异构体,其构型与参照分子 L-甘油醛的绝对构型相关。氨基酸可以根据其 R 基团的极性和电荷(在 pH 7 时)分为五类。

§3.1 Amino Acids — SUMMARY 3.1 Amino Acids · 教材 p. 378
术语对照
  • 手性中心(不对称碳原子)chiral center / asymmetric carbon连有四个不同基团的碳;甘氨酸无之
  • 对映体(对映异构体)enantiomers互为不可重叠镜像的一对立体异构体
  • 旋光性optical activity使平面偏振光的偏振面旋转;左旋(−)/右旋(+)由实验测定
  • 外消旋混合物racemic mixture等量 D 型与 L 型的混合物,无净旋光
  • D/L 体系D, L systemFischer 1891 年以甘油醛为参照建立,表示绝对构型,与旋光方向无必然联系
  • 立体专一性stereospecificity酶活性部位不对称,故只合成/识别 L 型氨基酸

按 R 基团把 20 种氨基酸分为五类Amino Acids Can Be Classified by R Group

笔记 考点二:氨基酸的分类(按 R 基团极性与电荷)笔记 考点四:氨基酸的化学反应(巯基氧化成二硫键)
Original text

Knowledge of the chemical properties of the common amino acids is central to an understanding of biochemistry. The topic can be simplified by grouping the amino acids into five main classes based on the properties of their R groups (Table 3-1), particularly their polarity, or tendency to interact with water at biological pH (near pH 7.0). The polarity of the R groups varies widely, from nonpolar and hydrophobic (water-insoluble) to highly polar and hydrophilic (water-soluble). A few amino acids — especially glycine, histidine, and cysteine — are somewhat difficult to characterize or do not fit perfectly in any one group. They are assigned to particular groupings based on considered judgments rather than absolutes.

中文翻译

了解常见氨基酸的化学性质,是理解生物化学的核心。把氨基酸按其 R 基团的性质——特别是极性,即在生理 pH(接近 pH 7.0)下与水相互作用的倾向——归为五大类(表 3-1),可以使这一内容大为简化。R 基团的极性差别很大,从非极性、疏水(不溶于水)一直到高度极性、亲水(可溶于水)。有几种氨基酸——尤其是甘氨酸、组氨酸和半胱氨酸——比较难以归类,或者不能完全归入任何一类。把它们归入某一特定类别,依据的是权衡之后的判断,而不是绝对的标准。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Be Classified by R Group · 教材 p. 365
原理解读

这是考点二的总纲:Lehninger 的分类标准是“R 基团在 pH 7.0 下的极性与电荷”,共五类——①非极性脂肪族(Gly、Ala、Pro、Val、Leu、Ile、Met);②芳香族(Phe、Tyr、Trp);③极性不带电(Ser、Thr、Cys、Asn、Gln);④带正电荷/碱性(Lys、Arg、His);⑤带负电荷/酸性(Asp、Glu)。国内教材(王镜岩《生物化学》)常把芳香族并入非极性一类而讲“四类”,所以答题时务必先写明“按 R 基团极性分类”并说明依据的教材体系,两种分法都不算错。原文特别提醒 Gly、His、Cys 属于“边界氨基酸”:Gly 侧链只有一个 H,几乎无疏水贡献;His 的 pKa 接近中性,pH 7 时部分带正电、部分中性;Cys 的巯基极性很弱却按极性归类——这三个正是选择题最爱设置的争议点。

图 3-5 蛋白质中 20 种常见氨基酸。结构式画的是在 pH 7.0 时占优势的电离状态。未着色部分是所有氨基酸共有的部分,着色部分是 R 基团。虽然图中组氨酸的 R 基团画成不带电的形式,但按其 pKa(见表 3-1),在 pH 7.0 时有一小部分但相当可观的组氨酸 R 基团是带正电荷的。组氨酸的质子化形式见图 3-12b 图上方。
图注 · 图 3-5 蛋白质中 20 种常见氨基酸。结构式画的是在 pH 7.0 时占优势的电离状态。未着色部分是所有氨基酸共有的部分,着色部分是 R 基团。虽然图中组氨酸的 R 基团画成不带电的形式,但按其 pKa(见表 3-1),在 pH 7.0 时有一小部分但相当可观的组氨酸 R 基团是带正电荷的。组氨酸的质子化形式见图 3-12b 图上方。
Caption · FIGURE 3-5 The 20 common amino acids of proteins. The structural formulas show the state of ionization that would predominate at pH 7.0. The unshaded portions are those that are common to all the amino acids; the shaded portions are the R groups. Although the R group of histidine is shown uncharged, its pKa (see Table 3-1) is such that a small but significant fraction of these groups are positively charged at pH 7.0. The protonated form of histidine is shown above the graph in Figure 3-12b.
怎么看 · 按五个方框分类记:非极性脂肪族 7 种、芳香族 3 种、极性不带电 5 种、正电 3 种、负电 2 种,共 20 种;所有结构式画的都是 pH 7.0 下的优势解离态。考研重点:分类归属+三字母/单字母缩写必须默写;注意组氨酸虽画作不带电,但其 pKa 接近中性,pH 7.0 时有相当比例带正电,是酶催化中最常见的质子供体/受体。
讲解 · 这是 20 种氨基酸结构的“主表”,必须能默写。背诵建议按五类分组、每类抓一个结构特征词:脂肪族看碳链分支(Val/Leu/Ile)与环状亚氨基(Pro)、含硫硫醚(Met);芳香族看苯环(Phe)、酚羟基(Tyr)、吲哚环(Trp);极性不带电看羟基(Ser/Thr)、巯基(Cys)、酰胺基(Asn/Gln);碱性看 ε-氨基(Lys)、胍基(Arg)、咪唑基(His);酸性看第二个羧基(Asp/Glu)。注意图中一律画兼性离子形式,这与考点三的“pH 7 下的解离状态”题型直接对应。
图内标注中英对照 · 31 条
English中文
Nonpolar, aliphatic R groups非极性脂肪族 R 基
COO⁻COO⁻(α-羧基,各式共有)
H₃N⁺H₃N⁺(α-氨基,各式共有)
Glycine甘氨酸(Gly, G)
Alanine丙氨酸(Ala, A)
Proline脯氨酸(Pro, P)
H₂N⁺ (proline ring nitrogen)H₂N⁺(脯氨酸环上的亚氨基氮,为仲胺/亚氨基酸)
Valine缬氨酸(Val, V)
Leucine亮氨酸(Leu, L)
Isoleucine异亮氨酸(Ile, I)
Methionine甲硫氨酸/蛋氨酸(Met, M)
Aromatic R groups芳香族 R 基
Phenylalanine苯丙氨酸(Phe, F)
Tyrosine酪氨酸(Tyr, Y)
Tryptophan色氨酸(Trp, W)
Polar, uncharged R groups极性不带电 R 基
Serine丝氨酸(Ser, S)
Threonine苏氨酸(Thr, T)
Cysteine半胱氨酸(Cys, C)
Asparagine天冬酰胺(Asn, N)
Glutamine谷氨酰胺(Gln, Q)
Positively charged R groups带正电荷 R 基(碱性氨基酸)
Lysine赖氨酸(Lys, K)
Arginine精氨酸(Arg, R)
Histidine组氨酸(His, H)
Negatively charged R groups带负电荷 R 基(酸性氨基酸)
Aspartate天冬氨酸(Asp, D;解离态称天冬氨酸根)
Glutamate谷氨酸(Glu, E;解离态称谷氨酸根)
CH₃ / CH₂ / CH / SH / OH / S / NH / NH₂ / ⁺NH₃ / ⁺NH₂ / COO⁻ (side-chain formulas)侧链结构式(CH₃、CH₂、CH、SH、OH、S、NH、NH₂、⁺NH₃、⁺NH₂、COO⁻ 等,化学式不译)
(shaded portions = R groups; unshaded = common backbone)图注约定:粉色底纹部分为 R 基(侧链),未加底纹部分为各氨基酸共有的骨架
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
Original text

Nonpolar, Aliphatic R Groups The R groups in this class of amino acids are nonpolar and hydrophobic. The side chains of alanine, valine, leucine, and isoleucine tend to cluster together within proteins, stabilizing protein structure through the hydrophobic effect. Glycine has the simplest structure. Although it is most easily grouped with the nonpolar amino acids, its very small side chain makes no real contribution to interactions driven by the hydrophobic effect. Methionine, one of the two sulfur-containing amino acids, has a slightly nonpolar thioether group in its side chain. Proline has an aliphatic side chain with a distinctive cyclic structure. The secondary amino (imino) group of proline residues is held in a rigid conformation that reduces the structural flexibility of polypeptide regions containing proline.

中文翻译

非极性脂肪族 R 基团 这一类氨基酸的 R 基团是非极性和疏水的。丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的侧链倾向于在蛋白质内部相互聚集,通过疏水效应稳定蛋白质结构。甘氨酸的结构最简单。虽然它最容易被归入非极性氨基酸,但其极小的侧链对由疏水效应驱动的相互作用并没有实质性贡献。甲硫氨酸是两种含硫氨基酸之一,其侧链含有略呈非极性的硫醚基团。脯氨酸具有带独特环状结构的脂肪族侧链。脯氨酸残基的仲氨基(亚氨基)被固定在刚性构象中,从而降低了含脯氨酸的多肽区段的结构柔性。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Be Classified by R Group · 教材 p. 367
Original text

Aromatic R Groups Phenylalanine, tyrosine, and tryptophan, with their aromatic side chains, are relatively nonpolar (hydrophobic). All can contribute to the hydrophobic effect. The hydroxyl group of tyrosine can form hydrogen bonds, and it is an important functional group in some enzymes.

中文翻译

芳香族 R 基团 苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸带有芳香族侧链,相对而言是非极性的(疏水的)。它们都能参与疏水效应。酪氨酸的羟基可以形成氢键,并且在某些酶中是重要的功能基团。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Be Classified by R Group · 教材 p. 367
原理解读

非极性脂肪族与芳香族这两类的答题要点:①疏水侧链在球状蛋白折叠时被埋在内部形成疏水核心,是维持三级结构的主要驱动力(疏水效应,第 4 章反复用到);②Gly 侧链最小,几乎无疏水贡献,但正因体积小而使多肽链柔性最大,常出现在转角处;③Pro 是唯一的亚氨基酸,其吡咯烷环把 N—Cα 键锁死,柔性最低,是 α 螺旋的“破坏者”——这是高频简答点;④Met 与 Cys 是两种含硫氨基酸,Met 的硫在硫醚中(不能形成二硫键),只有 Cys 的巯基能被氧化成二硫键,两者常被混淆;⑤Tyr 的酚羟基既可形成氢键,又能被磷酸化(酪氨酸激酶),还是碱性条件下解离的弱酸(pKR≈10.07)。

Original text

Polar, Uncharged R Groups The R groups of these amino acids are more soluble in water, or more hydrophilic, than those of the nonpolar amino acids because they contain functional groups that form hydrogen bonds with water. This class of amino acids includes serine, threonine, cysteine, asparagine, and glutamine. The polarity of serine and threonine is contributed by their hydroxyl groups, and the polarity of asparagine and glutamine is contributed by their amide groups. Cysteine is an outlier here because its polarity, contributed by its sulfhydryl group, is quite modest. Cysteine is a weak acid and can make weak hydrogen bonds with oxygen or nitrogen.

中文翻译

极性不带电 R 基团 这类氨基酸的 R 基团比非极性氨基酸的 R 基团更易溶于水,即更亲水,因为它们含有能与水形成氢键的官能团。这一类氨基酸包括丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺。丝氨酸和苏氨酸的极性来自它们的羟基,天冬酰胺和谷氨酰胺的极性来自它们的酰胺基。半胱氨酸在这一类中是个例外,因为由巯基带来的极性相当微弱。半胱氨酸是一种弱酸,能与氧或氮形成较弱的氢键。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Be Classified by R Group · 教材 p. 369
Original text

Asparagine and glutamine are the amides of two other amino acids also found in proteins —aspartate and glutamate, respectively — to which asparagine and glutamine are easily hydrolyzed by acid or base. Cysteine is readily oxidized to form a covalently linked dimeric amino acid called cystine, in which two cysteine molecules or residues are joined by a disulfide bond (Fig. 3-7). The disulfide-linked residues are strongly hydrophobic (nonpolar). Disulfide bonds play a special role in the structures of many proteins by forming covalent links between parts of a polypeptide molecule or between two different polypeptide chains.

中文翻译

天冬酰胺和谷氨酰胺分别是蛋白质中另外两种氨基酸——天冬氨酸和谷氨酸——的酰胺,它们很容易被酸或碱水解成相应的酸。半胱氨酸容易被氧化,生成一种以共价键相连的二聚氨基酸,称为胱氨酸,其中两个半胱氨酸分子或残基通过一个二硫键相连(图 3-7)。以二硫键相连的残基具有强疏水性(非极性)。二硫键在许多蛋白质的结构中起着特殊作用,它可以在一条多肽分子的不同部位之间、或在两条不同的多肽链之间形成共价连接。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Be Classified by R Group · 教材 p. 370
原理解读

这两段覆盖三个高频考点:①Asn/Gln 是 Asp/Glu 的酰胺,酸碱水解即得对应的酸——这正是“蛋白质完全酸水解后测不到 Asn、Gln”的原因,也是氨基酸组成分析中用 Asx(Asp+Asn)、Glx(Glu+Gln)表示的原因;②2 分子 Cys 氧化脱氢生成 1 分子胱氨酸(cystine),形成二硫键(—S—S—),还原(如 β-巯基乙醇、二硫苏糖醇 DTT)可使其断裂——名词解释“二硫键”“胱氨酸”必考,注意区分 cysteine(半胱氨酸)与 cystine(胱氨酸);③二硫键属于共价交联,可发生在链内或链间(如胰岛素 A、B 链之间),是维持蛋白质三级/四级结构的唯一常见共价键,属于一级结构的一部分(旧观点)还是构象稳定因素,答题时按“共价交联、稳定构象”表述最稳。

图 3-7 两分子半胱氨酸氧化后可逆地形成二硫键。Cys 残基之间的二硫键使许多蛋白质的结构得以稳定。
图注 · 图 3-7 两分子半胱氨酸氧化后可逆地形成二硫键。Cys 残基之间的二硫键使许多蛋白质的结构得以稳定。
Caption · FIGURE 3-7 Reversible formation of a disulfide bond by the oxidation of two molecules of cysteine. Disulfide bonds between Cys residues stabilize the structures of many proteins.
怎么看 · 从左(两个游离 SH)看到右(S—S 相连),中间双箭头两侧的 2H⁺ + 2e⁻ 指明这是可逆的氧化还原反应。考研重点:Cysteine(半胱氨酸)与 Cystine(胱氨酸)一字之差别写错;二硫键是唯一常见的共价交联,属于一级结构范畴,可发生在链内或链间,起稳定构象作用,二硫键区域强疏水。
讲解 · 这张图就是“Cys ⇌ 胱氨酸”的方程式:2 个 —SH 脱去 2H 生成 —S—S—,反应可逆。考点四(氨基酸的化学反应)里巯基的氧化还原、以及蛋白质变性复性实验(核糖核酸酶 A 的 4 对二硫键)都以此为基础;画反应式时记得写出氧化剂/还原剂条件([O] 或 DTT/β-巯基乙醇)。
图内标注中英对照 · 13 条
English中文
Cysteine (upper left)半胱氨酸(Cys,左上一分子)
COO⁻COO⁻(α-羧基)
H₃N⁺H₃N⁺(α-氨基)
CHCH(α-碳)
CH₂CH₂(β-亚甲基)
SHSH(巯基/硫氢基,黄色底纹标出)
Cysteine (lower left)半胱氨酸(Cys,左下一分子)
2H⁺ + 2e⁻ (upper arrow, leaving)2H⁺ + 2e⁻(上方箭头:氧化方向失去 2 个质子和 2 个电子)
2H⁺ + 2e⁻ (lower arrow, entering)2H⁺ + 2e⁻(下方箭头:还原方向获得 2 个质子和 2 个电子)
(双向平衡箭头)可逆反应双箭头(氧化⇄还原)
SS(二硫键中的硫原子,黄色底纹,S—S)
NH₃⁺NH₃⁺(α-氨基)
Cystine胱氨酸(Cystine,右侧产物;由二硫键连接的二聚氨基酸)
Original text

Positively Charged (Basic) R Groups The most hydrophilic R groups are those that are either positively charged or negatively charged. The amino acids in which the R groups have significant positive charge at pH 7.0 are lysine, which has a second primary amino group at the ε position on its aliphatic chain; arginine, which has a positively charged guanidinium group; and histidine, which has an aromatic imidazole group. As the only common amino acid having an ionizable side chain with pKa near neutrality, histidine may be positively charged (protonated form) or uncharged at pH 7.0. His residues facilitate many enzyme-catalyzed reactions by serving as proton donors/acceptors. Negatively Charged (Acidic) R Groups The two amino acids having R groups with a net negative charge at pH 7.0 are aspartate and glutamate, each of which has a second carboxyl group.

中文翻译

带正电荷(碱性)R 基团 亲水性最强的 R 基团是那些带正电荷或带负电荷的基团。在 pH 7.0 时 R 基团带有显著正电荷的氨基酸是:赖氨酸,它在脂肪链的 ε 位上有第二个伯氨基;精氨酸,带有一个带正电荷的胍基;以及组氨酸,带有一个芳香性的咪唑基。组氨酸是唯一一种可解离侧链的 pKa 接近中性的常见氨基酸,因此在 pH 7.0 时它可能带正电荷(质子化形式),也可能不带电荷。His 残基通过充当质子供体/受体,促进了许多酶催化的反应。 带负电荷(酸性)R 基团 在 pH 7.0 时 R 基团带净负电荷的两种氨基酸是天冬氨酸和谷氨酸,它们各自都有第二个羧基。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Be Classified by R Group · 教材 p. 370
原理解读

碱性三兄弟 Lys(ε-氨基,pKR≈10.53)、Arg(胍基,pKR≈12.48,碱性最强)、His(咪唑基,pKR≈6.0);酸性两兄弟 Asp(pKR≈3.65)、Glu(pKR≈4.25)。这组数据是考点三算 pI、判断电泳方向的直接依据,必须记住数量级。原文强调 His 的独特地位:它是唯一 pKR 接近生理 pH 的常见氨基酸,因而既能在 pH 7 附近提供缓冲能力,又能在酶活性中心充当质子供体/受体(如胰凝乳蛋白酶催化三联体 Ser-His-Asp、血红蛋白的波尔效应),这是简答题的常客。注意“碱性氨基酸=Lys/Arg/His”“酸性氨基酸=Asp/Glu”的判定标准是 R 基团在 pH 7 时的带电状态,而不是氨基/羧基的个数之外的其他标准。

术语对照
  • 疏水效应hydrophobic effect非极性侧链聚集于蛋白内部,是三级结构的主要驱动力
  • 胱氨酸 / 二硫键cystine / disulfide bond2 Cys 氧化形成;名词解释高频,注意与 cysteine 区分
  • 咪唑基imidazole groupHis 侧链,pKa≈6.0,生理 pH 附近唯一有缓冲能力的侧链
  • 胍基guanidinium groupArg 侧链,碱性最强(pKR≈12.48),生理条件下始终带正电
  • 亚氨基酸imino acid (proline)Pro 的 α-氨基为仲胺,环状刚性结构,破坏 α 螺旋

芳香族氨基酸的紫外吸收与朗伯-比尔定律BOX 3-1 METHODS Absorption of Light by Molecules: The Lambert-Beer Law

笔记 考点五:氨基酸的光谱性质(280 nm 紫外吸收)笔记 考点七:蛋白质/氨基酸的定量分析(紫外吸收法)
图 3-6 芳香族氨基酸对紫外光的吸收。比较芳香族氨基酸色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸在 pH 6.0 下的光吸收光谱。三种氨基酸在相同条件下以等摩尔浓度(10⁻³ M)存在。在 280 nm 波长处测得的色氨酸吸光度是酪氨酸的 4 倍以上。注意色氨酸和酪氨酸的最大光吸收都出现在 280 nm 附近。苯丙氨酸的光吸收通常对蛋白质的光谱性质贡献很小。
图注 · 图 3-6 芳香族氨基酸对紫外光的吸收。比较芳香族氨基酸色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸在 pH 6.0 下的光吸收光谱。三种氨基酸在相同条件下以等摩尔浓度(10⁻³ M)存在。在 280 nm 波长处测得的色氨酸吸光度是酪氨酸的 4 倍以上。注意色氨酸和酪氨酸的最大光吸收都出现在 280 nm 附近。苯丙氨酸的光吸收通常对蛋白质的光谱性质贡献很小。
Caption · FIGURE 3-6 Absorption of ultraviolet light by aromatic amino acids. Comparison of the light absorption spectra of the aromatic amino acids tryptophan, tyrosine, and phenylalanine at pH 6.0. The amino acids are present in equimolar amounts (10−3 M) under identical conditions. The measured absorbance of tryptophan is more than four times that of tyrosine at a wavelength of 280 nm. Note that the maximum light absorption for both tryptophan and tyrosine occurs near 280 nm. Light absorption by phenylalanine generally contributes little to the spectroscopic properties of proteins.
怎么看 · 横轴波长、纵轴吸光度,三条曲线按吸收强弱从上到下依次是 Trp > Tyr >> Phe(等摩尔 10⁻³ M、pH 6.0 条件下测定)。考研重点:蛋白质定量常用 A₂₈₀,其吸收主要来自 Trp 和 Tyr(Trp 在 280 nm 的吸光度是 Tyr 的四倍多),Phe 贡献可忽略——这是「280 nm 测蛋白浓度」的分子基础。
讲解 · 考点五的图证:蛋白质在 280 nm 有特征吸收峰,是因为含有 Trp 和 Tyr(Phe 贡献很小,其吸收峰在 260 nm 附近且很弱)。由此派生两类题:①简答“为什么可用 A₂₈₀ 测定蛋白质浓度、有何局限”——答含芳香族氨基酸尤其 Trp/Tyr,局限是不同蛋白 Trp/Tyr 含量不同故摩尔消光系数不同、核酸(260 nm)污染会干扰;②区分 280 nm(蛋白质)与 260 nm(核酸),A₂₆₀/A₂₈₀ 比值用于判断样品纯度。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
Absorbance吸光度(纵坐标)
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (y-axis ticks)纵轴刻度 0、1、2、3、4、5、6(数值不译)
Tryptophan色氨酸(Trp,黑色曲线,280 nm 处吸收最强)
Tyrosine酪氨酸(Tyr,红色曲线,约 275–280 nm 有吸收峰)
Phenylalanine苯丙氨酸(Phe,蓝色曲线,吸收极弱)
230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310 (x-axis ticks)横轴刻度 230–310(波长数值,不译)
Wavelength (nm)波长(nm,横坐标)
Original text

A wide range of biomolecules absorb light at characteristic wavelengths, just as tryptophan absorbs light at 280 nm (see Fig. 3-6). Measurement of light absorption by a spectrophotometer is used to detect and identify molecules and to measure their concentration in solution. The fraction of the incident light absorbed by a solution at a given wavelength is related to the thickness of the absorbing layer (path length) and the concentration of the absorbing species (Fig. 1). These two relationships are combined into the Lambert-Beer law,

中文翻译

许多生物分子都在各自特征的波长处吸收光,正如色氨酸在 280 nm 处吸收光一样(见图 3-6)。用分光光度计测量光吸收,可用来检测和鉴定分子,并测定它们在溶液中的浓度。溶液在给定波长下吸收入射光的比例,与吸光层的厚度(光程)以及吸光物种的浓度有关(图 1)。把这两个关系合并起来,就得到朗伯-比尔定律(Lambert-Beer law):

§3.1 Amino Acids — BOX 3-1 METHODS Absorption of Light by Molecules: The Lambert-Beer Law · 教材 p. 369
Original text

where I0 is the intensity of the incident light, I is the intensity of the transmitted light, the ratio I/I0 (the inverse of the ratio in the equation) is the transmittance, ε is the molar extinction coefficient (in units of liters per mole-centimeter), c is the concentration of the absorbing species (in moles per liter), and l is the path length of the light-absorbing sample (in centimeters). The Lambert-Beer law assumes that the incident light is parallel and monochromatic (of a single wavelength) and that the solvent and solute molecules are randomly oriented. The expression log (I0/I) is called the absorbance, designated A.

中文翻译

式中 I₀ 是入射光的强度,I 是透射光的强度,比值 I/I₀(方程中比值的倒数)称为透光率,ε 是摩尔消光系数(单位为升·摩尔⁻¹·厘米⁻¹),c 是吸光物种的浓度(单位为摩尔每升),l 是吸光样品的光程(单位为厘米)。朗伯-比尔定律假定入射光是平行的单色光(单一波长),并假定溶剂与溶质分子是随机取向的。表达式 log (I₀/I) 称为吸光度,记作 A。

§3.1 Amino Acids — BOX 3-1 METHODS Absorption of Light by Molecules: The Lambert-Beer Law · 教材 p. 369
Original text

It is important to note that each successive millimeter of path length of absorbing solution in a 1.0 cm cell absorbs not a constant amount but a constant fraction of the light that is incident upon it. However, with an absorbing layer of fixed path length, the absorbance, A, is directly proportional to the concentration of the absorbing solute. The molar extinction coefficient varies with the nature of the absorbing compound, the solvent, and the wavelength, and also with pH if the light-absorbing species is in equilibrium with an ionization state that has different absorbance properties.

中文翻译

需要注意的是,在 1.0 cm 比色皿中,吸光溶液每增加一毫米光程所吸收的并不是恒定的光量,而是入射到该层上的光的恒定比例。然而,当吸光层的光程固定时,吸光度 A 与吸光溶质的浓度成正比。摩尔消光系数随吸光化合物的性质、溶剂和波长而变化;如果吸光物种与另一种吸光性质不同的电离状态处于平衡,那么摩尔消光系数还会随 pH 而变化。

§3.1 Amino Acids — BOX 3-1 METHODS Absorption of Light by Molecules: The Lambert-Beer Law · 教材 p. 369
原理解读

朗伯-比尔定律 A = log(I₀/I) = εcl 是考点五和实验题的公式基础,必须能默写并解释每个符号。答题要点:①A 与 c 成正比(光程固定时),故可用标准曲线法定量;②每层介质吸收的是入射光的恒定“比例”而非恒定“量”,所以是对数关系;③ε(摩尔消光系数)取决于物质本身、溶剂、波长,还随 pH 变化——酪氨酸在碱性条件下酚羟基解离,吸收峰红移且 ε 增大,这是常见的实验现象题;④定律的适用前提是平行单色光、稀溶液、分子随机取向,浓度过高时偏离线性。结合考点五记忆:蛋白质定量的紫外法就是在 280 nm 测 A,用 A = εcl 反算浓度。

术语对照
  • 吸光度absorbance (A)A = log(I₀/I),无量纲
  • 透光率transmittanceI/I₀
  • 摩尔消光系数molar extinction coefficient (ε)单位 L·mol⁻¹·cm⁻¹,随物质、溶剂、波长、pH 而变
  • 朗伯-比尔定律Lambert-Beer lawA = εcl;紫外定量测定蛋白质浓度的依据

稀有氨基酸与非蛋白质氨基酸Uncommon Amino Acids Also Have Important Functions

笔记 考点二:稀有氨基酸与非蛋白质氨基酸笔记 考点四:氨基酸残基的翻译后修饰(磷酸化、羟化、羧化)
Original text

In addition to the 20 common amino acids, proteins may contain residues created by modification of common residues already incorporated into a polypeptide — that is, through postsynthetic modification (Fig. 3-8a). Among these uncommon amino acids are 4-hydroxyproline, a derivative of proline found in the fibrous protein collagen

中文翻译

除 20 种常见氨基酸之外,蛋白质中还可能含有由已经掺入多肽链的常见残基经修饰而产生的残基,也就是通过合成后修饰(翻译后修饰)产生的残基(图 3-8a)。在这些稀有氨基酸中,有 4-羟脯氨酸——一种脯氨酸的衍生物,见于纤维状蛋白质胶原蛋白中……

§3.1 Amino Acids — Uncommon Amino Acids Also Have Important Functions · 教材 p. 370
原理解读

稀有氨基酸的第一类来源是“翻译后修饰”,必须与“第 21 种编码氨基酸”区分开。教材举的例子按笔记考点二整理为:①4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸——胶原蛋白特有,羟化需维生素 C 作辅因子,缺乏时胶原不能正常交联,导致坏血病(高频简答);②γ-羧基谷氨酸——存在于凝血酶原等凝血因子中,负责结合 Ca²⁺,其生成依赖维生素 K(华法林抗凝的机理);③锁链素(desmosine)——由 4 个 Lys 残基缩合而成,见于弹性蛋白,负责交联。这三个例子是“举例说明蛋白质中的稀有氨基酸及其功能”一题的标准答案。

图 3-8 稀有氨基酸。(a) 蛋白质中发现的一些稀有氨基酸,多数由常见氨基酸衍生而来。(注意这些结构的名称中既可用数字、也可用希腊字母来标示被改变的碳原子。)由修饰反应加上的额外官能团以红色表示。锁链素由 4 个 Lys 残基形成(碳骨架以浅红色标出)。硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸是例外:这两种氨基酸是在正常的蛋白质合成过程中,通过对标准遗传密码的高度特化扩展而加入的;二者都只见于极少数蛋白质。(b) 参与调节蛋白质活性的可逆氨基酸修饰。磷酸化是最常见的调节性修饰类型。(c) 鸟氨酸和瓜氨酸并不存在于蛋白质中,它们是精氨酸生物合成和尿素循环中的中间产物。
图注 · 图 3-8 稀有氨基酸。(a) 蛋白质中发现的一些稀有氨基酸,多数由常见氨基酸衍生而来。(注意这些结构的名称中既可用数字、也可用希腊字母来标示被改变的碳原子。)由修饰反应加上的额外官能团以红色表示。锁链素由 4 个 Lys 残基形成(碳骨架以浅红色标出)。硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸是例外:这两种氨基酸是在正常的蛋白质合成过程中,通过对标准遗传密码的高度特化扩展而加入的;二者都只见于极少数蛋白质。(b) 参与调节蛋白质活性的可逆氨基酸修饰。磷酸化是最常见的调节性修饰类型。(c) 鸟氨酸和瓜氨酸并不存在于蛋白质中,它们是精氨酸生物合成和尿素循环中的中间产物。
Caption · FIGURE 3-8 Uncommon amino acids. (a) Some uncommon amino acids found in proteins. Most are derived from common amino acids. (Note the use of either numbers or Greek letters in the names of these structures to identify the altered carbon atoms.) Extra functional groups added by modification reactions are shown in red. Desmosine is formed from four Lys residues (the carbon backbones are shaded in light red). Selenocysteine and pyrrolysine are exceptions: these amino acids are added during normal protein synthesis through a highly specialized expansion of the standard genetic code. Both are found in very small numbers of proteins. (b) Reversible amino acid modifications involved in regulation of protein activity. Phosphorylation is the most common type of regulatory modification. (c) Ornithine and citrulline, which are not found in proteins, are intermediates in the biosynthesis of arginine and in the urea cycle.
怎么看 · 三个方框分工明确:(a) 翻译后修饰产生的稀有残基+硒代半胱氨酸/吡咯赖氨酸这两个「翻译时直接掺入」的例外;(b) 可逆调控性修饰;(c) 根本不进蛋白质的代谢中间物。考研重点:4-羟脯氨酸→胶原(与维生素 C 缺乏/坏血病关联)、γ-羧基谷氨酸→凝血酶原结合 Ca²⁺(维生素 K 依赖)、锁链素→弹性蛋白由 4 个 Lys 形成;Sec/Pyl 是第 21、22 种氨基酸;鸟氨酸、瓜氨酸考尿素循环时必背。
讲解 · 这张图一图三考:(a) 翻译后修饰产生的稀有氨基酸(羟脯氨酸、γ-羧基谷氨酸、锁链素)+两种“第 21、22 种氨基酸”(硒代半胱氨酸、吡咯赖氨酸,由遗传密码扩展直接掺入,不是修饰产物);(b) 可逆修饰(磷酸化最常见)用于调节蛋白质活性;(c) 鸟氨酸、瓜氨酸是典型的“非蛋白质氨基酸”,属尿素循环中间物。考试常把这三栏混为一谈,记住判别标准:是否掺入蛋白质、是在合成时掺入还是合成后修饰。
图内标注中英对照 · 28 条
English中文
(a)(a) 分图 a:蛋白质中发现的一些不常见氨基酸(多由常见氨基酸修饰而来;红色为修饰加上的额外功能基团)
OHOH(羟基,红色,为修饰引入)
COO⁻COO⁻(羧基)
N H₂ (ring ⁺NH₂)⁺NH₂(脯氨酸环上的亚氨基氮)
4-Hydroxyproline4-羟脯氨酸(存在于纤维状蛋白胶原中)
⁻OOC⁻OOC(羧基负离子)
γ-Carboxyglutamateγ-羧基谷氨酸(存在于凝血蛋白凝血酶原等结合 Ca²⁺ 的蛋白中)
H₃N⁺H₃N⁺(氨基)
(CH₂)₃ / (CH₂)₂ / (CH₂)₄(CH₂)₃、(CH₂)₂、(CH₂)₄(亚甲基链,化学式不译)
Desmosine锁链素/链锁素(由 4 个 Lys 残基形成,存在于纤维状蛋白弹性蛋白中;浅红底纹为碳骨架)
HSeHSe(硒氢基,红色)
Selenocysteine硒代半胱氨酸(第 21 种氨基酸,由遗传密码特殊扩展在翻译中直接掺入)
CH₃CH₃(甲基)
Pyrrolysine吡咯赖氨酸(第 22 种氨基酸,见于少数产甲烷古菌和一种细菌)
(b)(b) 分图 b:参与蛋白质活性调控的可逆氨基酸修饰(磷酸化最常见)
Phosphoserine磷酸丝氨酸
Phosphothreonine磷酸苏氨酸
Phosphotyrosine磷酸酪氨酸
ω-N-Methylarginineω-N-甲基精氨酸
6-N-Acetyllysine6-N-乙酰赖氨酸(即 ε-N-乙酰赖氨酸)
Glutamate γ-methyl ester谷氨酸 γ-甲酯
NH₂ / N (adenine ring)NH₂、N(腺嘌呤环上的氨基与氮原子,化学式不译)
OH OH (ribose)OH OH(核糖 2′-、3′-羟基)
Adenylyltyrosine腺苷酰酪氨酸(酪氨酸的腺苷酰化修饰)
(c)(c) 分图 c:鸟氨酸和瓜氨酸——不存在于蛋白质中,是精氨酸生物合成和尿素循环的中间物
Ornithine鸟氨酸
Citrulline瓜氨酸
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
Original text

Selenocysteine contains selenium rather than the sulfur of cysteine. Actually derived from serine, selenocysteine is a constituent of just a few known proteins. Pyrrolysine is found in a few proteins in several methanogenic (methane-producing) archaea and in one known bacterium; it plays a role in methane biosynthesis.

中文翻译

硒代半胱氨酸含有硒,而不是半胱氨酸中的硫。硒代半胱氨酸实际上由丝氨酸衍生而来,它只是少数几种已知蛋白质的组成成分。吡咯赖氨酸存在于若干产甲烷(产生甲烷的)古菌以及一种已知细菌的少数蛋白质中,它在甲烷的生物合成中发挥作用。

§3.1 Amino Acids — Uncommon Amino Acids Also Have Important Functions · 教材 p. 372
原理解读

硒代半胱氨酸(Sec,第 21 种氨基酸)与吡咯赖氨酸(Pyl,第 22 种氨基酸)是唯一两种“不经修饰、直接在核糖体上掺入”的稀有氨基酸,机制是对标准遗传密码的特殊扩展(Sec 由 UGA 密码子在 SECIS 元件存在时重编码,Pyl 由 UAG 重编码,第 27 章详述)。考点提示:①Sec 由丝氨酸衍生而来(先上 Ser 再转化),含硒不含硫,见于谷胱甘肽过氧化物酶等;②凡问“为什么说编码氨基酸不止 20 种”,答 Sec 与 Pyl 即可;③注意它们与羟脯氨酸的本质区别——后者是翻译后修饰的产物。

Original text

Some amino acid residues in a protein may be modified transiently to alter the protein’s function. The addition of phosphoryl, methyl, acetyl, adenylyl, ADP-ribosyl, or other groups to particular amino acid residues can increase or decrease a protein’s activity (Fig. 3-8b). Phosphorylation is a particularly common regulatory modification. Covalent modification as a protein regulatory strategy is discussed in more detail in Chapter 6.

中文翻译

蛋白质中的某些氨基酸残基可以被短暂地(可逆地)修饰,以改变该蛋白质的功能。在特定氨基酸残基上加上磷酰基、甲基、乙酰基、腺苷酰基、ADP-核糖基或其他基团,可以提高或降低蛋白质的活性(图 3-8b)。磷酸化是一种特别常见的调节性修饰。作为蛋白质调控策略的共价修饰将在第 6 章中更详细地讨论。

§3.1 Amino Acids — Uncommon Amino Acids Also Have Important Functions · 教材 p. 372
Original text

Some 300 additional amino acids have been found in cells. They have a variety of functions, but not all are constituents of proteins. Ornithine and citrulline (Fig. 3-8c) deserve special note because they are key intermediates (metabolites) in the biosynthesis of arginine (Chapter 22) and in the urea cycle (Chapter 18).

中文翻译

细胞中已发现约 300 种其他氨基酸。它们具有多种功能,但并非都是蛋白质的组成成分。鸟氨酸和瓜氨酸(图 3-8c)特别值得注意,因为它们是精氨酸生物合成(第 22 章)和尿素循环(第 18 章)中的关键中间产物(代谢物)。

§3.1 Amino Acids — Uncommon Amino Acids Also Have Important Functions · 教材 p. 372
原理解读

最后两段对应笔记考点二的“非蛋白质氨基酸”与考点四的“可逆共价修饰”。要点:①可逆修饰(磷酸化/去磷酸化最常见,其次甲基化、乙酰化、腺苷酰化、ADP-核糖基化)是酶活性调节的重要方式,磷酸化位点主要是 Ser、Thr、Tyr 的羟基(原核中还有 His);②细胞中约有 300 种非蛋白质氨基酸,典型代表是鸟氨酸和瓜氨酸(尿素循环中间物)、β-丙氨酸(泛酸组分)、γ-氨基丁酸 GABA(神经递质)、S-腺苷甲硫氨酸 SAM(甲基供体)等,名词解释“非蛋白质氨基酸”要求能举例。

术语对照
  • 翻译后(合成后)修饰postsynthetic / posttranslational modification常见残基掺入肽链后再被修饰
  • 4-羟脯氨酸4-hydroxyproline胶原蛋白特有,羟化需维生素 C
  • γ-羧基谷氨酸γ-carboxyglutamate凝血酶原中结合 Ca²⁺,其生成依赖维生素 K
  • 锁链素desmosine由 4 个 Lys 残基形成,见于弹性蛋白的交联
  • 硒代半胱氨酸 / 吡咯赖氨酸selenocysteine / pyrrolysine第 21、22 种氨基酸,经遗传密码扩展直接掺入
  • 非蛋白质氨基酸amino acids not found in proteins如鸟氨酸、瓜氨酸;约 300 种,多为代谢中间物

兼性离子与甘氨酸的滴定曲线Amino Acids Can Act as Acids and Bases

笔记 考点三:氨基酸的酸碱性质(两性解离与兼性离子)笔记 考点三:氨基酸的滴定曲线与 pK 值
Original text

The amino and carboxyl groups of amino acids, along with the ionizable R groups of some amino acids, function as weak acids and bases. When an amino acid lacking an ionizable R group is dissolved in water at neutral pH, the α-amino and carboxyl groups create a dipolar ion, or zwitterion (German for “hybrid ion”), which can act as either an acid or a base (Fig. 3-9).

中文翻译

氨基酸的氨基和羧基,连同某些氨基酸可解离的 R 基团,都可作为弱酸和弱碱发挥作用。当一个不含可解离 R 基团的氨基酸在中性 pH 下溶于水时,α-氨基和羧基会形成一种偶极离子,即兼性离子(zwitterion,德语意为“杂合离子”),它既可以作为酸,也可以作为碱(图 3-9)。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 372
原理解读

这是考点三的开门句,也是名词解释“兼性离子(两性离子)”的标准出处:氨基酸在水溶液中,α-羧基解离出 H⁺ 成为 —COO⁻,α-氨基结合 H⁺ 成为 —NH₃⁺,同一分子内同时带正、负电荷而净电荷为零,这种偶极离子就是兼性离子。由此推出三条常考结论:①氨基酸是两性电解质(ampholyte),既能与酸反应又能与碱反应;②非离子形式(同时是自由 —NH₂ 与 —COOH)在水溶液中几乎不存在,所以书写氨基酸结构式时应写兼性离子式;③正因为以兼性离子存在,氨基酸晶体熔点高、易溶于水而难溶于有机溶剂——这是选择题常考的物理性质推论。

图 3-9 氨基酸的非离子形式与兼性离子形式。非离子形式在水溶液中不以显著的量存在。在中性 pH 下兼性离子占优势。兼性离子既可以作为酸(质子供体),也可以作为碱(质子受体)。
图注 · 图 3-9 氨基酸的非离子形式与兼性离子形式。非离子形式在水溶液中不以显著的量存在。在中性 pH 下兼性离子占优势。兼性离子既可以作为酸(质子供体),也可以作为碱(质子受体)。
Caption · FIGURE 3-9 Nonionic and zwitterionic forms of amino acids. The nonionic form does not occur in significant amounts in aqueous solutions. The zwitterion predominates at neutral pH. A zwitterion can act as either an acid (proton donor) or a base (proton acceptor).
怎么看 · 第一行对比「非离子型 vs 两性离子型」,下面两行分别演示两性离子作为酸(放出 H⁺)和作为碱(接受 H⁺)。考研重点:氨基酸在水溶液中以两性离子(zwitterion)存在,非离子型几乎不存在;这种既能供质子又能受质子的性质称为两性电解质(amphoteric / ampholyte),是滴定曲线和等电点的化学基础。
讲解 · 这张图把“非离子式 vs 兼性离子式”并排画出,直接回答“为什么氨基酸的结构式要写成 ⁺H₃N—CHR—COO⁻”。答题时凡涉及氨基酸在水溶液中的形态,一律以兼性离子为准;并记住兼性离子作为酸时给出 —NH₃⁺ 上的质子,作为碱时由 —COO⁻ 接受质子,这正是氨基酸具有缓冲能力的分子基础。
图内标注中英对照 · 14 条
English中文
HH(α-碳上的氢)
RR(侧链 R 基)
CC(α-碳)
COOHCOOH(未解离的羧基)
NH₂NH₂(未质子化的氨基)
Nonionic form非离子型(在水溶液中含量极少)
COO⁻COO⁻(解离的羧基,红色)
⁺NH₃⁺NH₃(质子化的氨基,红色)
Zwitterionic form两性离子型(兼性离子型;中性 pH 下的优势形式)
Zwitterion as acid两性离子作为酸(质子供体)
H⁺H⁺(质子)
(双向平衡箭头)可逆反应双箭头(解离平衡)
Zwitterion as base两性离子作为碱(质子受体)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
Original text

Acid-base titration involves the gradual addition or removal of protons (Chapter 2). Figure 3-10 shows the titration curve of the diprotic form of glycine. The two ionizable groups of glycine, the carboxyl group and the amino group, are titrated with a strong base such as NaOH. The plot has two distinct stages, corresponding to deprotonation of two different groups on glycine.

中文翻译

酸碱滴定涉及质子的逐步加入或移去(第 2 章)。图 3-10 显示的是甘氨酸二质子形式的滴定曲线。甘氨酸的两个可解离基团,即羧基和氨基,用强碱(如 NaOH)进行滴定。该曲线有两个明显的阶段,分别对应于甘氨酸上两个不同基团的去质子化。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 373
Original text

In the first stage of the titration, the —COOH group of glycine (with its lower pKa) loses its proton. At the midpoint of this stage, equimolar concentrations of the proton-donor (+H3N—CH2—COOH) and the proton-acceptor (+H3N—CH2—COO−) species are present. As in the titration of any weak acid, a point of inflection is reached at this midpoint where the pH is equal to the pKa of the protonated group that is being titrated (see Fig. 2-17). For glycine, the pH at the midpoint is 2.34; thus its —COOH group has a pKa (labeled pK1 in Fig. 3-10) of 2.34.

中文翻译

在滴定的第一阶段,甘氨酸的 —COOH 基团(其 pKa 较低)失去质子。在这一阶段的中点,质子供体(⁺H₃N—CH₂—COOH)与质子受体(⁺H₃N—CH₂—COO⁻)两种物种的浓度相等。与任何弱酸的滴定一样,在这个中点会出现一个拐点,此时 pH 等于正在被滴定的质子化基团的 pKa(见图 2-17)。对甘氨酸而言,中点处的 pH 为 2.34;因此它的 —COOH 基团的 pKa(在图 3-10 中标为 pK1)为 2.34。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 374
Original text

As the titration of glycine proceeds, another point of inflection is reached at pH 5.97; at this point, removal of the first proton is essentially complete and removal of the second has just begun. At this pH, glycine is present largely as the dipolar ion (zwitterion) +H3N—CH2—COO−. We shall return to the significance of this inflection point in the titration curve (labeled pI in Fig. 3-10) shortly.

中文翻译

随着甘氨酸滴定的进行,在 pH 5.97 处出现另一个拐点;在该点,第一个质子的移去基本完成,而第二个质子的移去才刚刚开始。在这个 pH 下,甘氨酸主要以偶极离子(兼性离子)⁺H₃N—CH₂—COO⁻ 的形式存在。我们稍后会再回来讨论滴定曲线上这个拐点(在图 3-10 中标为 pI)的意义。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 375
原理解读

甘氨酸滴定曲线是考点三的核心图,务必能自己画出并标注。分段记忆:①极低 pH 时全质子化形式 ⁺H₃N—CH₂—COOH(净电荷 +1);②第一阶段滴定 —COOH,中点 pH = pK1 = 2.34(此处缓冲能力最强);③pH 5.97 处为拐点,此时几乎全部为兼性离子 ⁺H₃N—CH₂—COO⁻,净电荷 0,即等电点 pI;④第二阶段滴定 —NH₃⁺,中点 pH = pK2 = 9.60;⑤pH 12 左右滴定完成,主要形式为 H₂N—CH₂—COO⁻(净电荷 −1)。常见考法:给出滴定曲线求 pK1、pK2、pI,或给出某 pH 问主要存在形式与净电荷;记住“中点即 pKa、拐点即 pI”“pH = pKa 时缓冲能力最大、供体与受体各占一半”。

图 3-10 氨基酸的滴定。0.1 M 甘氨酸在 25 °C 下的滴定曲线。滴定过程中关键点上占优势的离子形式画在图的上方。阴影方框分别以 pK1 = 2.3 和 pK2 = 9.60 为中心,标示出缓冲能力最强的区域。注意 1 当量 OH⁻ 相当于加入 0.1 M NaOH。pI 出现在两个 pKa 值的算术平均处,并对应于滴定曲线上的拐点。
图注 · 图 3-10 氨基酸的滴定。0.1 M 甘氨酸在 25 °C 下的滴定曲线。滴定过程中关键点上占优势的离子形式画在图的上方。阴影方框分别以 pK1 = 2.3 和 pK2 = 9.60 为中心,标示出缓冲能力最强的区域。注意 1 当量 OH⁻ 相当于加入 0.1 M NaOH。pI 出现在两个 pKa 值的算术平均处,并对应于滴定曲线上的拐点。
Caption · FIGURE 3-10 Titration of amino acids. The titration curve of 0.1 M glycine at 25 °C. The ionic species predominating at key points in the titration are shown above the graph. The shaded boxes, centered at about pK1 = 2.3 and pK2 = 9.60, indicate the regions of greatest buffering power. Note that 1 equivalent of OH−= 0.1 M NaOH added. The pI occurs at the arithmetic mean between the two pKa values, and it corresponds to the inflection point in the titration.
怎么看 · 先看图上方三个结构式(+1 → 0 → −1 的解离序列),再对照下方曲线的两个平台和中间陡升段:两个平台中点即 pK₁ = 2.34、pK₂ = 9.60,是缓冲区(蓝框);陡升段中点即 pI = 5.97。考研重点:无可解离侧链的氨基酸 pI = (pK₁ + pK₂)/2;甘氨酸 pKa 都远离 7.4,所以不是生理条件下的良好缓冲剂;横轴 1 当量 OH⁻ = 0.1 M NaOH。
讲解 · 这是必须默画的图:横轴为加入的 OH⁻ 当量(0→2),纵轴为 pH;两段平台(缓冲区)分别以 pK1=2.34、pK2=9.60 为中心,中间陡升段的拐点即 pI=5.97。画图时要在曲线上方标出四种离子形式的转变顺序,这一步在简答题中往往单独给分。
图内标注中英对照 · 17 条
English中文
⁺NH₃ / CH₂ / COOH⁺NH₃—CH₂—COOH(完全质子化型,净电荷 +1,图上方左侧)
pK₁pK₁(第一级解离常数的负对数,—COOH 失去质子,箭头上方标注)
⁺NH₃ / CH₂ / COO⁻⁺NH₃—CH₂—COO⁻(两性离子型,净电荷 0,图上方中间)
pK₂pK₂(第二级解离常数的负对数,—NH₃⁺ 失去质子,箭头上方标注)
NH₂ / CH₂ / COO⁻NH₂—CH₂—COO⁻(完全去质子型,净电荷 −1,图上方右侧)
13 (y-axis top tick)纵轴顶端刻度 13(数值不译)
Glycine甘氨酸(Gly)
pK₂ = 9.60pK₂ = 9.60(α-氨基的 pKa,数值不译)
7 (y-axis tick)纵轴刻度 7
pHpH(纵坐标)
pI = 5.97pI = 5.97(等电点,两个 pKa 的算术平均值,对应曲线拐点)
pK₁ = 2.34pK₁ = 2.34(α-羧基的 pKa,数值不译)
0 (y-axis bottom tick)纵轴底端刻度 0
0, 0.5, 1, 1.5, 2 (x-axis ticks)横轴刻度 0、0.5、1、1.5、2(当量数,数值不译)
OH⁻ (equivalents)OH⁻(当量数;1 当量 OH⁻ = 加入 0.1 M NaOH,横坐标)
(shaded blue boxes)蓝色阴影方框:分别以 pK₁ ≈ 2.3 和 pK₂ = 9.60 为中心,表示缓冲能力最强的区间(各约 pKa ± 1 个 pH 单位)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
术语对照
  • 兼性离子(两性离子、偶极离子)zwitterion / dipolar ion名词解释高频;中性 pH 下氨基酸的主要存在形式
  • 两性电解质ampholyte / amphoteric electrolyte既能作酸又能作碱的物质
  • 二元酸diprotic acid完全质子化的单氨基单羧基氨基酸可给出两个质子
  • 滴定曲线中点 / 拐点midpoint / inflection point中点 pH = pKa;两段之间的拐点 pH = pI

pKa 的微扰、缓冲区与等电点 pIPerturbed pKa Values, Buffering Zones, and the Isoelectric Point

笔记 考点三:等电点 pI 的概念与计算笔记 考点三:氨基酸的缓冲作用笔记 考点七:氨基酸的电泳分离(净电荷与迁移方向)
Original text

Note that the carboxyl group of glycine is over 100 times more acidic (more easily ionized) than the carboxyl group of acetic acid, which, as we saw in Chapter 2, has a pKa of 4.76 — about average for a carboxyl group attached to an otherwise unsubstituted aliphatic hydrocarbon. The perturbed pKa of glycine is caused primarily by the nearby positively charged amino group on the α-carbon atom, an electronegative group that tends to pull electrons toward it (a process called electron withdrawal), as described in Figure 3-11. The opposite charges on the resulting zwitterion are also somewhat stabilizing.

中文翻译

请注意,甘氨酸的羧基比乙酸的羧基酸性强 100 倍以上(更易电离);正如我们在第 2 章中所见,乙酸的 pKa 为 4.76——这大致相当于连接在其余部分未被取代的脂肪烃上的羧基的平均值。甘氨酸 pKa 之所以发生偏移,主要是由于 α 碳原子上邻近的带正电荷的氨基,它是一个电负性基团,倾向于把电子拉向自身(这一过程称为吸电子作用),如图 3-11 所述。所形成的兼性离子上相反的电荷也在一定程度上起稳定作用。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 375
Original text

Similarly, the pKa of the amino group in glycine is perturbed downward relative to the average pKa of an amino group. This effect is due largely to electron withdrawal by the electronegative oxygen atoms in the carboxyl groups, increasing the tendency of the amino group to give up a proton. Hence, the α-amino group has a pKa that is lower than that of an aliphatic amine such as methylamine (Fig. 3-11). In short, the pKa of any functional group is greatly affected by its chemical environment, a phenomenon sometimes exploited in the active sites of enzymes to promote exquisitely adapted reaction mechanisms that depend on the perturbed pKa values of proton donor/acceptor groups of specific residues.

中文翻译

与此类似,甘氨酸中氨基的 pKa 相对于一般氨基的平均 pKa 也向下偏移。这一效应主要归因于羧基中电负性氧原子的吸电子作用,它增强了氨基给出质子的倾向。因此,α-氨基的 pKa 低于脂肪族胺(例如甲胺)的 pKa(图 3-11)。简而言之,任何官能团的 pKa 都受其化学环境的极大影响;这一现象有时会在酶的活性部位中被加以利用,以形成高度适应的反应机制,这些机制依赖于特定残基上质子供体/受体基团被微扰后的 pKa 值。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 375
原理解读

这两段回答“为什么氨基酸的 pK1 比乙酸小、pK2 比甲胺小”,原理是同一分子内相邻带电基团的吸电子效应(诱导效应):①α-NH₃⁺ 带正电、吸电子,使 —COOH 更易给出质子,故 pK1≈2.34 远低于乙酸的 4.76(酸性强 100 倍以上);②羧基上电负性的氧吸电子,使 —NH₃⁺ 更易给出质子,故 pK2≈9.6 低于甲胺;③兼性离子上正负电荷相互稳定。延伸考点:同一残基在蛋白质不同微环境中 pKa 会显著偏移(如溶菌酶 Glu35、胰凝乳蛋白酶 His57),这正是酶催化机制题里“微扰 pKa”的来源;此外,肽链中的氨基酸残基因 α-氨基和 α-羧基已成肽键,只剩侧链可解离,故蛋白质的酸碱性质主要由侧链决定。

Original text

The second piece of information provided by the titration curve of glycine is that this amino acid has two regions of buffering power. One of these is the relatively flat portion of the curve, extending for approximately 1 pH unit on either side of the first pKa of 2.34, indicating that glycine is a good buffer near this pH. The other buffering zone is centered around pH 9.60. (Note that glycine is not a good buffer at the pH of intracellular fluid or blood, about 7.4.) Within the buffering ranges of glycine, the Henderson-Hasselbalch equation (p. 60) can be used to calculate the proportions of proton-donor and proton-acceptor species of glycine required to make a buffer at a given pH.

中文翻译

甘氨酸滴定曲线提供的第二条信息是,这种氨基酸有两个缓冲能力区。其中之一是曲线上相对平坦的部分,它在第一个 pKa(2.34)两侧各延伸约 1 个 pH 单位,表明甘氨酸在该 pH 附近是良好的缓冲剂。另一个缓冲区以 pH 9.60 为中心。(请注意,在细胞内液或血液的 pH——约 7.4——下,甘氨酸并不是好的缓冲剂。)在甘氨酸的缓冲范围内,可以用 Henderson-Hasselbalch 方程(第 60 页)计算配制给定 pH 的缓冲液所需的甘氨酸质子供体形式与质子受体形式的比例。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 376
原理解读

考点三的“缓冲作用”要点:①缓冲范围是 pKa ± 1 个 pH 单位,pH = pKa 时缓冲容量最大;②甘氨酸的两个缓冲区在 pH 2.34 和 9.60 附近,都远离生理 pH 7.4,所以游离甘氨酸不是体内的有效缓冲剂;③20 种氨基酸中只有组氨酸(侧链咪唑基 pKa≈6.0)能在生理 pH 附近提供有效缓冲,这也是血红蛋白 His 残基参与血液缓冲的原因;④定量计算用 Henderson-Hasselbalch 方程 pH = pKa + log([质子受体]/[质子供体]),考试中常要求据此算某 pH 下两种形式的比例,或算配制缓冲液所需的酸碱比。

Original text

A final important piece of information derived from the titration curve of an amino acid is the relationship between its net charge and the pH of the solution. At pH 5.97, the point of inflection between the two stages in its titration curve, glycine is present predominantly as its dipolar form, fully ionized but with no net electric charge (Fig. 3-10). The characteristic pH at which the net electric charge is zero is called the isoelectric point or isoelectric pH, designated pI. For glycine, which has no ionizable group in its side chain, the isoelectric point is simply the arithmetic mean of the two pKa values:

中文翻译

从氨基酸滴定曲线得到的最后一条重要信息,是其净电荷与溶液 pH 之间的关系。在 pH 5.97,即滴定曲线两个阶段之间的拐点处,甘氨酸主要以其偶极形式存在,完全电离但没有净电荷(图 3-10)。净电荷为零时所对应的这一特征 pH 称为等电点或等电 pH,记作 pI。对于侧链中没有可解离基团的甘氨酸来说,等电点就是两个 pKa 值的算术平均值:

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 376
Original text

As is evident in Figure 3-10, glycine has a net negative charge at any pH above its pI and thus will move toward the positive electrode (the anode) when placed in an electric field. At any pH below its pI, glycine has a net positive charge and will move toward the negative electrode (the cathode). The farther the pH of a glycine solution is from its isoelectric point, the greater the net electric charge of the population of glycine molecules. At pH 1.0, for example, glycine exists almost entirely as the form +H3N—CH2—COOH with a net positive charge of 1.0. At pH 2.34, where there is an equal mixture of +H3N—CH2—COOH and +H3N—CH2—COO−, the average or net positive charge is 0.5. The sign and the magnitude of the net charge of any amino acid at any pH can be predicted in the same way.

中文翻译

如图 3-10 所示,在任何高于其 pI 的 pH 下,甘氨酸带净负电荷,因此置于电场中时会向正极(阳极)移动。在任何低于其 pI 的 pH 下,甘氨酸带净正电荷,会向负极(阴极)移动。甘氨酸溶液的 pH 离其等电点越远,甘氨酸分子群体的净电荷就越大。例如在 pH 1.0 时,甘氨酸几乎完全以 ⁺H₃N—CH₂—COOH 的形式存在,净正电荷为 1.0。在 pH 2.34 时,⁺H₃N—CH₂—COOH 与 ⁺H₃N—CH₂—COO⁻ 等量混合,平均净正电荷为 0.5。任何氨基酸在任何 pH 下净电荷的符号与大小,都可以用同样的方法预测。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Can Act as Acids and Bases · 教材 p. 376
原理解读

等电点是考点三与考点七(电泳分离)的交汇处,务必掌握以下模板:①定义:使氨基酸净电荷为零时溶液的 pH,记作 pI(名词解释);②计算:pI = ½(pKa1 + pKa2),取的是“净电荷为 0 的那种离子形式两侧”的两个 pK——中性氨基酸取 pK1 与 pK2(甘氨酸 pI = ½(2.34+9.60) = 5.97);酸性氨基酸取 pK1 与 pKR(谷氨酸 pI = ½(2.19+4.25) = 3.22);碱性氨基酸取 pK2 与 pKR(组氨酸 pI = ½(6.0+9.17) = 7.59);③电泳判断:pH > pI 时带负电向阳极移动,pH < pI 时带正电向阴极移动,pH = pI 时不移动且溶解度最小(可用于等电点沉淀);④pH 离 pI 越远净电荷越大、迁移越快。这一段原文把上述每一条都讲到了,可直接作为简答题的依据。

术语对照
  • 等电点isoelectric point / isoelectric pH (pI)净电荷为零时的 pH;pI = ½(相邻两个 pKa 之和)
  • 缓冲能力(缓冲区)buffering power / buffering zonepKa ± 1 pH 单位;pH = pKa 时最大
  • Henderson-Hasselbalch 方程Henderson-Hasselbalch equationpH = pKa + log([受体]/[供体])
  • 吸电子作用(诱导效应)electron withdrawal解释氨基酸 pK1、pK2 相对于乙酸、甲胺的下移
  • 阳极 / 阴极anode / cathodepH>pI 带负电走向阳极;pH<pI 带正电走向阴极

不同氨基酸酸碱性质的差异:三个 pK 与侧链的影响Amino Acids Differ in Their Acid-Base Properties

笔记 考点三:可解离侧链氨基酸的滴定与 pI 计算笔记 考点七:等电聚焦与离子交换层析的原理基础
Original text

The shared properties of many amino acids permit some simplifying generalizations about their acid-base behaviors. First, all amino acids with a single α-amino group, a single α-carboxyl group, and an R group that does not ionize have titration curves resembling that of glycine (Fig. 3-10).

中文翻译

许多氨基酸所共有的性质,使我们可以对它们的酸碱行为作出一些简化的概括。第一,所有只带一个 α-氨基、一个 α-羧基且 R 基团不解离的氨基酸,其滴定曲线都与甘氨酸的滴定曲线相似(图 3-10)。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Differ in Their Acid-Base Properties · 教材 p. 376
原理解读

第一条概括:中性氨基酸(R 基不解离)都是二元酸,只有两个 pK,曲线形状与甘氨酸相同。教材表 3-1 给出的经验范围是 —COOH 的 pKa 约 1.8~2.4,—NH₃⁺ 的 pKa 约 8.8~11.0,彼此的细小差别源自各自 R 基团造成的化学环境不同。考试中若给出一个陌生的中性氨基酸,可直接套用“pI = ½(pK1 + pK2) ≈ 5.5~6.3”这一区间来判断。

Original text

Second, amino acids with an ionizable R group have more complex titration curves, with three stages corresponding to the three possible ionization steps; thus, they have three pKa values. The additional stage for the titration of the ionizable R group merges to some extent with that for the titration of the α-carboxyl group, the titration of the α-amino group, or both. The titration curves for two amino acids of this type, glutamate and histidine, are shown in Figure 3-12.

中文翻译

第二,带有可解离 R 基团的氨基酸具有更复杂的滴定曲线:它们有对应于三个可能电离步骤的三个阶段,因此有三个 pKa 值。R 基团滴定所对应的这一额外阶段,会在一定程度上与 α-羧基的滴定阶段、α-氨基的滴定阶段或两者相互重叠。图 3-12 给出了这类氨基酸中的两种——谷氨酸和组氨酸——的滴定曲线。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Differ in Their Acid-Base Properties · 教材 p. 377
Original text

The isoelectric points reflect the nature of the ionizing R groups that are present. For example, glutamate has a pI of 3.22, considerably lower than that of glycine. This is due to the presence of two carboxyl groups, which, at the average of their pKa values (3.22), contribute a net charge of −1 that balances the +1 contributed by the amino group. Similarly, the pI of histidine, with two groups that are positively charged when protonated, is 7.59 (the average of the pKa values of the amino and imidazole groups), much higher than that of glycine.

中文翻译

等电点反映了所存在的可解离 R 基团的性质。例如,谷氨酸的 pI 为 3.22,明显低于甘氨酸的 pI。这是由于存在两个羧基:在它们 pKa 的平均值(3.22)处,这两个羧基贡献 −1 的净电荷,恰好抵消氨基所贡献的 +1。同样,组氨酸有两个在质子化时带正电荷的基团,其 pI 为 7.59(即氨基与咪唑基 pKa 的平均值),远高于甘氨酸的 pI。

§3.1 Amino Acids — Amino Acids Differ in Their Acid-Base Properties · 教材 p. 377
原理解读

这是 pI 计算“取哪两个 pK”的原理性解释,也是最容易死记硬背而出错的地方。原文给的判据是:取那两个“其解离状态决定净电荷由 +1 变为 0、再由 0 变为 −1”的基团的 pKa 求平均。操作化记法:①酸性氨基酸(Asp、Glu):两个羧基,pI = ½(pK1 + pKR),故 pI 低(Glu 3.22、Asp 2.77);②碱性氨基酸(Lys、Arg、His):两个质子化后带正电的基团,pI = ½(pK2 + pKR),故 pI 高(His 7.59、Lys 9.74、Arg 10.76);③中性氨基酸:pI = ½(pK1 + pK2)。原文补充的最后一点也很重要——在水溶液中只有组氨酸的 R 基团(pKa ≈ 6.0)能在多数动物和细菌细胞内外液的中性 pH 附近提供显著的缓冲能力。

图 3-12 (a) 谷氨酸和 (b) 组氨酸的滴定曲线。R 基团的 pKa 在此记为 pKR。在这两种情况下,由于存在三个可解离基团,滴定曲线都变得更为复杂。注意对谷氨酸而言,pI 约等于两个带负电荷基团 pKa 的算术平均值。当这两个基团贡献 −1 的净电荷(一个被质子化、另一个未被质子化),恰好抵消质子化 α-氨基所带的 +1 电荷时,净电荷为 0,即达到 pI。同样,组氨酸的 pI 约等于两个在质子化时带正电荷的基团 pKa 的算术平均值。
图注 · 图 3-12 (a) 谷氨酸和 (b) 组氨酸的滴定曲线。R 基团的 pKa 在此记为 pKR。在这两种情况下,由于存在三个可解离基团,滴定曲线都变得更为复杂。注意对谷氨酸而言,pI 约等于两个带负电荷基团 pKa 的算术平均值。当这两个基团贡献 −1 的净电荷(一个被质子化、另一个未被质子化),恰好抵消质子化 α-氨基所带的 +1 电荷时,净电荷为 0,即达到 pI。同样,组氨酸的 pI 约等于两个在质子化时带正电荷的基团 pKa 的算术平均值。
Caption · FIGURE 3-12 Titration curves for (a) glutamate and (b) histidine. The pKa of the R group is designated here as pKR. In both cases, the presence of three ionizable groups renders the titration curve more complex. Note that for glutamate, the pI is approximately the arithmetic mean of the pKa of the two groups that are negatively charged. There is a net charge of 0 (the pI) when these two groups contribute a net charge of −1 (one protonated, the other not) to exactly balance the +1 charge of the protonated α-amino group. Similarly, the pI for histidine is approximately the arithmetic mean of the pKa of the two groups that are positively charged when protonated.
怎么看 · 两图都是「上方解离序列+Net charge 行 → 下方三段式曲线」,三个可解离基团给出三个 pK 平台。考研重点(最常考的 pI 计算规则):pI 取「净电荷为 0 那一形式两侧」的两个 pKa 平均——酸性氨基酸谷氨酸取 pK₁ 与 pK_R 的平均 (2.19+4.25)/2 ≈ 3.22,碱性氨基酸组氨酸取 pK_R 与 pK₂ 的平均 (6.0+9.17)/2 ≈ 7.59;同时注意组氨酸 pK_R ≈ 6.0 靠近生理 pH,是酶活性中心最常见的质子供受体。
讲解 · 这张图是三个 pK 型氨基酸的标准范例,考研画图题几乎只考谷氨酸(酸性代表)和组氨酸/赖氨酸(碱性代表)。读图要点:曲线出现三个中点(三个 pKa)与相应的三段缓冲区;pI 位于“净电荷为 0 的那段平台”对应的拐点处,对谷氨酸落在两个羧基 pKa 之间(3.22),对组氨酸落在咪唑基与 α-氨基 pKa 之间(7.59)。
图内标注中英对照 · 25 条
English中文
COOH / COO⁻ / H₃N⁺—CH / H₂N—CH / CH₂COOH、COO⁻、H₃N⁺—CH、H₂N—CH、CH₂(结构式,化学式不译)
pK₁pK₁(α-羧基解离,箭头上方标注)
pK_RpK_R(侧链 R 基解离常数的负对数)
pK₂pK₂(α-氨基解离)
Net charge:净电荷:
+1 0 −1 −2 (glutamate net charges)+1、0、−1、−2(谷氨酸各解离态的净电荷,数值不译)
(a)(a) 分图 a:谷氨酸
Glutamate谷氨酸(Glu)
pK₂ = 9.67pK₂ = 9.67(α-氨基 pKa)
pK_R = 4.25pK_R = 4.25(侧链 γ-羧基 pKa)
pI = 3.22pI = 3.22(等电点)
pK₁ = 2.19pK₁ = 2.19(α-羧基 pKa)
pH (y-axis label, both panels)pH(纵坐标,两图相同)
0, 2, 4, 6, 8, 10 (y-axis ticks)纵轴刻度 0、2、4、6、8、10(数值不译)
0, 1.0, 2.0, 3.0 (x-axis ticks)横轴刻度 0、1.0、2.0、3.0(当量数,数值不译)
OH⁻ (equivalents)OH⁻(当量数,横坐标)
N / NH / CH / H (imidazole ring)N、NH、CH、H(咪唑环上的原子标注,化学式不译)
+2 +1 0 −1 (histidine net charges)+2、+1、0、−1(组氨酸各解离态的净电荷,数值不译)
(b)(b) 分图 b:组氨酸
Histidine组氨酸(His)
pK₂ = 9.17pK₂ = 9.17(α-氨基 pKa)
pI = 7.59pI = 7.59(等电点)
pK_R = 6.0pK_R = 6.0(咪唑侧链 pKa,接近中性)
pK₁ = 1.82pK₁ = 1.82(α-羧基 pKa)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
Original text

Amino acids vary in their acid-base properties and have characteristic titration curves. Monoamino monocarboxylic amino acids (with nonionizable R groups) are diprotic acids (+H3NCH(R)COOH) at low pH and exist in several different ionic forms as the pH is increased. Amino acids with ionizable R groups have additional ionic species, depending on the pH of the medium and the pKa of the R group.

中文翻译

氨基酸的酸碱性质各不相同,并具有各自特征性的滴定曲线。单氨基单羧基氨基酸(R 基团不可解离)在低 pH 下是二元酸(⁺H₃NCH(R)COOH),随着 pH 升高会以几种不同的离子形式存在。带有可解离 R 基团的氨基酸则具有额外的离子形式,具体取决于介质的 pH 和该 R 基团的 pKa。

§3.1 Amino Acids — SUMMARY 3.1 Amino Acids · 教材 p. 378
术语对照
  • pK1 / pK2 / pKRpK1 (—COOH) / pK2 (—NH₃⁺) / pKR (R group)表 3-1 必背:Gly 2.34/9.60;Glu pKR 4.25;Asp pKR 3.65;His pKR 6.0;Lys pKR 10.53;Arg pKR 12.48;Cys pKR 8.18;Tyr pKR 10.07
  • 酸性氨基酸的 pIpI of acidic amino acidspI = ½(pK1 + pKR),如 Glu 3.22、Asp 2.77
  • 碱性氨基酸的 pIpI of basic amino acidspI = ½(pK2 + pKR),如 His 7.59、Lys 9.74、Arg 10.76
  • 唯一在生理 pH 有缓冲能力的侧链histidine imidazole (pKa ≈ 6.0)血红蛋白等蛋白质缓冲作用的分子基础

肽是氨基酸的链:肽键的形成、命名与末端规则Peptides Are Chains of Amino Acids

笔记 考点八:蛋白质的分子组成与结构层次笔记 考点九:肽
Original text

Two amino acid molecules can be covalently joined through a substituted amide linkage, termed a peptide bond, to yield a dipeptide. Such a linkage is formed by removal of the elements of water (dehydration) — a hydroxyl moiety from the αcarboxyl group of one amino acid and a hydrogen atom the αamino group of another (Fig. 3-13).

中文翻译

两个氨基酸分子可以通过一种取代的酰胺键(称为肽键)共价连接起来,生成一个二肽。这种连接是通过脱去水的组分(脱水)而形成的——即脱去一个氨基酸 α-羧基上的羟基,以及另一个氨基酸 α-氨基上的一个氢原子(图 3-13)。

§3.2 Peptides Are Chains of Amino Acids · 教材 p. 379
原理解读

肽键的本质是「取代的酰胺键」(substituted amide linkage)——羧基的 C 与氨基的 N 之间成键,形式上脱去一分子水。注意教材强调的两个细节:(1) 脱水的具体来源是「羧基掉 —OH、氨基掉 —H」,考试常让你写出脱水缩合的方程或判断脱去几分子水(n 个氨基酸形成一条直链肽脱去 n−1 分子水,若含 1 个链内二硫键还要再脱 2H);(2) 肽键之所以叫「取代的酰胺键」,是因为酰胺氮上的氢被 α-碳取代。笔记考点九「肽」的第一问通常就是「肽键的定义与形成」,答题要把「共价键 / 取代酰胺键 / 脱水缩合 / α-羧基与 α-氨基之间」四个要素写全。

Original text

Peptide bond formation is an example of a condensation reaction, a common class of reactions in living cells. The reverse reaction, bond breakage involving water, is an example of hydrolytic cleavage or hydrolysis. Under standard biochemical conditions, the equilibrium for the reaction shown in Figure 3-13 favors the hydrolysis of the dipeptide into amino acids. To make the condensation reaction thermodynamically more favorable, the carboxyl group must be chemically modified or activated so that the hydroxyl group can be more readily eliminated. A chemical approach to this problem is outlined later in this chapter. The biological approach to peptide bond formation is a major topic of Chapter 27.

中文翻译

肽键的形成是缩合反应的一个例子,缩合反应是活细胞中常见的一大类反应。其逆反应,即有水参与的键断裂,则是水解裂解(水解)的一个例子。在标准生化条件下,图 3-13 所示反应的平衡偏向于二肽水解为氨基酸。要使缩合反应在热力学上更为有利,必须对羧基进行化学修饰或活化,使羟基更容易被消除。本章后面会概述解决这一问题的一条化学途径。而肽键形成的生物学途径则是第 27 章的主要内容。

§3.2 Peptides Are Chains of Amino Acids · 教材 p. 379
原理解读

这一段是「热力学 vs 动力学」的经典设问点。热力学上,标准生化条件下平衡偏向水解一侧,也就是说单纯把氨基酸放在水里绝不会自发缩合成肽——所以无论体内(氨基酸先活化成氨酰-tRNA)还是体外(固相合成中用偶联试剂活化羧基),都必须先「活化羧基、把 —OH 变成好的离去基团」。这与后面第九节固相肽合成(考点十二)是同一条逻辑主线:化学合成之所以要活化+保护,根源就在于此。常见考法:「为什么体内合成肽键必须消耗 ATP/GTP?」标准答案要先指出缩合反应 ΔG′° 不利,再说明活化机制。

图 3-13 通过缩合形成肽键。一个氨基酸(带 R2 基团)的 α-氨基作为亲核试剂,取代另一个氨基酸(带 R1 基团)的羟基,形成肽键(浅红色底纹)。氨基是良好的亲核试剂,但羟基是很差的离去基团,不易被取代。在生理 pH 下,此处所示的反应不会以任何可观的程度发生。
图注 · 图 3-13 通过缩合形成肽键。一个氨基酸(带 R2 基团)的 α-氨基作为亲核试剂,取代另一个氨基酸(带 R1 基团)的羟基,形成肽键(浅红色底纹)。氨基是良好的亲核试剂,但羟基是很差的离去基团,不易被取代。在生理 pH 下,此处所示的反应不会以任何可观的程度发生。
Caption · FIGURE 3-13 Formation of a peptide bond by condensation. The α-amino group of one amino acid (with the R2 group) acts as a nucleophile to displace the hydroxyl group of another amino acid (with the R1 group), forming a peptide bond (shaded in light red). Amino groups are good nucleophiles, but the hydroxyl group is a poor leaving group and is not readily displaced. At physiological pH, the reaction shown here does not occur to any appreciable extent.
怎么看 · 从上到下看:两个氨基酸(左侧供羧基、右侧供氨基)→ 脱水 → 下方产物中粉色底纹的 —CO—NH— 就是肽键。考研重点:肽键由前一残基的 α-羧基与后一残基的 α-氨基缩合脱水生成,属于取代(亲核酰基取代)反应;注意图注强调 OH 是不良离去基团,故生理 pH 下该反应实际不会自发进行,体内需 ATP 活化与核糖体催化。
讲解 · 把这幅图的亲核取代机理记牢,就能一句话回答「为什么肽键形成需要活化」:亲核试剂(—NH2)没问题,问题出在离去基团(—OH)太差。图中浅红底纹即肽键部位,是画肽键结构式时的采分点。
图内标注中英对照 · 16 条
English中文
R¹(第一个氨基酸的侧链)
H₃N⁺H₃N⁺(α-氨基)
CHCH(α-碳)
CC(羰基碳)
OHOH(羟基,红色;作为离去基团,实为不良离去基团)
OO(羰基氧)
++(加号,两个反应物之间)
H (red, on N)H(红色,氨基上被脱去的氢)
R²(第二个氨基酸的侧链)
NN(氨基氮,作为亲核试剂)
COO⁻COO⁻(α-羧基)
H₂O (left, entering arrow)H₂O(左侧箭头:逆反应——水解时消耗水)
H₂O (right, leaving arrow)H₂O(右侧箭头:正反应——缩合时脱去一分子水)
(双向平衡箭头)可逆反应双箭头(缩合⇄水解)
(shaded pink C(=O)—N(H) group)粉色底纹的 —C(=O)—NH— 部分:即新生成的肽键(酰胺键)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
Original text

Three amino acids can be joined by two peptide bonds to form a tripeptide; similarly, four amino acids can be linked to form a tetrapeptide, five to form a pentapeptide, and so forth. When a few amino acids are joined in this fashion, the structure is called an oligopeptide. When many amino acids are joined, the product is called a polypeptide. Proteins may have thousands of amino acid residues.

中文翻译

三个氨基酸可以通过两个肽键连接成三肽;同样,四个氨基酸可以连成四肽,五个连成五肽,依此类推。当少数几个氨基酸以这种方式连接时,所形成的结构称为寡肽。当许多氨基酸连接在一起时,产物称为多肽。蛋白质可以含有数千个氨基酸残基。

§3.2 Peptides Are Chains of Amino Acids · 教材 p. 380
原理解读

命名体系:二肽 / 三肽 / 四肽 / 五肽 → 寡肽(oligopeptide,一般 ≤10 个残基)→ 多肽(polypeptide)。教材还给出了一条实用的分界线:习惯上把分子量低于 10,000 的称为多肽,高于此值的称为蛋白质——但作者明确说明「protein」与「polypeptide」有时可互换使用,说明这条界线是约定俗成而非严格定义。笔记考点九常考名词辨析:肽 / 寡肽 / 多肽 / 蛋白质的区别与联系,答题时务必点明「无严格界限,习惯以 Mr 10,000 或残基数约 100 为界」。

Original text

Figure 3-14 shows the structure of a pentapeptide. In a peptide, the amino acid residue at the end with a free α-amino group is the amino-terminal (or N-terminal) residue; the residue at the other end, which has a free carboxyl group, is the carboxylterminal (C-terminal) residue.

中文翻译

图 3-14 显示了一个五肽的结构。在一条肽链中,位于带有游离 α-氨基那一端的氨基酸残基称为氨基末端(或 N 末端)残基;另一端带有游离羧基的残基则称为羧基末端(C 末端)残基。

§3.2 Peptides Are Chains of Amino Acids · 教材 p. 381
原理解读

教材紧接着以 KEY CONVENTION 规定书写惯例:氨基末端写在左边、羧基末端写在右边,序列从左向右读、从 N 端开始。这条约定是所有序列题的默认前提——例如 Ser–Gly–Tyr–Ala–Leu(SGYAL)中 Ser 是 N 端残基、Leu 是 C 端残基,命名时前面各残基用「-酰基」词尾(丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸),只有 C 端残基保留原名。常见考法:给出肽名要求写结构式或判断 N/C 端;以及后面测序题里「trypsin 切出的片段除一条外都以 Lys/Arg 结尾」,靠的就是 C 端的概念。

图 3-14 五肽丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸,即 Ser–Gly–Tyr–Ala–Leu 或 SGYAL。肽的命名从氨基末端残基开始(按惯例氨基末端置于左侧;原图中肽键以浅红色底纹标出,R 基团为红色)。
图注 · 图 3-14 五肽丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸,即 Ser–Gly–Tyr–Ala–Leu 或 SGYAL。肽的命名从氨基末端残基开始(按惯例氨基末端置于左侧;原图中肽键以浅红色底纹标出,R 基团为红色)。
Caption · FIGURE 3-14 The pentapeptide serylglycyltyrosylalanylleucine, Ser–Gly–Tyr–Ala–Leu, or SGYAL. Peptides are named beginning with the aminoterminal residue,
怎么看 · 从左(N 端)读到右(C 端),数粉色底纹块=肽键数,红色伸出的部分=各残基 R 基:CH₂OH→Ser、只有 H→Gly、酚环→Tyr、CH₃→Ala、异丁基→Leu。考研重点:n 肽含 n−1 个肽键,命名与书写一律从 N 端起始;只有两端各一个游离 α-氨基和 α-羧基,链内 α-氨基/α-羧基都已成肽键、不再解离。
讲解 · 这幅图是「肽的命名 + 主链/侧链区分」的标准范例:浅红底纹的是重复出现的主链肽键,红色的是各残基的 R 基团。考试要求画五肽结构式时,主链 —NH—CHR—CO— 的重复单元必须画对,末端要标出游离 α-NH3+ 与 α-COO−。
图内标注中英对照 · 17 条
English中文
OH (tyrosine phenol)OH(酪氨酸酚羟基,红色)
CH₃ CH₃ (leucine)CH₃ CH₃(亮氨酸侧链末端两个甲基,红色)
CH₂OH (serine)CH₂OH(丝氨酸侧链羟甲基,红色)
H (amide N—H)H(肽键上的酰胺氢,粉色底纹内)
CH (leucine side chain)CH(亮氨酸侧链次甲基)
CH₂ (tyrosine / leucine side chain)CH₂(酪氨酸、亮氨酸侧链亚甲基)
CH₃ (alanine)CH₃(丙氨酸侧链甲基,红色)
H₃N⁺H₃N⁺(游离 α-氨基,位于左端)
CC(α-碳与羰基碳)
NN(肽键上的氮)
H (α-carbon H)H(α-碳上的氢)
OO(羰基氧,粉色底纹内)
COO⁻COO⁻(游离 α-羧基,位于右端)
Amino-terminal end氨基端/N 端(按惯例写在左侧)
Carboxyl-terminal end羧基端/C 端(按惯例写在右侧)
(shaded pink —C(=O)—N(H)— groups, ×4)粉色底纹的 4 处 —C(=O)—NH—:即 4 个肽键;红色部分为各残基的 R 基
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
术语对照
  • 肽键peptide bond名词解释高频:氨基酸 α-羧基与另一氨基酸 α-氨基脱水缩合形成的取代酰胺键
  • 残基residue脱水后留在链中的那部分氨基酸;算残基平均分子量 110 的前提
  • 缩合反应 / 水解condensation / hydrolysis互为逆反应;标准生化条件下平衡偏向水解
  • 寡肽 / 多肽oligopeptide / polypeptide无严格界限,习惯以 Mr 10,000 为多肽与蛋白质的分界
  • 氨基(N)末端 / 羧基(C)末端amino-terminal (N-terminal) / carboxyl-terminal (C-terminal) residue书写惯例:N 端在左、C 端在右,从左向右读

肽的稳定性、电离行为与等电点Peptides Can Be Distinguished by Their Ionization Behavior

笔记 考点九:肽笔记 考点七:氨基酸的解离与等电点(延伸)
Original text

Although hydrolysis of a peptide bond is an exergonic reaction, it occurs only slowly because it has a high activation energy (p. 25). As a result, the peptide bonds in proteins are quite stable, with an average half-life (t1/2) of about 7 years under most intracellular conditions.

中文翻译

虽然肽键的水解是一个放能反应,但它进行得非常缓慢,因为其活化能很高(见第 25 页)。因此,蛋白质中的肽键相当稳定,在大多数细胞内条件下其平均半衰期(t1/2)约为 7 年。

§3.2 Peptides Can Be Distinguished by Their Ionization Behavior · 教材 p. 382
原理解读

这是「热力学不稳定、动力学稳定」的教科书式例证,也是理解蛋白酶存在意义的关键:ΔG 有利(放能)但活化能高,所以自发水解半衰期长达约 7 年;细胞要在秒级完成蛋白质降解,就必须靠蛋白酶降低活化能。考试常把这句与「酶只改变反应速率、不改变平衡位置」联动出题,或者问「为什么蛋白质在体内能长期存在而蛋白酶又能迅速把它切开」。记住数字:t1/2 ≈ 7 年。

Original text

Peptides contain only one free α-amino group and one free α-carboxyl group, at opposite ends of the chain (Fig. 3-15). These groups ionize as they do in free amino acids. The α-amino and α-carboxyl groups of all nonterminal amino acids are covalently joined in the peptide bonds. They can no longer ionize and thus do not contribute to the total acid-base behavior of peptides. Ionizable R groups in a peptide (Table 3-1) also contribute to the overall acid-base properties of the molecule (Fig. 3-15).

中文翻译

肽只在链的两端分别含有一个游离的 α-氨基和一个游离的 α-羧基(图 3-15)。这两个基团的电离方式与游离氨基酸中相同。所有非末端氨基酸的 α-氨基和 α-羧基都已共价参与形成肽键。它们不再能够电离,因而对肽整体的酸碱行为没有贡献。肽中可电离的 R 基团(表 3-1)也对该分子整体的酸碱性质有贡献(图 3-15)。

§3.2 Peptides Can Be Distinguished by Their Ionization Behavior · 教材 p. 382
原理解读

这是计算肽电荷与 pI 的全部依据,务必背成一条口诀:**一个 N 端 α-氨基 + 一个 C 端 α-羧基 + 全部可解离侧链**,中间的肽键既不供质子也不受质子。因此一条含 n 个残基的肽,可解离基团数 = 2 + (可解离侧链数),而不是 2n。常见考法:给出一条肽(如 Ala-Glu-Gly-Lys),要求 (1) 数出可解离基团、(2) 写出 pH 7.0 时的净电荷、(3) 判断 pI 大致在酸性还是碱性区。做法是把所有基团按 pKa 从小到大排序,用 Henderson–Hasselbalch 逐段判断电荷,净电荷为零时前后两个 pKa 的平均值即为 pI。

图 3-15 丙氨酰谷氨酰甘氨酰赖氨酸。这个四肽含有一个游离的 α-氨基、一个游离的 α-羧基和两个可电离的 R 基团。在 pH 7.0 时已电离的基团以红色标出。
图注 · 图 3-15 丙氨酰谷氨酰甘氨酰赖氨酸。这个四肽含有一个游离的 α-氨基、一个游离的 α-羧基和两个可电离的 R 基团。在 pH 7.0 时已电离的基团以红色标出。
Caption · FIGURE 3-15 Alanylglutamylglycyllysine. This tetrapeptide has one free α-amino group, one free α-carboxyl group, and two ionizable R groups. The groups ionized at pH 7.0 are in red.
怎么看 · 结构式竖排书写,从上(N 端 Ala)读到下(C 端 Lys),中间 3 组 O=C—NH 即 3 个肽键(四肽有 4−1=3 个肽键);数红色基团就数出全部可解离基团:α-⁺NH₃、Glu 的 γ-COO⁻、Lys 的 ε-⁺NH₃、α-COO⁻ 共 4 个,pH 7.0 时正负各 2、净电荷恰为 0。考研重点:肽的酸碱性质只由两端游离 α-氨基/α-羧基与侧链可解离 R 基决定,链内已成肽键的氨基和羧基不再解离,据此才能算出肽的净电荷与 pI(等电聚焦、离子交换层析分离蛋白的依据)。
讲解 · 把这张图当作「肽电荷计算题」的模板:Ala-Glu-Gly-Lys 共 4 个可解离基团(N 端 α-NH3+、C 端 α-COO−、Glu 的 γ-COO−、Lys 的 ε-NH3+)。pH 7.0 时四个基团全部电离,正负各 2,净电荷为 0,故其 pI 接近中性。考场上照此逐一列表即可,不必死记。
图内标注中英对照 · 13 条
English中文
AlaAla(丙氨酸残基,氨基端 N 端第 1 位;标在结构式最左列)
⁺NH₃ (red, top)⁺NH₃(游离 α-氨基,红色;pH 7.0 下已质子化,带 +1 电荷)
CH—CH₃CH—CH₃(Ala 的 α-碳及其甲基侧链;甲基为中性、不可解离)
O=CO=C(肽键的羰基;结构式中共 3 处,分别位于 Ala—Glu、Glu—Gly、Gly—Lys 之间)
NHNH(肽键的酰胺氮—氢;与上方 O=C 配对,共 3 处)
GluGlu(谷氨酸残基,第 2 位)
CH—CH₂—CH₂—COO⁻CH—CH₂—CH₂—COO⁻(Glu 的 α-碳与侧链;末端 γ-羧基以红色标出,pH 7.0 已解离,带 −1 电荷)
GlyGly(甘氨酸残基,第 3 位)
CH₂CH₂(Gly 的 α-碳;侧链只是一个 H,故整体写作 CH₂)
LysLys(赖氨酸残基,羧基端 C 端第 4 位)
CH—CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—⁺NH₃CH—CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—⁺NH₃(Lys 的 α-碳与四个亚甲基侧链;末端 ε-氨基以红色标出,pH 7.0 已质子化,带 +1 电荷)
COO⁻ (red, bottom)COO⁻(游离 α-羧基,红色;位于结构式最下端,pH 7.0 已解离,带 −1 电荷)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
Original text

When an amino acid becomes a residue in a peptide, its chemical environment is altered, and the pKa value for an ionizable R group can change somewhat. The pKa values for R groups listed in Table 3-1 can be a useful guide to the pH range in which a given group will ionize, but they cannot be strictly applied when an amino acid becomes part of a peptide.

中文翻译

当一个氨基酸成为肽中的残基时,它所处的化学环境发生了改变,因此可电离 R 基团的 pKa 值可能会有所变化。表 3-1 中列出的 R 基团 pKa 值,可以作为判断某一基团在何种 pH 范围内电离的有用参考,但当氨基酸成为肽的一部分之后,这些数值就不能被严格套用了。

§3.2 Peptides Can Be Distinguished by Their Ionization Behavior · 教材 p. 384
原理解读

这一段是「用游离氨基酸 pKa 表估算肽 pI」的免责声明,也是简答题里加分的一句话:微环境(邻近电荷、氢键、疏水包埋、去溶剂化)会使残基 pKa 显著偏移,酶活性中心里的 His、Asp、Cys 常常正因此被「调高/调低」到生理 pH 附近,从而具备催化能力(后面第 6 章酶催化会反复用到这个概念)。教材同时指出:与游离氨基酸一样,肽也有特征性的滴定曲线和特征性的等电 pH(pI),在 pI 时净电荷为零、在电场中不移动——这正是电泳与等电聚焦分离肽和蛋白质的物理基础。

术语对照
  • 等电点isoelectric pH (isoelectric point, pI)净电荷为零、电场中不移动的 pH;肽/蛋白质分离技术的基础
  • 活化能activation energy肽键水解放能却极慢的原因;t1/2 ≈ 7 年是常考数字
  • 可解离基团ionizable group肽中 = N 端 α-氨基 + C 端 α-羧基 + 可解离侧链,肽键本身不解离

生物活性肽、蛋白质的链长、亚基组成与氨基酸组成Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions

笔记 考点九:肽(生物活性肽)笔记 考点八:蛋白质的分子组成与结构层次
Original text

No generalizations can be made about the molecular weights of biologically active peptides and proteins in relation to their functions. Naturally occurring peptides range in length from two to many thousands of amino acid residues. Even the smallest peptides can have biologically important effects. Consider the commercially synthesized dipeptide L-aspartyl-L-phenylalanine methyl ester, the artificial sweetener better known as aspartame or NutraSweet.

中文翻译

关于具有生物活性的肽和蛋白质,其分子量与功能之间的关系无法作出任何普遍性的概括。天然存在的肽在长度上从两个残基到数千个氨基酸残基不等。即使是最小的肽也可能产生重要的生物学效应。例如商业化合成的二肽 L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯,也就是更为人熟知的人工甜味剂阿斯巴甜(NutraSweet)。

§3.2 Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions · 教材 p. 384
Original text

Many small peptides exert their effects at very low concentrations. For example, a number of vertebrate hormones (Chapter 23) are small peptides. These include oxytocin (nine amino acid residues), which is secreted by the posterior pituitary gland and stimulates uterine contractions, and thyrotropinreleasing factor (three residues), which is formed in the hypothalamus and stimulates the release of another hormone, thyrotropin, from the anterior pituitary gland. Some extremely toxic mushroom poisons, such as amanitin, are also small peptides, as are many antibiotics.

中文翻译

许多小肽在极低浓度下即可发挥作用。例如,脊椎动物的若干激素(第 23 章)都是小肽。其中包括催产素(9 个氨基酸残基),它由垂体后叶分泌,能刺激子宫收缩;以及促甲状腺激素释放因子(3 个残基),它在下丘脑中生成,能刺激垂体前叶释放另一种激素——促甲状腺激素。某些毒性极强的蘑菇毒素(例如鹅膏蕈碱)也是小肽,许多抗生素同样如此。

§3.2 Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions · 教材 p. 385
原理解读

笔记「生物活性肽」这一小节的举例基本都能在这两段里找到英文出处:甜味剂阿斯巴甜(二肽甲酯)、催产素(9 肽,垂体后叶,促子宫收缩)、促甲状腺激素释放因子 TRF(3 肽,下丘脑,促垂体前叶释放促甲状腺激素)、鹅膏蕈碱(毒蘑菇毒素)、多种肽类抗生素。中文教材还常补充谷胱甘肽(GSH,γ-Glu-Cys-Gly 三肽,注意其 γ-谷氨酰肽键不是普通 α-肽键)与加压素——Lehninger 8e 正文未展开,但答题时可作为中文体系内的标准例证补上。常见考法:填空/简答「举出三种生物活性肽及其功能」,要点是「小分子量 + 高活性 + 低浓度起效」。

Original text

Hemoglobin, for example, has four polypeptide subunits: two identical α chains and two identical β chains, all four held together by noncovalent interactions. Each α subunit is paired in an identical way with a β subunit within the structure of this multisubunit protein, so that hemoglobin can be considered either a tetramer of four polypeptide subunits or a dimer of αβ protomers. A few proteins contain two or more polypeptide chains linked covalently. For example, the two polypeptide chains of insulin are linked by disulfide bonds. In such cases, the individual polypeptides are not considered subunits; instead they are commonly referred to simply as chains.

中文翻译

例如,血红蛋白具有四个多肽亚基:两条相同的 α 链和两条相同的 β 链,四条链全部靠非共价相互作用结合在一起。在这个多亚基蛋白质的结构中,每个 α 亚基都以完全相同的方式与一个 β 亚基配对,因此血红蛋白既可以看作由四个多肽亚基组成的四聚体,也可以看作由 αβ 原体组成的二聚体。 少数蛋白质含有两条或更多条以共价键相连的多肽链。例如,胰岛素的两条多肽链由二硫键连接。在这类情况下,各条多肽链不被视为亚基;相反,它们通常被简单地称为「链」。

§3.2 Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions · 教材 p. 387
原理解读

这是「亚基(subunit)/ 寡聚体(oligomeric)/ 原体(protomer)/ 链(chain)」四个概念的分界,名词辨析题的高发区:① 由两条或多条多肽**非共价**缔合而成的蛋白质叫多亚基蛋白;② 其中至少有两条相同时称为寡聚蛋白,重复出现的那个单位(可含一条或多条肽链)叫原体;③ 血红蛋白 α2β2 既是「四个亚基的四聚体」也是「两个 αβ 原体的二聚体」,两种说法都对;④ 关键陷阱——**胰岛素的 A、B 两条链是二硫键(共价)相连,所以不算亚基,只能叫「链」**,胰岛素是单体蛋白而非二聚体蛋白。这一点几乎每年都有学校考。

Original text

The amino acid composition of proteins is also highly variable. The 20 common amino acids almost never occur in equal amounts in a protein. Some amino acids may occur only once or not at all in a given type of protein; others may occur in large numbers. Table 3-3 shows the amino acid composition of bovine cytochrome c and chymotrypsinogen, the inactive precursor of the digestive enzyme chymotrypsin. These two proteins, with very different functions, also differ significantly in the relative numbers of each kind of amino acid residue.

中文翻译

蛋白质的氨基酸组成也具有高度可变性。20 种常见氨基酸在一种蛋白质中几乎从不以等量出现。有些氨基酸在某一类蛋白质中可能只出现一次,甚至完全不出现;另一些则可能大量出现。表 3-3 给出了牛细胞色素 c 与糜蛋白酶原(消化酶糜蛋白酶的无活性前体)的氨基酸组成。这两种功能迥异的蛋白质,在各类氨基酸残基的相对数目上也存在显著差异。

§3.2 Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions · 教材 p. 387
Original text

In some common analyses, such as acid hydrolysis, Asp and Asn are not readily distinguished from each other and are together designated Asx (or B). Similarly, when Glu and Gln cannot be distinguished, they are together designated Glx (or Z). In addition, Trp is destroyed by acid hydrolysis. Additional procedures must be employed to obtain an accurate assessment of complete amino acid content.

中文翻译

在一些常规分析(例如酸水解)中,Asp 与 Asn 彼此不易区分,因而合并标记为 Asx(或 B)。同样,当 Glu 与 Gln 无法区分时,二者合并标记为 Glx(或 Z)。此外,Trp 会被酸水解破坏。要准确评估完整的氨基酸组成,还必须采用其他附加方法。

§3.2 Biologically Active Peptides and Polypeptides Occur in a Vast Range of Sizes and Compositions(表 3-3 注) · 教材 p. 389
原理解读

这条表注是氨基酸组成分析的三大经典陷阱,几乎是必考的填空题:① 酸水解(6 mol/L HCl,110 ℃,24 h)会把 Asn 脱酰胺成 Asp、Gln 脱酰胺成 Glu,因此报告为 Asx(B)、Glx(Z);② **Trp 在酸水解中被完全破坏**,必须改用碱水解(如 NaOH)或加入保护剂另行测定;③ 中文教材常补充 Ser、Thr 在酸水解中会部分破坏,需外推到零时间校正,而 Cys 常先氧化成磺基丙氨酸再测。记忆口诀:「酸解毁色(Trp)、酰胺变酸(Asn→Asp, Gln→Glu)、丝苏部分损」。

术语对照
  • 多亚基蛋白 / 亚基multisubunit protein / subunit亚基之间为非共价缔合,这是与「链」的分界线
  • 寡聚蛋白 / 原体oligomeric protein / protomer至少两个亚基相同者为寡聚蛋白,重复单位为原体;Hb 可看作 αβ 原体的二聚体
  • chain共价(二硫键)相连的多肽不算亚基,只叫链;胰岛素 A/B 链是标准例证
  • Asx / GlxAsx (B) / Glx (Z)酸水解无法区分 Asp/Asn、Glu/Gln 时的合并符号
  • 催产素 / 促甲状腺激素释放因子oxytocin / thyrotropin-releasing factor9 肽与 3 肽,生物活性肽举例的标准答案

单纯蛋白与缀合蛋白:辅基分类与残基平均分子量 110Some Proteins Contain Chemical Groups Other Than Amino Acids

笔记 考点八:蛋白质的分子组成与结构层次(蛋白质的分类)
Original text

We can estimate the number of amino acid residues in a simple protein containing no other chemical constituents by dividing its molecular weight by 110. Although the average molecular weight of the 20 common amino acids is about 138, the smaller amino acids predominate in most proteins. If we take into account the proportions in which the various amino acids occur in an average protein (Table 3-1; the averages are determined by surveying the amino acid compositions of more than 1,000 different proteins), the average molecular weight of protein amino acids is nearer to 128. Because a molecule of water (Mr 18) is removed to create each peptide bond, the average molecular weight of an amino acid residue in a protein is about 128 − 18 = 110.

中文翻译

对于不含其他化学组分的简单蛋白质,我们可以用其分子量除以 110 来估算其氨基酸残基的数目。虽然 20 种常见氨基酸的平均分子量约为 138,但在大多数蛋白质中占优势的是较小的氨基酸。如果把各种氨基酸在一个「平均蛋白质」中出现的比例也考虑进去(表 3-1;这些平均值是通过调查 1,000 多种不同蛋白质的氨基酸组成得到的),那么蛋白质中氨基酸的平均分子量更接近 128。由于每形成一个肽键都要脱去一分子水(Mr 18),所以蛋白质中一个氨基酸残基的平均分子量约为 128 − 18 = 110。

§3.2 Some Proteins Contain Chemical Groups Other Than Amino Acids · 教材 p. 389
原理解读

「残基平均分子量 110」是计算题的万能常数,其推导链条必须能背出来:20 种氨基酸单纯算术平均 ≈ 138 → 按真实出现频率加权后 ≈ 128(小氨基酸占优)→ 每成一个肽键脱去 H2O(18)→ 128 − 18 = 110。典型考法:① 已知蛋白质 Mr 求残基数(Mr ÷ 110);② 已知残基数求近似 Mr(n × 110);③ 反过来问「为什么用 110 而不是 138」——答案就是加权平均 + 脱水两步校正。注意这条公式只适用于**不含辅基的单纯蛋白**,缀合蛋白必须先扣除辅基质量。

Original text

Many proteins — for example, the enzymes ribonuclease A and chymotrypsin — contain only amino acid residues and no other chemical constituents. However, some proteins contain permanently associated chemical components in addition to amino acids; these are called conjugated proteins.

中文翻译

许多蛋白质——例如核糖核酸酶 A 和糜蛋白酶这两种酶——只含有氨基酸残基,不含其他化学组分。然而,有些蛋白质除氨基酸之外还含有永久结合的化学组分;这类蛋白质称为缀合蛋白(结合蛋白)。

§3.2 Some Proteins Contain Chemical Groups Other Than Amino Acids · 教材 p. 389
Original text

Conjugated proteins are classified on the basis of the chemical nature of their prosthetic groups (Table 3-4); for example, lipoproteins contain lipids, glycoproteins contain sugar groups, and metalloproteins contain a specific metal. Some proteins contain more than one prosthetic group. Usually the prosthetic group plays an important role in the protein’s biological function.

中文翻译

缀合蛋白依据其辅基的化学性质进行分类(表 3-4);例如,脂蛋白含有脂质,糖蛋白含有糖基,金属蛋白含有特定的金属。有些蛋白质含有一个以上的辅基。通常辅基在该蛋白质的生物学功能中起着重要作用。

§3.2 Some Proteins Contain Chemical Groups Other Than Amino Acids · 教材 p. 390
原理解读

这一对是「蛋白质按化学组成分类」考点的英文原始出处:**单纯蛋白(simple protein)水解只得氨基酸;缀合蛋白(conjugated protein)= 蛋白质部分 + 辅基(prosthetic group)**,其中「permanently associated(永久结合)」是与一般辅酶/底物的关键区别,答题时要写上。表 3-4 的对应关系必须能默写:脂蛋白—脂质(血浆 β1-脂蛋白)、糖蛋白—糖类(免疫球蛋白 G)、磷蛋白—磷酸基(糖原磷酸化酶)、血红素蛋白—血红素/铁卟啉(血红蛋白)、黄素蛋白—黄素核苷酸(琥珀酸脱氢酶)、金属蛋白—铁(铁蛋白)/锌(醇脱氢酶)/钙(钙调蛋白)/钼(固二氮酶)/铜(复合体 IV)。常见考法:给出一个蛋白质名,判断其类别并写出辅基。

Original text

Amino acids can be joined covalently through peptide bonds to form peptides and proteins. Cells generally contain thousands of different proteins, each with a different biological activity. The ionization behavior of peptides reflects their ionizable side chains as well as the terminal α-amino and α-carboxyl groups. Proteins can be very long polypeptide chains of 100 to several thousand amino acid residues. However, some naturally occurring peptides have only a few amino acid residues. Some proteins are composed of several noncovalently associated polypeptide chains, called subunits. Simple proteins yield only amino acids on hydrolysis; conjugated proteins contain in addition some other component, such as a metal or organic prosthetic group.

中文翻译

氨基酸可以通过肽键共价连接,形成肽和蛋白质。细胞中通常含有数千种不同的蛋白质,每一种都具有不同的生物学活性。肽的电离行为既反映其可电离的侧链,也反映末端的 α-氨基和 α-羧基。蛋白质可以是长达 100 至数千个氨基酸残基的很长的多肽链。然而,有些天然存在的肽只含有少数几个氨基酸残基。有些蛋白质由若干条以非共价方式缔合的多肽链组成,这些链称为亚基。单纯蛋白水解后只产生氨基酸;缀合蛋白则另外还含有其他组分,例如金属或有机辅基。

§3.2 SUMMARY 3.2 Peptides and Proteins · 教材 p. 391
原理解读

这段官方小结可以直接当作 §3.2 的背诵纲要,覆盖笔记考点八、九的全部要点:肽键连接 → 肽的电离行为(末端 + 侧链)→ 链长范围(少数残基到数千残基)→ 亚基(非共价缔合)→ 单纯蛋白 vs 缀合蛋白。考前如果只来得及背一段英文,就背这一段。

术语对照
  • 单纯蛋白 / 缀合蛋白(结合蛋白)simple protein / conjugated protein名词解释高频:前者水解只得氨基酸,后者另含永久结合的非氨基酸组分
  • 辅基prosthetic group缀合蛋白中永久结合的非氨基酸部分,常直接参与生物学功能
  • 残基平均分子量 110average residue Mr ≈ 110128(加权平均)− 18(脱水)= 110;Mr ÷ 110 ≈ 残基数
  • 糖蛋白 / 脂蛋白 / 金属蛋白 / 血红素蛋白 / 黄素蛋白 / 磷蛋白glycoprotein / lipoprotein / metalloprotein / hemoprotein / flavoprotein / phosphoprotein表 3-4 六大类缀合蛋白,需与辅基一一对应

蛋白质结构的四个层次,以及一级结构决定功能The Structure of Proteins: Primary Structure — The Function of a Protein Depends on Its Amino Acid Sequence

笔记 考点八:蛋白质的分子组成与结构层次笔记 考点十一:氨基酸序列与生物进化(引论)
Original text

A description of all covalent bonds (mainly peptide bonds and disulfide bonds) linking amino acid residues in a polypeptide chain is its primary structure. The most important element of primary structure is the sequence of amino acid residues. Secondary structure refers to particularly stable arrangements of amino acid residues giving rise to recurring structural patterns. Tertiary structure describes all aspects of the three-dimensional folding of a polypeptide. When a protein has two or more polypeptide subunits, their arrangement in space is referred to as quaternary structure. Our exploration of proteins will eventually include complex protein machines consisting of dozens to thousands of subunits. Primary structure is the focus of the remainder of this chapter; we discuss the higher levels of structure in Chapter 4.

中文翻译

对一条多肽链中连接各氨基酸残基的所有共价键(主要是肽键和二硫键)的描述,就是它的一级结构。一级结构中最重要的要素是氨基酸残基的序列。二级结构指的是氨基酸残基特别稳定的排布方式,它们产生反复出现的结构模式。三级结构描述一条多肽三维折叠的所有方面。当一个蛋白质含有两个或更多个多肽亚基时,它们在空间中的排布方式称为四级结构。我们对蛋白质的探讨最终还将包括由数十至数千个亚基组成的复杂蛋白质机器。一级结构是本章其余部分的重点;更高层次的结构将在第 4 章讨论。

§3.4 The Structure of Proteins: Primary Structure · 教材 p. 415
原理解读

四个层次的定义要逐字抠:**一级结构 = 一条多肽链中所有共价键的描述,主要是肽键和二硫键**——注意二硫键属于一级结构,这是最容易失分的一点(很多同学误以为二硫键属于三级结构;正确说法是二硫键既写在一级结构里,又对维持三级/四级构象起作用)。二级结构强调「局部、反复出现、由主链氢键稳定的规则构象」(α 螺旋、β 折叠等);三级结构是**整条**多肽链的三维折叠(含所有侧链的空间关系);四级结构只有在**两条或更多条**多肽亚基时才存在。常见考法:名词解释四选一;或判断题「只有一条肽链的蛋白质也有四级结构」(错)。

图 3-23 蛋白质的结构层次。一级结构由通过肽键连接在一起的氨基酸序列构成,并且包括所有的二硫键。由此形成的多肽可以排布成二级结构单元,例如 α 螺旋。该螺旋是折叠后多肽三级结构的一部分,而这条多肽本身又是构成多亚基蛋白质四级结构的亚基之一,此处所示为血红蛋白。[数据来自 PDB ID 1HGA,R. Liddington 等,J. Mol. Biol. 228:551, 1992。]
图注 · 图 3-23 蛋白质的结构层次。一级结构由通过肽键连接在一起的氨基酸序列构成,并且包括所有的二硫键。由此形成的多肽可以排布成二级结构单元,例如 α 螺旋。该螺旋是折叠后多肽三级结构的一部分,而这条多肽本身又是构成多亚基蛋白质四级结构的亚基之一,此处所示为血红蛋白。[数据来自 PDB ID 1HGA,R. Liddington 等,J. Mol. Biol. 228:551, 1992。]
Caption · FIGURE 3-23 Levels of structure in proteins. The primary structure consists of a sequence of amino acids linked together by peptide bonds, and it includes any disulfide bonds. The resulting polypeptide can be arranged into units of secondary structure, such as an α helix. The helix is a part of the tertiary structure of the folded polypeptide, which is itself one of the subunits that make up the quaternary structure of the multisubunit protein, in this case hemoglobin. [Data from PDB ID 1HGA, R. Liddington et al., J. Mol. Biol. 228:551, 1992.]
怎么看 · 从左到右按“一级→二级→三级→四级”递进看:肽键连成的残基序列(含二硫键)→ 局部 α 螺旋 → 整条肽链折叠成三级结构 → 多个亚基缔合成血红蛋白(hemoglobin,PDB 1HGA)四级结构。考点是四个层次的定义与维系力:一级靠共价的肽键和二硫键,二/三/四级主要靠氢键、疏水作用、离子键、范德华力等非共价力。
讲解 · 这张图是「结构层次」大题的答题骨架:序列(含二硫键)→ α 螺旋 → 折叠好的一条亚基 → 四条亚基装配成血红蛋白。图注里那句「it includes any disulfide bonds」正是一级结构包含二硫键的直接证据,答题时可以直接引用。
图内标注中英对照 · 23 条
English中文
Primary structure一级结构
Pro脯氨酸残基 Pro
Ala丙氨酸残基 Ala
Asp天冬氨酸残基 Asp
Lys赖氨酸残基 Lys
Thr苏氨酸残基 Thr
Asn天冬酰胺残基 Asn
Val缬氨酸残基 Val
Lys赖氨酸残基 Lys
Ala丙氨酸残基 Ala
Ala丙氨酸残基 Ala
Trp色氨酸残基 Trp
Gly甘氨酸残基 Gly
Lys赖氨酸残基 Lys
Val缬氨酸残基 Val
Amino acid residues氨基酸残基(序列)
Secondary structure二级结构
α Helixα 螺旋
Tertiary structure三级结构
Polypeptide chain多肽链
Quaternary structure四级结构
Assembled subunits组装好的(多个)亚基
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行(不译,保留原文)
Original text

In both species, each type of protein has a unique amino acid sequence that confers a particular threedimensional structure. This structure in turn confers a unique function. Amino acid sequences are important elements of the broader realm of biological information. They are a major functional expression of information stored in DNA in the form of genes. The sequences are not at all random. Each protein has a distinctive number and sequence of amino acid residues.

中文翻译

在这两个物种中,每一类蛋白质都具有独特的氨基酸序列,该序列赋予它特定的三维结构。而这一结构又赋予它独特的功能。 氨基酸序列是更广阔的生物学信息领域中的重要要素。它们是储存于 DNA 基因中的信息在功能上的主要表现形式。这些序列绝非随机。每一种蛋白质都有其独特的氨基酸残基数目和序列。

§3.4 The Function of a Protein Depends on Its Amino Acid Sequence · 教材 p. 417
原理解读

这是贯穿全章的中心法则式命题链:**基因(DNA 序列)→ 蛋白质一级结构 → 三维结构 → 功能**。作者特意用数字给出规模感:大肠杆菌产生 3,000 多种蛋白质,人类约 20,000 个基因却可产生超过一百万种不同蛋白质(差额来自可变剪接、翻译后修饰等)。这个「20,000 基因 vs >10^6 蛋白质」的对比是简答题里非常好用的论据,也是后面「蛋白质组(proteome)远大于基因组」的铺垫。

Original text

Some simple observations illustrate the functional importance of primary structure, or the amino acid sequence of a protein. First, as we have already noted, proteins with different functions always have different amino acid sequences. Second, thousands of human genetic diseases have been traced to the production of proteins with less activity or altered activity. The alteration can range from a single change in the amino acid sequence (as in sickle cell disease, described in Chapter 5) to deletion of a larger portion of the polypeptide chain (as in most cases of Duchenne muscular dystrophy: a large deletion in the gene encoding the protein dystrophin leads to production of a shortened, inactive protein).

中文翻译

一些简单的观察即可说明一级结构(即蛋白质氨基酸序列)在功能上的重要性。第一,正如我们已经指出的,功能不同的蛋白质其氨基酸序列总是不同。第二,已有数以千计的人类遗传病被追溯到某种活性降低或活性改变的蛋白质的产生。这种改变可以小到氨基酸序列中的单个变化(如第 5 章将要描述的镰状细胞病),也可以大到多肽链中较大部分的缺失(如大多数杜氏肌营养不良症:编码抗肌萎缩蛋白的基因发生大片段缺失,导致产生一种缩短的、无活性的蛋白质)。

§3.4 The Function of a Protein Depends on Its Amino Acid Sequence · 教材 p. 417
原理解读

「一级结构决定功能」的三条经验证据要背全(教材列了三条,本段是前两条,第三条是「不同物种中功能相似的蛋白质往往序列相似」):① 功能不同 ⇒ 序列必不同;② 数千种人类遗传病源于序列改变,改变幅度可从单个残基(镰状细胞贫血,β 链第 6 位 Glu→Val)到大片段缺失(杜氏肌营养不良,dystrophin 基因大缺失);③ 跨物种同功蛋白序列相似。镰状细胞贫血是中文教材里「一级结构决定功能」的头号例证,务必能写出突变位点与后果(HbS 脱氧时聚合成纤维,红细胞镰变)。

Original text

The amino acid sequence for a particular protein is not absolutely fixed, or invariant. Virtually all of the proteins in humans are polymorphic, having amino acid sequence variants in the human population. Many human proteins are polymorphic even within an individual, with amino acid variations occurring due to processes that will be described in Part III of this text. Some of these variations have little or no effect on the function of the protein; others may affect function dramatically. Furthermore, proteins that carry out a broadly similar function in distantly related species can differ greatly in overall size and amino acid sequence.

中文翻译

某一特定蛋白质的氨基酸序列并非绝对固定或不变。人体中几乎所有的蛋白质都是多态的,在人群中存在氨基酸序列的变体。许多人类蛋白质甚至在同一个体内部也是多态的,其氨基酸变异源于本书第三部分将要描述的一些过程。这些变异中有一些对蛋白质的功能几乎或完全没有影响;另一些则可能显著影响功能。此外,在亲缘关系较远的物种中执行大体相似功能的蛋白质,在总体大小和氨基酸序列上可能差别很大。

§3.4 The Function of a Protein Depends on Its Amino Acid Sequence · 教材 p. 418
Original text

Although the amino acid sequence in some regions of the primary structure might vary considerably without affecting biological function, most proteins contain crucial regions that are essential to their function and thus have sequences that are conserved. The fraction of the overall sequence that is critical varies from protein to protein, complicating the task of relating sequence to three-dimensional structure, and structure to function. Before we can consider this problem further, however, we must examine how sequence information is obtained.

中文翻译

尽管一级结构中某些区域的氨基酸序列可以有相当大的变动而不影响生物学功能,但大多数蛋白质都含有对其功能至关重要的关键区域,因而这些区域的序列是保守的。整条序列中关键部分所占的比例因蛋白质而异,这使得把序列与三维结构、把结构与功能联系起来的工作变得复杂。不过,在进一步讨论这一问题之前,我们必须先考察序列信息是如何获得的。

§3.4 The Function of a Protein Depends on Its Amino Acid Sequence · 教材 p. 418
原理解读

这两段合起来回答一个常被问倒的问题:「既然一级结构决定功能,为什么同一蛋白质在不同人身上序列还能不一样?」答案是**多态性(polymorphism)+保守区/可变区之分**:关键功能区(活性中心、结合位点、折叠核心)序列保守,一旦突变就致病;其余区域可以自由变异而不影响功能,这些可变位点正是后面分子进化分析所利用的「分子钟」信号(见考点十一)。答题时把「保守 = 功能必需」「可变 = 进化信息来源」这一对关系写出来,层次立刻拉开。

Original text

However, an array of techniques derived from traditional methods of polypeptide sequencing made important contributions to the broader field of protein chemistry. The method used by Sanger to sequence insulin is based on the classical method for direct chemical sequencing of proteins from the amino terminus, the two-step Edman degradation developed by Pehr Edman.

中文翻译

然而,由传统多肽测序方法衍生出的一系列技术,对更广泛的蛋白质化学领域作出了重要贡献。Sanger 用来测定胰岛素序列的方法,基于从氨基末端对蛋白质进行直接化学测序的经典方法,即由 Pehr Edman 建立的两步 Edman 降解法。

§3.4 The Function of a Protein Depends on Its Amino Acid Sequence · 教材 p. 419
原理解读

史实线索是常见的填空题:**1953 年 Frederick Sanger 测出胰岛素两条多肽链的氨基酸序列**(同年 Watson 与 Crick 阐明 DNA 结构,十年后遗传密码被破译);直接化学测序的经典方法是 **Pehr Edman 建立的两步 Edman 降解**。Edman 降解的机理要点(中文教材必考、Lehninger 8e 正文已压缩):苯异硫氰酸酯(PITC)在弱碱性下与肽的游离 α-氨基反应生成苯氨基硫甲酰(PTC)衍生物 → 无水强酸(如三氟乙酸)条件下 N 端残基以噻唑啉酮形式选择性断下 → 转化为稳定的 PTH-氨基酸后经色谱鉴定;由于每循环只切下 N 端一个残基而**肽链其余部分完好**,可反复循环 30~60 次。这一「不破坏其余肽链」的特点正是 Edman 降解区别于 FDNB(Sanger 试剂)和丹磺酰氯的关键——后两者标记后必须完全水解,只能测出 N 端一个残基。

图 3-24 牛胰岛素的氨基酸序列。两条多肽链通过二硫交联(黄色)连接在一起。胰岛素的 A 链在人、猪、狗、兔和抹香鲸中是完全相同的。牛、猪、狗、山羊和马的 B 链也是完全相同的。
图注 · 图 3-24 牛胰岛素的氨基酸序列。两条多肽链通过二硫交联(黄色)连接在一起。胰岛素的 A 链在人、猪、狗、兔和抹香鲸中是完全相同的。牛、猪、狗、山羊和马的 B 链也是完全相同的。
Caption · FIGURE 3-24 Amino acid sequence of bovine insulin. The two polypeptide chains are joined by disulfide cross-linkages (yellow). The A chain of insulin is identical in human, pig, dog, rabbit, and sperm whale insulins. The B chains of the cow, pig, dog, goat, and horse are identical.
怎么看 · 两条链上下并排看:A 链 21 个残基、B 链 30 个残基,黄色标出 3 个二硫键——两个链间(A7–B7、A20–B19)、一个 A 链链内(A6–A11)。考研常考:胰岛素是 Sanger 首个测定全序列的蛋白,二硫键属于一级结构,且不同物种 A 链/B 链序列高度保守(物种差异只在 A8–A10 等少数位点)。
讲解 · 胰岛素一级结构是「第一个被测定序列的蛋白质」(Sanger, 1953),也是二硫键考题的标准素材:A 链 21 肽、B 链 30 肽,两条链间由 2 个链间二硫键连接,A 链内部另有 1 个链内二硫键,共 3 个二硫键。图注还给了一个隐含考点:不同物种胰岛素序列高度相同(A 链在人/猪/狗/兔/抹香鲸中完全一致),这正是「功能相似的同源蛋白序列相似」的实例,可直接用于考点十一的作答。
图内标注中英对照 · 16 条
English中文
dated (Chapter 27).(图上方混入的正文残句:“…dated(第 27 章)。”,非图内标注)
A chainA 链
H3N+ —H3N+ —(氨基端 / N 端,不译,保留原式)
GIVEQCCASVCSLYQLENYCNA 链序列 GIVEQCCASVCSLYQLENYCN(单字母氨基酸缩写,共 21 个残基)
— COO−— COO−(羧基端 / C 端,不译)
S—SS—S(链间二硫键,黄色标示)
S | SS—S(另两处二硫键;A 链内部 A6–A11 及两条链间连接)
B chainB 链
FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKAB 链序列 FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKA(单字母缩写,共 30 个残基)
5残基编号 5
10残基编号 10
15残基编号 15
20残基编号 20
25残基编号 25
30残基编号 30
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行(不译,保留原文)
术语对照
  • 一级结构primary structure名词解释高频:多肽链中所有共价键(主要是肽键与二硫键)的描述,核心是残基序列
  • 二级 / 三级 / 四级结构secondary / tertiary / quaternary structure局部规则构象 / 整条链的三维折叠 / 多亚基的空间排布
  • 多态性polymorphic同一蛋白质在群体乃至个体内存在序列变体;解释「序列不绝对固定」
  • 保守序列conserved sequence功能必需区段在进化中保持不变,是识别功能位点与同源关系的依据
  • Edman 降解Edman degradation两步法从 N 端逐个切下残基而不破坏其余肽链;PITC→PTC→PTH-氨基酸

蛋白质化学测序:末端标记、二硫键断裂与专一性断裂试剂Protein Structure Is Studied Using Methods That Exploit Protein Chemistry

笔记 考点十:蛋白质测序的一些常用方法
Original text

The sequence of a protein can be predicted from the sequence of the gene encoding it, which is usually available in genomic databases. Direct sequencing can also be provided by mass spectrometry. Many methods used in traditional protein sequencing protocols remain valuable for labeling proteins or breaking them into parts for functional and structural analysis.

中文翻译

蛋白质的序列可以从编码它的基因序列预测出来,而基因序列通常可以在基因组数据库中查到。直接测序也可以由质谱提供。传统蛋白质测序方案中所用的许多方法,在标记蛋白质或把蛋白质切成片段以进行功能与结构分析方面,仍然很有价值。

§3.4 Protein Structure Is Studied Using Methods That Exploit Protein Chemistry · 教材 p. 420
原理解读

先建立全局观:今天获得蛋白质序列有三条路——① 由基因组/cDNA 序列**间接推导**(最常用、最快);② 质谱**直接测序**(MS/MS);③ 经典化学法(Edman 降解等)。经典方法虽然已经不是主流测序手段,但作为**标记与专一性切割工具**仍不可替代——这句话是回答「既然有基因测序,为什么还要学 Edman 和胰蛋白酶」的标准答案。另外要能说出基因序列推导的三个局限:无法反映翻译后修饰、无法确定二硫键配对、无法区分实际起始/剪接产物。

Original text

For example, the amino-terminal α-amino group of a protein can be labeled with 1-fluoro-2,4-dinitrobenzene (FDNB), dansyl chloride, or dabsyl chloride (Fig. 3-25). These reagents also label the ε-amino group of lysine residues. Disulfide bonds within a polypeptide or between polypeptide subunits can be broken irreversibly (Fig. 3-26).

中文翻译

例如,蛋白质氨基末端的 α-氨基可以用 1-氟-2,4-二硝基苯(FDNB)、丹磺酰氯或者 dabsyl 氯来标记(图 3-25)。这些试剂也会标记赖氨酸残基的 ε-氨基。多肽内部或多肽亚基之间的二硫键可以被不可逆地断开(图 3-26)。

§3.4 Protein Structure Is Studied Using Methods That Exploit Protein Chemistry · 教材 p. 420
原理解读

N 端分析(末端分析)是笔记考点十的第一块内容,三类试剂必须能对号入座:① **FDNB(Sanger 试剂,1-氟-2,4-二硝基苯)**——与 α-氨基发生亲核取代生成黄色的 DNP-氨基酸,酸水解后色谱鉴定;② **丹磺酰氯(dansyl chloride)**——生成强荧光的 dansyl-氨基酸,灵敏度比 FDNB 高得多;③ **dabsyl 氯**——在可见光区有吸收,便于比色。三者的共同缺点写在教材里:**它们同时会标记 Lys 侧链的 ε-氨基**,而且标记后必须完全水解,因此每次只能测出一个 N 端残基。与之对照,Edman 降解可循环、不破坏其余肽链。C 端分析中文教材常补充:肼解法(hydrazinolysis)与羧肽酶法(carboxypeptidase A/B/Y),Lehninger 8e 正文未展开,但答题时应补上以求完整。

图 3-25 氨基末端 α-氨基的修饰。该反应是卤离子的亲核取代,如 (a) FDNB 与 (b) 丹磺酰氯所示。赖氨酸的 ε-氨基也会被标记。丹磺酰氯以及 (c) dabsyl 氯(另一种标记试剂)在可见光波长范围具有有用的吸收和/或荧光性质。
图注 · 图 3-25 氨基末端 α-氨基的修饰。该反应是卤离子的亲核取代,如 (a) FDNB 与 (b) 丹磺酰氯所示。赖氨酸的 ε-氨基也会被标记。丹磺酰氯以及 (c) dabsyl 氯(另一种标记试剂)在可见光波长范围具有有用的吸收和/或荧光性质。
Caption · FIGURE 3-25 Modification of the α-amino group at the amino terminus. The reaction is a nucleophilic displacement of the halide ion as shown for (a) FDNB and (b) dansyl chloride. The ε-amino group of lysine will also be labeled. Dansyl chloride and (c) dabsyl chloride, another labeling reagent, have useful absorbance and/or fluorescent properties at visible wavelengths.
怎么看 · 三个反应本质相同:N 端 α-氨基作为亲核试剂进攻试剂,取代掉卤素(FDNB 脱 HF、丹磺酰氯/dabsyl 氯脱 HCl),把 N 端“打上标签”。考研要点:FDNB 是 Sanger 试剂(只能测 N 端一个残基,酸水解后 DNP-氨基酸稳定可鉴定);丹磺酰氯、dabsyl 氯灵敏度更高(有荧光/可见光吸收);三者都会同时标记 Lys 侧链的 ε-氨基,这是常见干扰项。
讲解 · 记住反应类型:**亲核取代(α-氨基进攻,卤离子离去)**。这解释了为什么凡是游离氨基都会被标记——包括 Lys 的 ε-氨基,这是 N 端标记法的固有缺陷,也是选择题的常见干扰项。丹磺酰氯/dabsyl 氯胜在荧光与可见光吸收,即灵敏度与检测便利性。
图内标注中英对照 · 21 条
English中文
R—NH2R—NH2(不译,代表氨基末端的伯胺)
O2NO2N(硝基,不译)
FF(氟原子,不译)
NO2NO2(硝基,不译)
HFHF(氟化氢,不译)
Amine胺(伯胺,此处指多肽 N 端 α-氨基)
FDNBFDNB(1-氟-2,4-二硝基苯,Sanger 试剂)
DNP-amineDNP-胺(二硝基苯基衍生物)
(a)(a)
H3C / CH3 / NH3C、CH3、N(二甲氨基,不译)
SO2ClSO2Cl(磺酰氯基,不译)
HClHCl(氯化氢,不译)
Amine
Dansyl chloride丹磺酰氯(dansyl chloride,即 5-二甲氨基萘-1-磺酰氯)
SO2 / H—N / RSO2—NH—R(磺酰胺连接,不译)
Dansyl derivative丹磺酰衍生物
(b)(b)
N=NN=N(偶氮基,不译)
SO2ClSO2Cl(磺酰氯基,不译)
(c)(c)
Dabsyl chloride对二甲氨基偶氮苯磺酰氯(dabsyl chloride)
图 3-26 断裂蛋白质中的二硫键。图中举例说明了两种常用方法。用过甲酸氧化胱氨酸残基,可产生两个磺基丙氨酸(半胱氨酸磺酸)残基。用二硫苏糖醇(或 β-巯基乙醇)还原生成 Cys 残基后,必须对活泼的 —SH 基团作进一步修饰,以防止二硫键重新形成。用碘乙酸进行羧甲基化即可达到此目的。
图注 · 图 3-26 断裂蛋白质中的二硫键。图中举例说明了两种常用方法。用过甲酸氧化胱氨酸残基,可产生两个磺基丙氨酸(半胱氨酸磺酸)残基。用二硫苏糖醇(或 β-巯基乙醇)还原生成 Cys 残基后,必须对活泼的 —SH 基团作进一步修饰,以防止二硫键重新形成。用碘乙酸进行羧甲基化即可达到此目的。
Caption · FIGURE 3-26 Breaking disulfide bonds in proteins. Two common methods are illustrated. Oxidation of a cystine residue with performic acid produces two cysteic acid residues. Reduction by dithiothreitol (or β-mercaptoethanol) to form Cys residues must be followed by further modification of the reactive —SH groups to prevent re-formation of the disulfide bond. Carboxymethylation by iodoacetate serves this purpose.
怎么看 · 从顶部的胱氨酸(—S—S—)分两条路往下看:左路用过甲酸氧化,一步得到不可逆的半胱磺酸残基;右路用 DTT(或 β-巯基乙醇)还原成两个 —SH,但必须再用碘乙酸羧甲基化封闭巯基,否则会重新氧化成二硫键。考研要点就是“还原后必须烷基化封闭”这一步的必要性,以及 DTT/β-巯基乙醇属于还原剂、过甲酸属于氧化剂。
讲解 · 二硫键处理是测序流程的必经步骤,两条路线必须能写出来:**① 氧化断裂**——过甲酸(performic acid)把 1 个胱氨酸氧化成 2 个磺基丙氨酸;**② 还原断裂**——DTT(二硫苏糖醇)或 β-巯基乙醇还原成 2 个 Cys,但还原是可逆的,因此必须立即用碘乙酸(羧甲基化)或碘乙酰胺封闭 —SH,防止重新氧化成二硫键。常见考法:「为什么用 DTT 还原后还要加碘乙酸?」答「防止二硫键重新形成,把断裂变成不可逆」。另外,测定二硫键配对位置的经典策略是「**先不还原**、直接用蛋白酶切成片段,用对角线电泳比较还原前后片段的迁移变化」,这一点中文笔记通常会补充。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
Disulfide bond (cystine)二硫键(胱氨酸)
S—SS—S(二硫键,黄色高亮,不译)
CH2SH / CHOH / CHOH / CH2SHCH2SH—CHOH—CHOH—CH2SH(DTT 的结构式,不译)
Dithiothreitol (DTT)二硫苏糖醇(DTT)
oxidation by performic acid被过甲酸(过performic 酸)氧化
reduction by dithiothreitol被二硫苏糖醇(DTT)还原
SO3−SO3−(磺酸基,不译)
Cysteic acid residues半胱磺酸(磺基丙氨酸)残基
SH / HS—SH(游离巯基,不译)
carboxymethylation by iodoacetate被碘乙酸羧甲基化
CH2—S—CH2—COO−CH2—S—CH2—COO−(羧甲基化产物侧链,不译)
Carboxymethylated cysteine residues羧甲基化的半胱氨酸残基
Original text

Enzymes called proteases catalyze the hydrolytic cleavage of peptide bonds and provide the most common method to break a protein into parts. Some proteases cleave only the peptide bond adjacent to particular amino acid residues (Table 3-6) and thus fragment a polypeptide chain in a predictable and reproducible way. A few chemical reagents also cleave the peptide bond adjacent to specific residues. Among proteases, the digestive enzyme trypsin catalyzes the hydrolysis of only those peptide bonds in which the carbonyl group is contributed by either a Lys or an Arg residue, regardless of the length or amino acid sequence of the chain. A polypeptide with three Lys and/or Arg residues will usually yield four smaller peptides upon cleavage with trypsin. Moreover, all except one of these will have a carboxyl-terminal Lys or Arg.

中文翻译

被称为蛋白酶的酶催化肽键的水解裂解,它们提供了把蛋白质切成片段的最常用方法。有些蛋白酶只切断与特定氨基酸残基相邻的肽键(表 3-6),因而能以可预测、可重复的方式把多肽链断裂成片段。少数化学试剂也能切断与特定残基相邻的肽键。在各种蛋白酶中,消化酶胰蛋白酶只催化那些羰基由 Lys 或 Arg 残基提供的肽键的水解,而与肽链的长度或氨基酸序列无关。一条含有三个 Lys 和/或 Arg 残基的多肽,经胰蛋白酶切割后通常会产生四个较小的肽。而且,其中除一个之外,全都以 Lys 或 Arg 为羧基末端。

§3.4 Protein Structure Is Studied Using Methods That Exploit Protein Chemistry · 教材 p. 423
原理解读

表 3-6 的专一性表是考点十的核心,必须背成表格(括号内 C 表示切在该残基的羰基侧即 C 端一侧,N 表示切在氨基侧即 N 端一侧): · **胰蛋白酶 trypsin**(牛胰)— Lys、Arg 的 C 侧 · **糜蛋白酶 chymotrypsin**(牛胰)— Phe、Trp、Tyr 的 C 侧(芳香族) · **金黄色葡萄球菌 V8 蛋白酶** — Asp、Glu 的 C 侧 · **Asp-N 蛋白酶** — Asp、Glu 的 N 侧 · **胃蛋白酶 pepsin**(猪胃)— Leu、Phe、Trp、Tyr 的 N 侧 · **内切蛋白酶 Lys-C** — Lys 的 C 侧 · **溴化氰 CNBr**(唯一的化学试剂)— Met 的 C 侧 计数规律要会推:**n 个切点 → n+1 个片段**,且除 C 端那一段外,其余片段的 C 端都是该酶的识别残基。经典大题是「重叠肽法(overlapping peptides)」:用两种专一性不同的酶(如 trypsin 与 CNBr)分别切割同一蛋白,测出两套片段序列后靠重叠区拼出全序列——请把「为什么必须用两套互补的切割方式」写清楚:单套片段之间的先后顺序无法确定。

Original text

The capacity to modify proteins in specific ways has many applications in the lab. The methods used to break disulfide bonds can also be used to denature proteins when that is required. The development of reagents to label the aminoterminal amino acid residue led eventually to the development of an array of reagents that could react with specific groups at many locations on a protein. For example, the sulfhydryl group on Cys residues can be modified with iodoacetamides, maleimides, benzyl halides, and bromomethyl ketones (Fig. 3-27).

中文翻译

以特定方式修饰蛋白质的能力在实验室中有许多用途。用于断裂二硫键的方法,在需要时也可以用来使蛋白质变性。为标记氨基末端氨基酸残基而开发试剂的工作,最终导致了一整套试剂的问世,它们能够与蛋白质上许多位置的特定基团发生反应。例如,Cys 残基上的巯基可以用碘乙酰胺、马来酰亚胺、苄基卤化物和溴甲基酮进行修饰(图 3-27)。

§3.4 Protein Structure Is Studied Using Methods That Exploit Protein Chemistry · 教材 p. 424
原理解读

这一段把「测序试剂」升级为「通用的蛋白质化学工具箱」,是回答开放性简答题的好素材:同一套化学(断二硫键、标末端、修饰侧链)既可用于测序,也可用于变性、定点标记荧光探针、活性中心残基的化学修饰鉴定(比如用碘乙酰胺失活某酶,证明活性中心含 Cys)。巯基修饰试剂要能举出两个:**碘乙酰胺(iodoacetamide)与马来酰亚胺(maleimide)**,二者都与 —SH 发生烷基化/加成反应,是蛋白质定点标记的常规手段。

术语对照
  • Sanger 试剂(FDNB)1-fluoro-2,4-dinitrobenzene (FDNB)N 端标记,生成黄色 DNP-氨基酸;同时标记 Lys 的 ε-氨基
  • 丹磺酰氯 / dabsyl 氯dansyl chloride / dabsyl chloride荧光或可见光吸收标记,灵敏度高于 FDNB
  • 过甲酸 / 二硫苏糖醇performic acid / dithiothreitol (DTT)氧化断裂生成磺基丙氨酸;还原断裂后须用碘乙酸封闭 —SH
  • 胰蛋白酶trypsin切 Lys、Arg 的 C 侧(羰基侧),专一性最高,也是 MS/MS 前处理首选酶
  • 糜蛋白酶chymotrypsin切 Phe、Trp、Tyr 的 C 侧,即芳香族残基
  • 溴化氰cyanogen bromide (CNBr)表 3-6 中唯一的非酶化学试剂,切 Met 的 C 侧
  • 重叠肽法overlapping peptides两种专一性互补的切割方式产生重叠片段,据以拼接全序列

质谱:分子量测定、串联质谱测序与蛋白质组分析Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes

笔记 考点十:蛋白质测序的一些常用方法(质谱法)
Original text

Unknown purified proteins can be identified, and their mass can be accurately determined. When coupled to powerful peptide separation protocols, mass spectrometry can document a complete cellular proteome —defined as the entire complement of proteins in a cell, including estimates of their relative abundance — in just an hour.

中文翻译

未知的纯化蛋白质可以被鉴定出来,其质量也可以被精确测定。当与强大的肽段分离方案相结合时,质谱能够在短短一小时内记录一个完整的细胞蛋白质组——所谓蛋白质组,定义为一个细胞中全部蛋白质的总和,其中还包括对它们相对丰度的估计。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 426
原理解读

**蛋白质组(proteome)= 一个细胞中全部蛋白质的总和(含相对丰度)**——这是名词解释的原文定义,一定要把「entire complement(全部)」和「relative abundance(相对丰度)」两个限定词译出来。与基因组不同,蛋白质组是动态的:同一基因组在不同细胞类型、不同代谢状态、不同环境下对应不同的蛋白质组,这也是后文「可以监测蛋白质组随代谢状态或环境条件的变化」的依据。

Original text

The mass spectrometer has been an indispensable tool in chemistry for more than a century. Molecules to be analyzed, referred to as analytes, are first ionized in a vacuum. When the newly charged molecules are introduced into an electric and/or magnetic field, their paths through the field are a function of their mass-to-charge ratio, m/z. This measured property of the ionized species can be used to deduce the mass (m) of the analyte with very high precision.

中文翻译

一个多世纪以来,质谱仪一直是化学中不可或缺的工具。待分析的分子(称为分析物)首先在真空中被离子化。当带上电荷的分子进入电场和/或磁场时,它们在场中的运动路径是其质荷比 m/z 的函数。这一被测得的离子物种的性质,可以用来以极高的精度推算分析物的质量(m)。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 426
Original text

As the m/z measurements are made in the gas phase, the technique was long limited to relatively small molecules. In 1988, two different techniques were introduced to permit transfer of macromolecules to the gas phase while limiting decomposition; these new capabilities revolutionized protein sequencing. In one technique, proteins are placed in a light-absorbing matrix. With a short pulse of laser light, the proteins are ionized and then desorbed from the matrix into the vacuum system. This process, known as matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry, or MALDI MS, is used to measure the mass of macromolecules.

中文翻译

由于 m/z 的测定是在气相中进行的,这项技术长期以来只能用于相对较小的分子。1988 年,两种不同的技术被引入,它们能够在限制分解的前提下把大分子转入气相;这些新能力彻底革新了蛋白质测序。在其中一种技术中,把蛋白质置于一种吸光的基质中。用一束短脉冲激光照射,蛋白质被离子化,随后从基质中解吸进入真空系统。这一过程被称为基质辅助激光解吸电离质谱,即 MALDI MS,用于测定大分子的质量。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 426
Original text

A solution of analytes is passed through a charged needle that is kept at a high electrical potential, dispersing the solution into a fine mist of charged microdroplets. The solvent surrounding the macromolecules rapidly evaporates, leaving multiply charged macromolecular ions in the gas phase. This technique is called electrospray ionization mass spectrometry, or ESI MS. Protons added during passage through the needle give additional charge to the macromolecule. The m/z of the molecule can then be analyzed in the vacuum chamber. One method for analyzing m/z is called time of flight or TOF, in which ion acceleration in an electric field depends on m/z. A newer, moreefficient method is the Orbitrap, in which ions are trapped in orbit between an outer barrel-shaped electrode and an inner spindle electrode. The trajectory of the electrons, related to their mass and charge, is detected and converted to m/z by a Fourier transform.

中文翻译

把分析物溶液通过一根维持在高电位的带电针头,从而将溶液分散成带电微液滴的细雾。包围着大分子的溶剂迅速蒸发,留下气相中带多个电荷的大分子离子。这项技术称为电喷雾电离质谱,即 ESI MS。在通过针头的过程中加上去的质子,为大分子提供了额外的电荷。随后即可在真空腔中分析该分子的 m/z。分析 m/z 的一种方法称为飞行时间法(TOF),其中离子在电场中的加速取决于 m/z。一种较新的、效率更高的方法是轨道阱(Orbitrap),其中离子被俘获在一个外部桶形电极与一个内部纺锤形电极之间的轨道上运行。与其质量和电荷相关的运行轨迹被检测出来,并通过傅里叶变换转换为 m/z。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 427
原理解读

质谱这一考点的骨架就是「**软电离 + 质量分析器**」两段式: · **软电离(1988 年问世的两项技术,解决了大分子进气相就碎的难题)**——MALDI(基质辅助激光解吸电离:蛋白置于吸光基质中,激光短脉冲照射,解吸并离子化,常产生单电荷离子)与 ESI(电喷雾电离:溶液经高电位带电针头喷成微液滴,溶剂蒸发后留下**多电荷**离子)。 · **质量分析器**——TOF(飞行时间,加速度取决于 m/z)与 Orbitrap(轨道阱,离子在桶形外电极与纺锤形内电极之间做轨道运动,经傅里叶变换得 m/z)。 常考对比:MALDI 多为单电荷、适合直接测大分子质量并常与 TOF 联用(MALDI-TOF);ESI 产生多电荷、便于与液相色谱在线联用(LC-MS/MS)。「1988 年」和「彻底革新了蛋白质测序」是可以直接引用的采分句。

(图 3-29 用串联质谱获取蛋白质序列信息,续图注)被选中的肽在两台质谱仪之间的碰撞室中被进一步碎裂,每个碎片的 m/z 在第二台质谱仪(MS-2)中被测定。在这第二次碎裂过程中产生的许多离子来自肽键的断裂,如图所示。根据电荷保留在氨基末端一侧还是羧基末端一侧,它们分别被称为 b 型离子或 y 型离子。
图注 · (图 3-29 用串联质谱获取蛋白质序列信息,续图注)被选中的肽在两台质谱仪之间的碰撞室中被进一步碎裂,每个碎片的 m/z 在第二台质谱仪(MS-2)中被测定。在这第二次碎裂过程中产生的许多离子来自肽键的断裂,如图所示。根据电荷保留在氨基末端一侧还是羧基末端一侧,它们分别被称为 b 型离子或 y 型离子。
Caption · The selected peptide is further fragmented in a chamber between the two mass spectrometers, and m/z for each fragment is measured in the second mass spectrometer (MS-2). Many of the ions generated during this second fragmentation result from breakage of the peptide bond, as shown. These are called b-type or y-type ions, depending on whether the charge is retained on the amino- or carboxylterminal side, respectively.
怎么看 · (a) 从左到右看仪器流程:电喷雾电离→MS-1 挑出单一肽段→碰撞室在肽键处断成 b 离子(含 N 端)和 y 离子(含 C 端)→MS-2 测各碎片质量→检测器。(b) 相邻两峰的 m/z 之差就等于一个氨基酸的残基质量,据此从左到右“读”出序列。考研要点:b/y 离子的定义、相邻峰差值 = 残基质量,以及 Leu 与 Ile 残基质量都是 113、质谱不能区分。
讲解 · b/y 离子的定义是质谱测序题的关键:**电荷留在 N 端一侧的碎片叫 b 型离子,留在 C 端一侧的叫 y 型离子**。同一条肽会同时给出 b 系列和 y 系列两套峰,两套序列可以互相印证,这就是教材所说「用一套推出的序列可以由另一套确认,从而提高序列信息的可信度」。图 3-29b 给出的实例是一条 21 残基小肽的 y 型离子谱,相邻峰的质量差即对应被丢掉的那个氨基酸残基。
图内标注中英对照 · 40 条
English中文
MS-1第一级质谱(MS-1)
Collision cell碰撞室(碰撞诱导解离池)
MS-2第二级质谱(MS-2)
Detector检测器
Electrospray ionization电喷雾电离(ESI)
Separation(按质荷比)分选、分离
Breakage(肽键)断裂、碎裂
bb 离子(断裂后保留 N 端的碎片离子)
yy 离子(断裂后保留 C 端的碎片离子)
H3N+H3N+(氨基端,不译)
R1, R2, R3, R4, R5R1~R5(各残基侧链,不译)
O−O−(羧基端,不译)
(a)(a)
G-V-L-V-V-A-A-S-G-D-S-G-A-S-S-I-S-Y-P-A-R由谱图推出的肽段序列 G-V-L-V-V-A-A-S-G-D-S-G-A-S-S-I-S-Y-P-A-R(单字母缩写,不译)
Signal intensity信号强度(纵坐标)
Ala (71)Ala(丙氨酸,残基质量 71)
Pro (97)Pro(脯氨酸,97)
Tyr (163)Tyr(酪氨酸,163)
Ser (87)Ser(丝氨酸,87)
Leu/Ile (113)Leu/Ile(亮氨酸/异亮氨酸,113;两者残基质量相同,质谱无法区分)
Ser (87)Ser(丝氨酸,87)
Ser (87)Ser(丝氨酸,87)
Ala (71)Ala(丙氨酸,71)
Gly (57)Gly(甘氨酸,57)
Ser (87)Ser(丝氨酸,87)
Asp (115)Asp(天冬氨酸,115)
Gly (57)Gly(甘氨酸,57)
Ser (87)Ser(丝氨酸,87)
Ala (71)Ala(丙氨酸,71)
Ala (71)Ala(丙氨酸,71)
Val (99)Val(缬氨酸,99)
Val (99)Val(缬氨酸,99)
Leu/Ile (113)Leu/Ile(亮氨酸/异亮氨酸,113)
Val (99)Val(缬氨酸,99)
Gly (57)Gly(甘氨酸,57)
19971997(最大碎片离子的 m/z 值,不译)
200 / 400 / 600 / 800 / 1,000 / 1,200 / 1,400 / 1,600 / 1,800横坐标刻度 200~1,800(不译)
Mass (m/z)质量(质荷比 m/z)
(b)(b)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行(不译,保留原文)
Original text

The mixture is then injected into a mass spectrometer that has two mass filters in tandem (Fig. 329a, top). In the first, the peptide mixture is sorted so that only one of the several types of peptides produced by cleavage emerges at the other end. The sample of the selected peptide, each molecule of which has a charge somewhere along its length, then travels through a vacuum chamber between the two mass spectrometers. In this collision cell, the peptide is further fragmented by high-energy impact with a “collision gas” such as helium or argon that is bled into the vacuum chamber. Each individual peptide is broken in only one place, on average. Although the breaks are not hydrolytic, most occur at the peptide bonds.

中文翻译

随后把这一混合物注入一台带有两级串联质量过滤器的质谱仪(图 3-29a,上部)。在第一级中,肽混合物被分选,使得由切割产生的若干种肽中只有一种从另一端出来。被选中的那种肽的样品(其每一个分子沿链的某处都带有一个电荷)接着穿过两台质谱仪之间的真空腔。在这个碰撞室中,肽被通入真空腔的「碰撞气体」(例如氦或氩)以高能撞击而进一步碎裂。平均而言,每个肽分子只在一处被打断。虽然这些断裂并非水解性的,但大多数发生在肽键处。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 429
Original text

The second mass filter then measures the m/z ratios of all the charged fragments. This process generates one or more sets of peaks. A given set of peaks (Fig. 3-29b) consists of all the charged fragments that were generated by breaking the same type of bond (but at different points in the peptide). One set of peaks includes only the fragments in which the charge was retained on the amino-terminal side of the broken bonds; another includes only the fragments in which the charge was retained on the carboxylterminal side of the broken bonds. Each successive peak in a given set has one less amino acid than the peak before. The difference in mass from peak to peak identifies the amino acid that was lost in each case, thus revealing the sequence of the peptide. The only ambiguities involve leucine and isoleucine, which have the same mass.

中文翻译

第二级质量过滤器随后测定所有带电碎片的 m/z 比值。这一过程会产生一套或多套峰。某一套峰(图 3-29b)由所有因断裂同一类型的键(但断在肽的不同位置)而产生的带电碎片组成。其中一套峰只包含电荷保留在断裂键氨基末端一侧的那些碎片;另一套峰则只包含电荷保留在断裂键羧基末端一侧的那些碎片。在给定的一套峰中,每一个相继的峰都比它前面的峰少一个氨基酸。峰与峰之间的质量差就标识出每一次所失去的那个氨基酸,从而揭示出该肽的序列。唯一的多义性涉及亮氨酸和异亮氨酸,它们的质量相同。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 431
原理解读

串联质谱(tandem MS / MS/MS)测序的完整流程要能一口气讲下来:**蛋白质 →(胰蛋白酶等专一性蛋白酶水解)→ 肽混合物 → MS-1 分选出单一种类的肽 → 碰撞室中与惰性碰撞气体(He、Ar)高能碰撞诱导解离,平均每个分子只断一处、且多断在肽键上 → MS-2 测各碎片 m/z → 同一系列相邻峰的质量差 = 丢掉的那个残基 → 读出序列**。三个必背细节:① 前处理最常用胰蛋白酶,因为它专一性最高,产生的肽长度适中且 C 端带碱性残基易带电;② 断裂是碰撞诱导的、**不是水解**;③ **Leu 与 Ile 质量相同(均为 113.084),是质谱测序唯一无法区分的一对**——这几乎是本考点必出的一道选择/填空。

Original text

The organism of interest is generally one in which the genomic sequence is known. Cellular proteins are first isolated in an extract, then digested into relatively short peptides by a protease such as trypsin. The very complex mixture of peptides is subjected to chromatography, so that resolved peptides are introduced to the mass spectrometer successively. Transfer from the liquid phase to the gas phase is facilitated by MALDI or ESI. Each peptide is analyzed for amino acid sequence, and that sequence is compared to the known genomic sequence available in databases to identify the protein it came from. Because more peptides are generated from the more common proteins in the mixture, the exercise also provides a measure of protein abundance.

中文翻译

所研究的生物通常是基因组序列已知的物种。细胞蛋白质首先在提取液中被分离出来,然后用胰蛋白酶之类的蛋白酶消化成相对较短的肽。这一极其复杂的肽混合物先经过色谱分离,使得被分开的各个肽相继进入质谱仪。从液相到气相的转移由 MALDI 或 ESI 来实现。每一个肽都被分析出其氨基酸序列,再把该序列与数据库中已知的基因组序列进行比对,从而鉴定它来自哪一种蛋白质。由于混合物中含量较高的蛋白质会产生较多的肽,因此这项工作同时还提供了蛋白质丰度的量度。

§3.4 Mass Spectrometry Provides Information on Molecular Mass, Amino Acid Sequence, and Entire Proteomes · 教材 p. 432
原理解读

这就是所谓「鸟枪法蛋白质组学(shotgun proteomics)」的 LC-MS/MS 流程:**细胞提取液 → 胰蛋白酶消化 → 液相色谱在线分离 → MALDI/ESI 进样 → MS/MS 测每条肽序列 → 与基因组数据库比对反查蛋白质身份 → 肽数目反映蛋白质丰度**。两个高频设问:① 「为什么必须先知道基因组序列?」因为鉴定靠的是把实测肽序列**比对回数据库**,而不是从头拼出整条蛋白;② 「质谱如何给出定量信息?」丰度高的蛋白产生的肽更多、被采集到的次数更多。教材还给出速度感:一秒内可完成数十条肽的 MS/MS 扫描,一小时可分析完整个酵母细胞的蛋白质组。质谱在蛋白质化学中的其他用途也要记住:精确分子量用于鉴定、监测蛋白质组随代谢状态/环境变化、通过肽质量变化发现各种翻译后修饰、发现 mRNA 编辑造成的序列改变。

术语对照
  • 蛋白质组proteome名词解释高频:一个细胞中全部蛋白质的总和,包括其相对丰度的估计
  • 质荷比mass-to-charge ratio, m/z质谱测定的基本物理量,由此推算分析物质量
  • 基质辅助激光解吸电离matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI MS)1988 年问世的软电离法之一,常与 TOF 联用
  • 电喷雾电离electrospray ionization (ESI MS)产生多电荷离子,便于与液相色谱在线联用
  • 飞行时间 / 轨道阱time of flight (TOF) / Orbitrap两类质量分析器;Orbitrap 经傅里叶变换得 m/z
  • 串联质谱tandem MS (MS/MS)两级质量过滤器 + 碰撞室;相邻峰质量差读出残基序列
  • b 型离子 / y 型离子b-type ion / y-type ion电荷分别保留在断裂处的 N 端侧与 C 端侧,两套序列互为印证
  • Leu/Ile 多义性Leu/Ile ambiguity两者质量相同,是质谱测序唯一不能区分的一对残基

固相多肽合成(Merrifield 法)Small Peptides and Proteins Can Be Chemically Synthesized

笔记 考点十二:固相肽合成(多肽的化学合成)
Original text

Many peptides are potentially useful as pharmacologic agents, and their production is of considerable commercial importance. In addition to its commercial applications, the synthesis of specific peptide portions of larger proteins is an increasingly important tool for the study of protein structure and function.

中文翻译

许多肽都有可能用作药理学制剂,因此它们的生产具有相当大的商业重要性。除商业用途之外,合成较大蛋白质中特定的肽段,也日益成为研究蛋白质结构与功能的重要工具。

§3.4 Small Peptides and Proteins Can Be Chemically Synthesized · 教材 p. 433
原理解读

教材给出获得一条肽的三条途径:**① 从组织中纯化**(常因某些肽浓度极低而困难);**② 基因工程表达**(第 9 章);**③ 直接化学合成**。为什么需要化学合成:传统有机合成路线在肽长超过四五个残基时就不实用了,主要难点在于**每一步之后产物的纯化极为困难**——这句话正是固相合成的出发点,也是简答题「Merrifield 固相合成解决了什么问题」的第一句答案。

Original text

The major breakthrough in this technology was provided by R. Bruce Merrifield in 1962. His innovation was to synthesize a peptide while keeping one end attached to a solid support. The support is an insoluble polymer (resin) contained within a column, similar to that used for chromatographic procedures. The peptide is built up on this support one amino acid at a time, through a standard set of reactions in a repeating cycle (Fig. 330). At each successive step in the cycle, protective chemical groups block unwanted reactions.

中文翻译

这项技术的重大突破由 R. Bruce Merrifield 于 1962 年作出。他的创新之处在于:在合成一条肽的同时,让它的一端始终连接在一个固相载体上。这个载体是装在柱内的一种不溶性聚合物(树脂),类似于色谱操作中所用的柱子。肽就在这个载体上一次一个氨基酸地被逐步搭建起来,通过一套标准反应的重复循环进行(图 3-30)。在循环的每一个相继步骤中,都由保护性化学基团来阻断不需要的反应。

§3.4 Small Peptides and Proteins Can Be Chemically Synthesized · 教材 p. 434
原理解读

固相合成的三大要件必须能默写:**① 不溶性固相载体(树脂)**——肽的一端始终锚定在树脂上,因此每一步过量的试剂和副产物只需简单过滤/洗涤即可除去,彻底绕开了「每步都要纯化」这一难题;**② 保护基**——α-氨基用 Fmoc(9-芴甲氧羰基)保护(经典早期方法用 Boc),侧链另有各自的保护基,防止发生不需要的分支反应;**③ 重复循环**——脱保护 → 洗涤 → 加入下一个被活化的、α-氨基已被保护的氨基酸 → 偶联成肽键 → 洗涤,如此循环,最后从树脂上切下并脱去所有保护基。人名与年份是送分点:**R. Bruce Merrifield,1962 年**(他因此获 1984 年诺贝尔化学奖)。

(图 3-30 在不溶性聚合物载体上化学合成肽,续图注)9-芴甲氧羰基(Fmoc)基团(蓝色底纹)可防止在该残基(浅红色底纹)的 α-氨基处发生不需要的反应。化学合成从羧基末端向氨基末端进行,与体内蛋白质合成的方向相反。
图注 · (图 3-30 在不溶性聚合物载体上化学合成肽,续图注)9-芴甲氧羰基(Fmoc)基团(蓝色底纹)可防止在该残基(浅红色底纹)的 α-氨基处发生不需要的反应。化学合成从羧基末端向氨基末端进行,与体内蛋白质合成的方向相反。
Caption · The 9fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc) group (shaded blue) prevents unwanted reactions at the α-amino group of the residue (shaded light red). Chemical synthesis proceeds from the carboxyl terminus to the amino terminus, the reverse of the direction of protein synthesis in vivo.
怎么看 · 按图中圆圈编号 ①→⑤ 顺时针读:C 端氨基酸先固定到树脂→脱 Fmoc 保护→DCC 活化下一个氨基酸的羧基→缩合成肽键→循环延长→最后用 TFA 同时脱保护并把肽从树脂切下。考研要点:固相合成方向是 C 端→N 端(与核糖体翻译的 N→C 相反)、Fmoc 为可逆保护基、DCC 为缩合剂(副产物二环己基脲)、TFA 负责切割。
讲解 · 这幅图注藏着本考点最经典的一道判断题:**固相化学合成的方向是 C 端 → N 端(第一个氨基酸以其羧基锚定在树脂上,随后逐个向 N 端延伸),恰好与核糖体上体内合成的 N 端 → C 端方向相反**。同时记住 Fmoc 是保护 α-氨基的保护基。这两点几乎每次考到固相合成都会出现。
图内标注中英对照 · 18 条
English中文
FmocFmoc(9-芴甲氧羰基,α-氨基保护基,不译缩写)
Amino acid residue氨基酸残基
Cl—CH2Cl—CH2(氯甲基反应基团,不译)
Insoluble polystyrene bead不溶性聚苯乙烯微球(固相载体树脂)
Amino acid 1 with α-amino group protected by Fmoc groupα-氨基被 Fmoc 基团保护的第 1 个氨基酸
1 Carboxyl-terminal amino acid is attached to reactive group on resin.步骤 ①:把(将来成为)羧基末端的氨基酸连接到树脂的反应基团上
Cl−Cl−(离去的氯离子,不译)
2 Protecting group is removed by flushing with solution containing a mild organic base.步骤 ②:用含温和有机碱的溶液冲洗,脱去保护基
H3N+H3N+(脱保护后暴露的游离 α-氨基,不译)
Dicyclohexylcarbodiimide (DCC)二环己基碳二亚胺(DCC,缩合活化剂)
3 Amino acid 2 with protected α-amino group is activated at carboxyl group by DCC.步骤 ③:α-氨基已被保护的第 2 个氨基酸,其羧基被 DCC 活化
4 α-Amino group of amino acid 1 attacks activated carboxyl group of amino acid 2 to form peptide bond.步骤 ④:氨基酸 1 的 α-氨基进攻氨基酸 2 被活化的羧基,形成肽键
Dicyclohexylurea byproduct二环己基脲(副产物)
Reactions 2 to 4 repeated as necessary按需要重复步骤 ②~④(每循环一次延长一个残基)
Trifluoroacetic acid (TFA)三氟乙酸(TFA)
5 Completed peptide is deprotected as in reaction 2 ; TFA cleaves ester linkage between peptide and resin.步骤 ⑤:合成完毕的肽按步骤 ② 脱保护;TFA 切断肽与树脂之间的酯键,把肽从载体上释放下来
R1, R2R1、R2(第 1、2 个氨基酸的侧链,不译)
F—CH2F—CH2(切割后留在树脂上的基团,不译)
Original text

The technology for chemical peptide synthesis has been automated. An important limitation of the process is the efficiency of each chemical cycle. Incomplete reaction at one stage can lead to formation of an impurity (in the form of a shorter peptide) in the next. The chemistry has been optimized to permit the synthesis of proteins of 100 amino acid residues in a few days in reasonable yield. A very similar approach is used to synthesize nucleic acids (see Fig. 8-33). It is worth noting that this technology, impressive as it is, still pales when compared with biological processes. The same 100-residue protein would be synthesized with exquisite fidelity in about 5 seconds in a bacterial cell.

中文翻译

化学合成肽的技术已经实现了自动化。该过程的一个重要限制在于每一个化学循环的效率。某一阶段反应不完全,会在下一步中导致杂质(表现为较短的肽)的形成。这套化学方法已被优化到可以在几天内以合理的产率合成 100 个氨基酸残基的蛋白质。合成核酸也采用非常相似的方法(见图 8-33)。值得注意的是,这项技术尽管令人印象深刻,与生物学过程相比仍然黯然失色。同样一条 100 残基的蛋白质,在细菌细胞中只需约 5 秒钟即可以极高的保真度合成出来。

§3.4 Small Peptides and Proteins Can Be Chemically Synthesized · 教材 p. 436
原理解读

「效率」是固相合成的命门,也是计算题的来源:每个循环的产率必须极高,因为总产率 = (单步产率)^n。某一步反应不完全就会留下缺失一个残基的**短肽杂质**,且随链长指数放大——这正是化学合成上限约为 **100 个残基、耗时数天**的原因。与之对照,细菌细胞合成同样的 100 残基蛋白只要**约 5 秒**且保真度极高。这组「几天 vs 5 秒」的对比是论述题里极有分量的一句话。

Original text

Methods for the efficient ligation (joining together) of peptides allow the assembly of synthetic peptides into larger polypeptides and proteins. Novel forms of proteins can be created with precisely positioned chemical groups, including those that might not normally be found in a cellular protein. This provides one approach to test theories of enzyme catalysis, to create proteins with altered chemical properties, and to design protein sequences that will fold into particular structures. This last application provides the ultimate test of our ability to relate the primary structure of a peptide to the three-dimensional structure that it takes up in solution.

中文翻译

高效连接(拼接)肽段的方法,使得把合成的肽装配成更大的多肽和蛋白质成为可能。可以创造出带有精确定位的化学基团的新型蛋白质,其中包括那些在细胞蛋白质中通常找不到的基团。这为检验酶催化的理论、创造具有改变了的化学性质的蛋白质、以及设计能折叠成特定结构的蛋白质序列提供了一条途径。最后这一应用,是对我们把一条肽的一级结构与它在溶液中所采取的三维结构联系起来的能力的终极检验。

§3.4 Small Peptides and Proteins Can Be Chemically Synthesized · 教材 p. 436
原理解读

这一段解释固相合成为什么在基因工程时代仍不可替代:化学合成可以引入**非天然氨基酸和任意化学基团**,把探针、交联剂、同位素标记放在精确的位置上,这是靠核糖体表达做不到的。三大用途要背:检验酶催化机理的理论假设、制造化学性质被改造的蛋白质、以及**从头设计能折叠成指定结构的序列**(后者是「一级结构决定三维结构」这一论断的终极检验,可与考点八的结构层次遥相呼应)。另外,肽段连接(ligation)技术使合成长度突破了单次固相合成 ~100 残基的上限。

术语对照
  • 固相肽合成solid-phase peptide synthesisMerrifield,1962;肽的一端锚定在不溶性树脂上,逐步循环延伸
  • Fmoc 保护基9-fluorenylmethoxycarbonyl (Fmoc) group保护 α-氨基,防止不需要的反应;早期方法用 Boc
  • 合成方向carboxyl terminus → amino terminus化学合成 C→N,与体内核糖体合成 N→C 方向相反,判断题高频
  • 肽段连接peptide ligation把多段合成肽拼接成更大的多肽/蛋白质,突破单次合成的长度上限

氨基酸序列所携带的信息与分子进化:同源蛋白、保守序列与进化树Amino Acid Sequences Provide Important Biochemical Information / Protein Sequences Help Elucidate the History of Life on Earth

笔记 考点十一:氨基酸序列与生物进化
Original text

We do not understand in detail exactly how the amino acid sequence determines three-dimensional structure, nor can we always predict function from sequence. However, protein families that have some shared structural or functional features can be readily identified on the basis of amino acid sequence similarities. Individual proteins are assigned to families based on the degree of similarity in amino acid sequence. Members of a family are usually identical across 25% or more of their sequences, and proteins in these families generally share at least some structural and functional characteristics. Some families, however, are defined by identities involving only a few amino acid residues that are critical to a certain function.

中文翻译

我们尚未详尽理解氨基酸序列究竟是如何决定三维结构的,也无法总是从序列预测功能。然而,具有某些共同结构或功能特征的蛋白质家族,却可以依据氨基酸序列的相似性被很容易地识别出来。各个蛋白质根据氨基酸序列相似程度被归入不同的家族。一个家族的成员通常在其序列的 25% 或更多位置上是相同的,而这些家族中的蛋白质一般至少共有某些结构与功能上的特征。不过,也有一些家族是由仅仅涉及少数几个对某一功能至关重要的氨基酸残基的同一性来定义的。

§3.4 Amino Acid Sequences Provide Important Biochemical Information · 教材 p. 437
原理解读

「**同一性 ≥ 25%** 即可归入同一蛋白质家族」是一个非常适合出填空题的量化判据,务必记住这个数字。教材同时提醒两个层次:有些家族靠整体序列相似性定义,有些家族只靠**少数几个功能关键残基**的同一性定义(例如酶的催化三联体)。此外,序列还能提示**结构域(domain)**——同一结构域可以出现在功能完全不相关的多种蛋白质中,它们往往折叠成异常稳定或适应特定环境的构象。序列所携带信息的另一大类是**信号序列**:通常位于氨基末端,决定蛋白质的细胞定位(分泌、入核、上膜、留在胞质)、化学修饰与半衰期;还有作为辅基(糖基、脂质)连接位点的序列。教材专门用 KEY CONVENTION 定义了**共有序列(consensus sequence)**:把一组相关序列对齐后,每个位置上出现最多的碱基或氨基酸所构成的序列;一致性特别好的部分往往代表进化上保守的功能结构域(Box 3-2 用 P loop 与 EF hand 举例,并介绍了序列徽标 sequence logo 的表示法)。

Original text

The residues that are less important to function may vary over time — that is, one amino acid may substitute for another — and these variable residues can provide the information to trace evolution. Some proteins have more variable amino acid residues than others. For these and other reasons, different proteins evolve at different rates.

中文翻译

对功能较不重要的那些残基可能随时间发生变化——也就是说,一种氨基酸可以取代另一种——而这些可变残基能够提供追踪进化的信息。有些蛋白质所含的可变氨基酸残基比另一些更多。由于这些以及其他一些原因,不同的蛋白质以不同的速率进化。

§3.4 Protein Sequences Help Elucidate the History of Life on Earth · 教材 p. 442
原理解读

分子进化的基本前提,教材原话是「deceptively straightforward(看似简单得令人误解)」:**亲缘关系越近,基因和蛋白质的序列越相似;进化距离越大,序列分歧越大**。在此基础上要理解一对互补概念——对活性必需的残基在进化时间尺度上**保守**,不重要的残基则可**变异**,正是这些可变位点承载了进化信息。由此推出「不同蛋白质进化速率不同」,也就是分子钟必须**按蛋白质分别校准**的原因。史实线索:分子进化领域一般追溯到 20 世纪 60 年代中期的 Emile Zuckerkandl 与 Linus Pauling;20 世纪 70 年代 **Carl Woese 用核糖体 RNA 序列把古菌(Archaea)确立为不同于细菌和真核生物的独立类群**——这是本考点最常考的史实。

Original text

Another complicating factor in tracing evolutionary history is the rare transfer of a gene or a group of genes from one organism to another, a process called horizontal gene transfer. The transferred genes may be similar to the genes they were derived from in the original organism, whereas most other genes in the two organisms may be only distantly related. An example of horizontal gene transfer is the recent rapid spread of antibioticresistance genes in bacterial populations. The proteins derived from these transferred genes would not be good candidates for the study of bacterial evolution, because they share only a very limited evolutionary history with their “host” organisms.

中文翻译

在追溯进化历史时,另一个使问题复杂化的因素,是基因或一组基因从一种生物向另一种生物的罕见转移,这一过程称为水平基因转移。被转移的基因可能与它们在原始生物中所源自的基因相似,而这两种生物中的大多数其他基因却可能只有很远的亲缘关系。水平基因转移的一个例子,是近来抗生素抗性基因在细菌种群中的迅速扩散。由这些被转移基因产生的蛋白质,并不适合作为研究细菌进化的候选对象,因为它们与其「宿主」生物只共有非常有限的一段进化历史。

§3.4 Protein Sequences Help Elucidate the History of Life on Earth · 教材 p. 442
原理解读

**水平基因转移(horizontal gene transfer)**是分子系统发生分析的主要干扰因素,名词解释与简答都常考。要点三条:① 定义——基因在生物个体之间(而非亲代到子代)的罕见转移;② 后果——被转移基因与供体高度相似,而宿主的其余基因却与供体关系疏远,因此用这类基因建树会得到错误的进化关系;③ 实例——**细菌中抗生素抗性基因的快速扩散**。正因如此,教材下一段给出规避策略:分子进化研究一般选取**在最早的可存活细胞中就必须存在的、参与核心代谢的蛋白质家族**,这样被近期水平转移引入的概率极低。

Original text

For example, a protein called EF-1α (elongation factor 1α) is involved in the synthesis of proteins in all eukaryotes. A similar protein, EF-Tu, with the same function, is found in bacteria. Similarities in sequence and function indicate that EF-1α and EF-Tu are members of a family of proteins that share a common ancestor. The members of protein families are called homologous proteins, or homologs. The concept of a homolog can be further refined. If two proteins in a family (that is, two homologs) are present in the same species, they are referred to as paralogs. Homologs from different species are called orthologs. The process of tracing evolution involves first identifying suitable families of homologous proteins and then using them to reconstruct evolutionary paths.

中文翻译

例如,一种称为 EF-1α(延伸因子 1α)的蛋白质参与所有真核生物中的蛋白质合成。在细菌中则存在一种功能相同的相似蛋白质 EF-Tu。序列与功能上的相似性表明,EF-1α 与 EF-Tu 是同一个蛋白质家族的成员,它们共有一个共同祖先。蛋白质家族的成员被称为同源蛋白,或同源物。同源物这一概念还可以进一步细分。如果一个家族中的两个蛋白质(即两个同源物)存在于同一个物种中,就称它们为旁系同源物;来自不同物种的同源物则称为直向同源物。追溯进化的过程首先要鉴定出合适的同源蛋白家族,然后利用它们来重建进化路径。

§3.4 Protein Sequences Help Elucidate the History of Life on Earth · 教材 p. 443
原理解读

这是名词解释的黄金三连,定义必须一字不差:**同源蛋白(homologs)**——同一蛋白质家族的成员,源自共同祖先;**旁系同源物(paralogs)**——同一物种内的两个同源物(通常由基因复制产生);**直向同源物(orthologs)**——不同物种中的同源物(通常由物种形成产生)。记忆诀窍:para- 表「并列、旁侧」→ 同一物种内并列存在;ortho- 表「正、直」→ 跨物种一一对应。教材的实例是真核生物 EF-1α 与细菌 EF-Tu(功能相同的直向同源物)。注意「同源」是**质的判断(有无共同祖先)**,不能说「同源性 70%」,只能说「同一性/相似性 70%」——这是常见的表述陷阱。

Original text

A more useful analysis also considers the chemical properties of substituted amino acids. Many of the amino acid differences within a protein family may be conservative — that is, an amino acid residue is replaced by a residue that has similar chemical properties. For example, a Glu residue may substitute in one family member for the Asp residue found in another; both amino acids are negatively charged. Logically, such a conservative substitution should receive a higher score in a sequence alignment than a nonconservative substitution does — for example, in replacement of the Asp residue with a hydrophobic Phe residue.

中文翻译

一种更有用的分析还要考虑被取代氨基酸的化学性质。蛋白质家族内部许多氨基酸的差异可能是保守性的——也就是说,一个氨基酸残基被另一个化学性质相似的残基所取代。例如,一个家族成员中的 Glu 残基,可能取代另一个成员中所具有的 Asp 残基;这两种氨基酸都带负电荷。按逻辑,这样的保守性取代在序列比对中所得的分值,应当高于非保守性取代——例如把 Asp 残基换成疏水的 Phe 残基。

§3.4 Protein Sequences Help Elucidate the History of Life on Earth · 教材 p. 444
原理解读

**保守性取代(conservative substitution)**:被化学性质相似的残基取代(Asp↔Glu 都带负电,Leu↔Ile↔Val 都疏水,Ser↔Thr 都含羟基),对结构和功能影响小,在打分矩阵中应给较高分值;反之如 Asp→Phe(带电换疏水)就是非保守性取代。序列比对的打分规则也要会说:**相同位置给正分,需要引入空位(gap)时给负分**,程序选取「同一残基最多、空位最少」的最优比对(图 3-31)。可靠性检验的经典方法是**序列打乱(shuffling)检验**:把其中一条序列随机打乱后反复与另一条比对,若原始比对分值显著高于随机分布,则可信度高;但要注意教材的提醒——**比对分值不显著并不等于两蛋白质无进化关系**,因为三维结构的相似性有时能揭示序列同源性已被时间抹去的亲缘关系。另外,做同源性搜索时**蛋白质序列优于非编码核酸序列**,因为核酸只有 4 种残基,随机比对就有 ≥25% 的位置匹配,而 20 种氨基酸大大降低了偶然匹配的概率。

Original text

To use a protein family to explore evolution, researchers identify family members with similar molecular functions in the widest possible range of organisms. The sequence divergence in these protein families allows segregation of organisms into classes based on their evolutionary relationships. Certain segments of a protein sequence may be found in the organisms of one taxonomic group but not in other groups; these segments can be used as signature sequences for the group in which they are found. An example of a signature sequence is an insertion of 12 amino acids near the amino terminus of the EF-1α/EF-Tu proteins in all archaea and eukaryotes but not in bacteria (Fig. 332). This particular signature is one of many biochemical clues that can help establish the evolutionary relatedness of eukaryotes and archaea.

中文翻译

为了利用一个蛋白质家族来探索进化,研究者要在尽可能广泛的生物范围内鉴定出具有相似分子功能的家族成员。这些蛋白质家族中的序列分歧,使得能够依据进化关系把生物划分成不同的类别。蛋白质序列中的某些片段可能只在某一分类类群的生物中出现,而在其他类群中没有;这些片段可以用作它们所在类群的标志序列。标志序列的一个例子,是 EF-1α/EF-Tu 蛋白氨基末端附近一段 12 个氨基酸的插入,它存在于所有古菌和真核生物中,而在细菌中没有(图 3-32)。这一特定的标志,是有助于确立真核生物与古菌之间进化亲缘关系的众多生化线索之一。

§3.4 Protein Sequences Help Elucidate the History of Life on Earth · 教材 p. 446
原理解读

**标志序列(signature sequence)**:只在某一分类类群中出现、可用于界定该类群的序列片段。教材给的例证要能完整复述:**EF-1α/EF-Tu 氨基末端附近的一段 12 个氨基酸插入,存在于所有古菌和真核生物,但细菌没有**——这条证据支持真核生物与古菌的亲缘关系比与细菌更近,与 Woese 依据 rRNA 划分三域的结论互相印证。注意图 3-32 图注补充的一个细节:古菌与真核生物虽然都有这段标志,但插入序列本身在两类群中各不相同,反映了它们自共同祖先分化以来的显著趋异。

图 3-33 由氨基酸序列比较得出的进化树。这棵树包含了 10,462 个细菌物种的数据。叶节点(与外圈相交的各点)代表现存物种。内节点(由叶节点发出的连线交汇之处)代表已灭绝的祖先物种。线段长度对应进化时间,以所有细菌共有的 120 个蛋白质中的序列分歧来衡量。主要的细菌门类由环绕外圈部分区段的线条标示。
图注 · 图 3-33 由氨基酸序列比较得出的进化树。这棵树包含了 10,462 个细菌物种的数据。叶节点(与外圈相交的各点)代表现存物种。内节点(由叶节点发出的连线交汇之处)代表已灭绝的祖先物种。线段长度对应进化时间,以所有细菌共有的 120 个蛋白质中的序列分歧来衡量。主要的细菌门类由环绕外圈部分区段的线条标示。
Caption · FIGURE 3-33 Evolutionary tree derived from amino acid sequence comparisons. This tree includes data from 10,462 bacterial species. The leaf nodes (points of intersection with the outer circle) represent extant species. Inner nodes (points where lines emanating from the leaf nodes come together) represent extinct ancestral species. Line lengths correspond to evolutionary time, as measured by sequence divergence in 120 proteins common to all bacteria. The major bacterial phyla are denoted by lines encompassing parts of the outer circle.
怎么看 · 从圆心(共同祖先)向外读:外圈与圆周的交点是现存物种(叶节点,本图含 10,462 个细菌种),内部分支点是已灭绝的祖先物种,线段长度代表进化时间(以所有细菌共有的 120 个蛋白的序列分歧度衡量);圆周外 5 段棕色弧线分别圈出 Patescibacteria、Actinobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria 五大门。考研要点:序列相似度→亲缘关系远近,直系同源(orthologs)与旁系同源(paralogs)的区分,以及“分子钟”思想(序列分歧度正比于分歧时间)。
讲解 · 进化树的读法是必考的:**外节点(叶节点)= 现存物种;内节点 = 已灭绝的祖先物种;连线长度 = 所选蛋白质中发生的氨基酸置换量,即进化时间**。这棵树用了 10,462 个细菌物种、120 个细菌普遍存在的蛋白质——教材特别指出,**使用多达 120 个蛋白质可以进行校准,从而更准确地测定各物种分歧所需的时间**(用单个蛋白质会因其自身进化速率的特殊性而失真)。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
PatescibacteriaPatescibacteria(帕特斯菌门/贫养菌门;标在圆周左上方的外弧上)
ActinobacteriaActinobacteria(放线菌门;标在圆周正上方的外弧上)
FirmicutesFirmicutes(厚壁菌门;标在圆周右上方的外弧上,文字随圆周倒转)
BacteroidetesBacteroidetes(拟杆菌门;标在圆周右下方的外弧上,文字随圆周倒转)
ProteobacteriaProteobacteria(变形菌门;标在圆周左下方的外弧上,文字随圆周倒转)
(tan arcs outside the outer circle)圆周外侧的 5 段棕色弧线:每段弧线圈出外圈的一个扇区,即对应一个主要细菌门(本图共标出 5 个门,弧线外侧即为门名)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排,不译)
Original text

Most amino acid sequences are deduced from genomic sequences and by mass spectrometry. Methods derived from classical approaches to protein sequencing remain important in protein chemistry. Short proteins and peptides (up to about 100 residues) can be chemically synthesized. The peptide is built up, one amino acid residue at a time, while tethered to a solid support. Protein sequences are a rich source of information about protein structure and function. Bioinformatics can analyze changes in the amino acid sequences of homologous proteins over time to trace the evolution of life on Earth.

中文翻译

大多数氨基酸序列是由基因组序列和质谱推导出来的。由经典蛋白质测序方法衍生而来的各种手段,在蛋白质化学中仍然很重要。短的蛋白质和肽(约 100 个残基以内)可以用化学方法合成。肽是在连接于固相载体上的同时,一次一个氨基酸残基地被逐步搭建起来的。蛋白质序列是关于蛋白质结构与功能的丰富信息来源。生物信息学能够分析同源蛋白质氨基酸序列随时间发生的变化,从而追溯地球上生命的进化。

§3.4 SUMMARY 3.4 The Structure of Proteins: Primary Structure · 教材 p. 449
原理解读

这段官方小结把 §3.4 的四大块串成一条线,可直接当作背诵提纲:序列来源(基因组推导 + 质谱,经典化学方法仍有用)→ 化学合成(≤100 残基、固相、逐个残基)→ 序列所含信息(结构、功能、定位、进化)→ 生物信息学与生命史。答论述题「蛋白质一级结构研究的意义」时,按「阐明结构与功能关系 → 阐明分子病机理 → 指导蛋白质工程与药物设计 → 追溯分子进化与生命史」四层展开,正好覆盖笔记考点八至十二的全部内容。

术语对照
  • 同源蛋白 / 同源物homologous proteins / homologs同一蛋白质家族的成员,源自共同祖先;只有「是/否」,不能说百分数
  • 旁系同源物paralog名词解释高频:同一物种内的两个同源物(多由基因复制产生)
  • 直向同源物ortholog名词解释高频:不同物种中的同源物(多由物种形成产生),如 EF-1α 与 EF-Tu
  • 蛋白质家族protein family成员序列同一性通常 ≥25%,共有部分结构与功能特征
  • 共有序列consensus sequence多序列比对后各位置出现频率最高的残基所组成的序列,常对应保守功能域
  • 保守性取代conservative substitution被化学性质相似的残基取代(如 Asp↔Glu),比对打分应高于非保守取代
  • 水平基因转移horizontal gene transfer干扰系统发生分析;实例为抗生素抗性基因在细菌中的扩散
  • 标志序列signature sequenceEF-1α/EF-Tu N 端附近 12 残基插入,古菌与真核有、细菌无
  • 外节点 / 内节点external node / internal node进化树上分别代表现存物种与已灭绝祖先物种;线长代表序列分歧量

分离纯化的第一步:粗提取液、分级分离、盐析与透析3.3 Working with Proteins — Crude Extract, Fractionation, Salting Out, and Dialysis

笔记 考点六:氨基酸的分析分离
原理解读

笔记「考点六:氨基酸的分析分离」在教材里的对应正文是 §3.3 Working with Proteins。教材把「分析分离」拆成一条完整的技术链:破碎细胞取粗提取液 → 按溶解度差异做粗分级(盐析)→ 透析除盐换缓冲液 → 柱层析精分(离子交换/分子筛/亲和/HPLC)→ 电泳鉴定纯度与分子量 → 用活力测定与纯化表定量。考试里问「分离纯化蛋白质(氨基酸)的方法有哪些、各依据什么性质」时,标准答法就是按这条链答:溶解度(盐析)→ 分子大小(透析、分子筛)→ 电荷(离子交换、等电聚焦、电泳)→ 专一结合(亲和层析)。注意本节讲的是蛋白质/肽层面的分离;中文笔记里的氨基酸层析、电泳、含量测定,其原理与这里完全一致(电荷差异、分配/吸附差异、分子大小差异),可以直接迁移。

Original text

Biochemists’ understanding of protein structure and function has been derived from the study of many individual proteins. To study a protein in detail, the researcher must be able to separate it from other proteins in pure form and must have the techniques to determine its properties. The necessary methods come from protein chemistry, a discipline as old as biochemistry itself and one that retains a central position in biochemical research.

中文翻译

生物化学家对蛋白质结构与功能的认识,来自对许多单个蛋白质的研究。要详细研究一种蛋白质,研究者必须能够把它从其他蛋白质中分离出来、得到纯品,并且必须掌握测定其性质的技术。所需的方法来自蛋白质化学——这门学科与生物化学本身一样古老,而且至今仍在生物化学研究中占据核心地位。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 392
Original text

The source of a protein is generally tissue or microbial cells. The first step in any protein purification procedure is to break open these cells, releasing their proteins into a solution called a crude extract. If necessary, differential centrifugation can be used to prepare subcellular fractions or to isolate specific organelles (see Fig. 1-7). Once the extract or organelle preparation is ready, various methods are available for purifying one or more of the proteins it contains.

中文翻译

蛋白质的来源一般是组织或微生物细胞。任何蛋白质纯化流程的第一步,都是把这些细胞破开,使其中的蛋白质释放到一种称为粗提取液(crude extract)的溶液中。如有必要,可用差速离心制备亚细胞组分或分离特定的细胞器(见图1-7)。提取液或细胞器制剂准备好之后,就有多种方法可用来纯化其中所含的一种或多种蛋白质。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
Original text

Commonly, the extract is subjected to treatments that separate the proteins into different fractions based on a property such as size or charge; the process is referred to as fractionation. Early fractionation steps in a purification utilize differences in protein solubility, which is a complex function of pH, temperature, salt concentration, and other factors. The solubility of proteins is lowered in the presence of some salts, an effect called “salting out.” Ammonium sulfate ((NH4)2SO4) is particularly effective for selectively precipitating some proteins while leaving others in solution. Low-speed centrifugation is then used to remove the precipitated proteins from those remaining in solution.

中文翻译

通常,先对提取液施加各种处理,使蛋白质按照大小或电荷之类的性质分成不同的组分;这一过程称为分级分离(fractionation)。纯化早期的分级步骤利用蛋白质溶解度的差异,而溶解度是pH、温度、盐浓度以及其他因素的复杂函数。在某些盐存在时,蛋白质的溶解度会降低,这种效应称为“盐析”。硫酸铵((NH4)2SO4)尤其有效,它能选择性地沉淀某些蛋白质,而让另一些蛋白质留在溶液中。随后用低速离心把沉淀下来的蛋白质与仍留在溶液中的蛋白质分开。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 393
Original text

The membrane allows the exchange of salt and buffer but not proteins. Thus dialysis retains large proteins within the membranous bag or tube while allowing the concentration of other solutes in the protein preparation to change until they come into equilibrium with the solution outside the membrane. Dialysis might be used, for example, to remove ammonium sulfate from the protein preparation.

中文翻译

该膜允许盐和缓冲液自由交换,却不允许蛋白质通过。因此透析把大分子蛋白质保留在膜袋或膜管之内,同时让蛋白质制剂中其他溶质的浓度不断改变,直到与膜外溶液达成平衡。例如,可以用透析把硫酸铵从蛋白质制剂中除去。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 394
术语对照
  • 粗提取液crude extract破碎细胞后的全部可溶蛋白,纯化表的第1行
  • 分级分离fractionation按某一性质把混合物分成若干组分,纯化的基本单元操作
  • 盐析salting out高盐降低溶解度而沉淀;硫酸铵最常用,考点常问「为什么用(NH4)2SO4」
  • 硫酸铵ammonium sulfate ((NH4)2SO4)溶解度大、对蛋白变性作用小、价廉,用于早期粗分级
  • 透析dialysis半透膜按分子大小分离蛋白与小分子溶质,常用于盐析后除盐
  • 差速离心differential centrifugation制备亚细胞组分/分离细胞器
原理解读

常见考法与易错点:①「盐析与盐溶」:低盐浓度时中和电荷、增加水化,溶解度上升(盐溶);高盐浓度时争夺水分子、破坏水化膜并压缩双电层,溶解度下降而沉淀(盐析)。教材这里只讲 salting out,但答题要点必须写清「不破坏蛋白高级结构,是可逆沉淀」,故盐析后可用透析或分子筛除盐使蛋白复溶——这正是教材紧接着讲透析的原因。②透析的判据是分子大小(截留分子量),不是电荷;透析平衡的方向是膜内小分子浓度趋于与膜外相等,所以必须多次换外液。③注意 fractionation(分级分离)与 purification(纯化)不是同义词:电泳属于分析手段而非纯化手段(见 3b 文件),盐析、层析才是制备性的。

柱层析总论与离子交换层析(含例题3-1)Column Chromatography and Ion-Exchange Chromatography (with WORKED EXAMPLE 3-1)

笔记 考点六:氨基酸的分析分离
Original text

The most efficient methods for fractionating proteins make use of column chromatography, which takes advantage of differences in protein charge, size, binding affinity, and other properties (Fig. 3-16). A porous solid material with appropriate chemical properties (the stationary phase) is held in a column, and a buffered solution (the mobile phase) migrates through it. The protein, dissolved in the same buffered solution that was used to establish the mobile phase, is layered on the top of the column. The protein then percolates through the solid matrix as an everexpanding band within the larger mobile phase. Individual proteins migrate faster or more slowly through the column, depending on their properties.

中文翻译

分级分离蛋白质最有效的方法是利用柱层析,它依据蛋白质在电荷、大小、结合亲和力以及其他性质上的差异进行分离(图3-16)。一种具有适当化学性质的多孔固体材料(固定相)被装填在柱中,缓冲溶液(流动相)从中流过。蛋白质溶解在与建立流动相时所用相同的缓冲液中,被加样到柱的顶端。随后蛋白质以一条不断展宽的区带的形式,随较大体积的流动相一起渗滤通过固体基质。不同的蛋白质依其性质不同,通过柱子的速度或快或慢。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 394
图3-16 柱层析。层析柱的标准组件包括支撑在柱内的固体多孔材料(基质),柱子一般由塑料或玻璃制成。一种溶液即流动相流过基质(固定相),从柱底流出的溶液(流出液)不断由柱顶储液瓶供给的溶液补充。待分离的蛋白质溶液加在柱顶,任其渗入固体基质,再在上面补加溶液。蛋白质溶液在流动相中形成一条区带,其初始厚度即为加样时蛋白质溶液的厚度。
图注 · 图3-16 柱层析。层析柱的标准组件包括支撑在柱内的固体多孔材料(基质),柱子一般由塑料或玻璃制成。一种溶液即流动相流过基质(固定相),从柱底流出的溶液(流出液)不断由柱顶储液瓶供给的溶液补充。待分离的蛋白质溶液加在柱顶,任其渗入固体基质,再在上面补加溶液。蛋白质溶液在流动相中形成一条区带,其初始厚度即为加样时蛋白质溶液的厚度。
Caption · FIGURE 3-16 Column chromatography. The standard elements of a chromatographic column include a solid, porous material (matrix) supported inside a column, generally made of plastic or glass. A solution, the mobile phase, flows through the matrix, the stationary phase. The solution that passes out of the column at the bottom (the effluent) is constantly replaced by solution supplied from a reservoir at the top. The protein solution to be separated is layered on top of the column and allowed to percolate into the solid matrix.
怎么看 · 沿顶部 Time 箭头从左到右看同一根柱子随时间的变化:样品加在柱顶形成一条窄带,随流动相下行被基质拆成 A、B、C 三条色带,越靠柱下端的越先流出(本图是绿色的 C 先出柱)→ 经检测器 → 记录仪画出洗脱峰 → 分部收集器分管收集。考研要点是分清流动相(缓冲液/样品溶液)与固定相(多孔基质)、理解“先出柱者与基质作用最弱”,以及分辨率取决于柱长与色带展宽(柱越长分离越好,但扩散使带变宽)。
讲解 · 这幅图要看懂三件事:①流动相/固定相的关系——分离的本质是溶质在两相之间反复分配或反复吸附-解吸;②区带随迁移而展宽——原图给出五个不同时刻的区带,柱越长分辨率越高,但扩散展宽(diffusional spreading)随时间增大又会降低分辨率,图中蛋白A与B、C分开而B与C因扩散未完全分开,正是这一矛盾的体现;③洗脱曲线——柱下方按顺序收集流出液并检测,才得到「峰」。这解释了为什么后面要用HPLC(缩短柱上时间以抑制扩散展宽)。
图内标注中英对照 · 14 条
English中文
Time时间(顶部长箭头;从左到右的五根柱子表示同一根柱随时间推进的连续状态)
Pump泵(蠕动泵,把贮液瓶中的缓冲液持续送到柱顶)
Reservoir贮液瓶(缓冲液/洗脱液贮槽,图中锥形瓶)
Protein sample (mobile phase)蛋白质样品(流动相)——指示线指向柱顶那条深色窄带
Solid porous matrix (stationary phase)固体多孔基质(固定相)——柱内浅褐色填料
Porous support多孔支撑板(柱底筛板,托住基质并让流出液通过)
A组分 A(最右侧柱中最上方的蓝色色带,移动最慢,最后被洗脱)
B组分 B(中间的红色色带,移动速度居中)
C组分 C(最下方的绿色色带,移动最快,最先流出;图中流出液滴和收集管中的液体正是绿色)
Detector检测器(在线检测流出液的吸光度等信号)
Effluent流出液(从柱下端流出的洗脱液,图中以一滴绿色液滴表示)
Recorder记录仪(左侧方框中的红色曲线即记录下的洗脱峰)
Fraction collector分部收集器(试管架,按先后顺序分管收集流出液,图中共 4 支收集管)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排,不译)
Original text

Ion-exchange chromatography exploits differences in the sign and magnitude of the net electric charge of proteins at a given pH (Fig. 3-17a). The column matrix is a synthetic polymer (resin) containing bound charged groups; those with bound anionic groups are called cation exchangers, and those with bound cationic groups are called anion exchangers. The affinity of each protein for the charged groups on the column is affected by the pH (which determines the ionization state of the molecule) and the concentration of competing free salt ions in the surrounding solution. Separation can be optimized by gradually changing the pH and/or salt concentration of the mobile phase in order to create a pH or salt gradient. In cation-exchange chromatography, proteins with a net positive charge migrate through the matrix more slowly than those with a net negative charge, because the migration of the former is retarded more by interaction with the stationary phase.

中文翻译

离子交换层析利用蛋白质在给定pH下净电荷符号与大小的差异(图3-17a)。柱基质是一种含有结合电荷基团的合成聚合物(树脂);带有结合阴离子基团的称为阳离子交换剂,带有结合阳离子基团的称为阴离子交换剂。每种蛋白质对柱上电荷基团的亲和力,受pH(它决定分子的解离状态)以及周围溶液中相互竞争的游离盐离子浓度的影响。通过逐步改变流动相的pH和/或盐浓度以建立pH梯度或盐梯度,可以优化分离效果。在阳离子交换层析中,净电荷为正的蛋白质比净电荷为负的蛋白质迁移得更慢,因为前者的迁移受到与固定相相互作用的更大阻滞。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 396
Original text

As the protein-containing solution exits a column, successive portions (fractions) of this effluent are collected in test tubes. Each fraction can be tested for the presence of the protein of interest as well as other properties, such as ionic strength or total protein concentration. All fractions positive for the protein of interest can be combined as the product of this chromatographic step of the protein purification.

中文翻译

当含蛋白质的溶液流出柱子时,把这些流出液依次分成若干份(即组分、馏分)收集到试管中。每一组分都可以检测其中是否含有目的蛋白,也可以检测其他性质,例如离子强度或总蛋白浓度。所有目的蛋白呈阳性的组分可以合并起来,作为蛋白质纯化中这一层析步骤的产物。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 398
原理解读

离子交换层析的答题模板:①依据——蛋白质/氨基酸在给定pH下净电荷的符号与大小不同;②交换剂命名以「所交换的离子」为准,千万别记反:树脂上带负电基团(如—SO3−、羧甲基CM)交换阳离子,叫阳离子交换剂;树脂上带正电基团(如二乙氨基乙基DEAE)交换阴离子,叫阴离子交换剂;③洗脱——升高盐浓度(离子竞争)或改变pH(改变蛋白净电荷)做梯度洗脱;④洗脱顺序——在阳离子交换柱上,pI 越低(越偏负电)的越先流出,pI 越高(正电越多)的越被滞留、越后流出;阴离子交换柱上顺序相反。氨基酸分析仪正是用磺酸型强阳离子交换树脂,在逐步升高pH和离子强度的缓冲液下按 酸性→中性→碱性 氨基酸的顺序洗脱,这就是中文笔记「氨基酸的分离」最经典的一问。

Original text

A biochemist wants to separate two peptides by ion-exchange chromatography. At the pH of the mobile phase to be used on the column, one peptide (A) has a pI of 5.1, due to the presence of more Glu and Asp residues than Arg, Lys, and His residues, and has a net negative charge at neutral pH. Peptide B has a pI of 7.8, reflecting a plurality of positively charged amino acid residues at neutral pH. At neutral pH, which peptide would elute first from a cation-exchange resin? Which would elute first from an anionexchange resin?

中文翻译

一位生物化学家想用离子交换层析分离两条肽。在柱上所用流动相的pH条件下,肽A的pI为5.1,这是因为它所含的Glu和Asp残基多于Arg、Lys和His残基,因而在中性pH时带净负电荷。肽B的pI为7.8,反映出它在中性pH时带正电荷的氨基酸残基占多数。在中性pH下,哪条肽会先从阳离子交换树脂上洗脱出来?哪条肽会先从阴离子交换树脂上洗脱出来?

§WORKED EXAMPLE 3-1 Ion Exchange of Peptides · 教材 p. 398
Original text

Peptide B, with its higher pI and net positive charge, will interact more strongly than peptide A with the cation-exchange resin. Thus, peptide A will elute first. On the anion-exchange resin, peptide B will elute first. Peptide A, having a relatively low pI and a net negative charge, will be retarded by its interaction with the positively charged resin.

中文翻译

肽B的pI较高、带净正电荷,因而它与阳离子交换树脂的相互作用比肽A更强。因此肽A先洗脱出来。而在阴离子交换树脂上,肽B先洗脱出来;肽A的pI相对较低、带净负电荷,会因与带正电荷的树脂相互作用而被阻滞。

§WORKED EXAMPLE 3-1 Ion Exchange of Peptides(SOLUTION)· 教材 p. 399
术语对照
  • 流动相/固定相mobile phase / stationary phase层析的两相,一切层析法的共同框架
  • 柱层析column chromatography制备性分离的主力
  • 离子交换层析ion-exchange chromatography依据净电荷;氨基酸分析仪原理
  • 阳离子交换剂/阴离子交换剂cation exchanger / anion exchanger以被交换的离子命名,判断洗脱顺序的关键
  • 盐梯度/pH梯度洗脱salt gradient / pH gradient elution洗脱方式,简答常考
  • 流出液与组分收集effluent; fractions分部收集后逐管检测,合并阳性管
  • 扩散展宽diffusional spreading降低分辨率的主要原因,HPLC的改良靶点

分子排阻(凝胶过滤)层析、亲和层析与HPLCSize-Exclusion (Gel Filtration), Affinity Chromatography, and HPLC

笔记 考点六:氨基酸的分析分离
Original text

Figure 3-17 shows two variations of column chromatography in addition to ion exchange. Size-exclusion chromatography, also called gel filtration (Fig. 3-17b), separates proteins according to size. In this method, large proteins emerge from the column sooner than small ones — a somewhat counterintuitive result. The solid phase consists of cross-linked polymer beads with engineered pores or cavities of a particular size. Large proteins cannot enter the cavities and so take a shorter (and more rapid) path through the column, around the beads. Small proteins enter the cavities and are slowed by their more labyrinthine path through the column. Size-exclusion chromatography can also be used to approximate the size of a protein being purified, using methods similar to those described in Figure 3-19.

中文翻译

除离子交换外,图3-17还展示了柱层析的另外两种形式。分子排阻层析(size-exclusion chromatography),也称凝胶过滤(图3-17b),按大小分离蛋白质。用这种方法时,大蛋白质比小蛋白质更早流出柱子——这个结果多少有些违反直觉。其固定相由交联的聚合物微珠构成,珠内经设计带有特定大小的孔道或空腔。大蛋白质不能进入这些空腔,因而绕着微珠走一条较短(也较快)的路径通过柱子;小蛋白质则进入空腔,被迫走一条更曲折迂回的路径,因而被减慢。分子排阻层析也可用来估计所纯化蛋白质的大小,所用方法与图3-19中所述的类似。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 399
图3-17 蛋白质纯化中使用的三种层析方法。(a) 离子交换层析利用蛋白质在给定pH下净电荷符号与大小的差异。(b) 分子排阻层析(也称凝胶过滤)按大小分离蛋白质。(c) 亲和层析按结合专一性分离蛋白质(原图注续页)。
图注 · 图3-17 蛋白质纯化中使用的三种层析方法。(a) 离子交换层析利用蛋白质在给定pH下净电荷符号与大小的差异。(b) 分子排阻层析(也称凝胶过滤)按大小分离蛋白质。(c) 亲和层析按结合专一性分离蛋白质(原图注续页)。
Caption · FIGURE 3-17 Three chromatographic methods used in protein purification. (a) Ionexchange chromatography exploits differences in the sign and magnitude of the net electric charges of proteins at a given pH. (b) Size-exclusion chromatography, also called gel filtration, separates proteins according to size.
怎么看 · 三种层析的分离依据要背死:离子交换靠净电荷、凝胶过滤靠分子大小、亲和层析靠特异结合。最爱考的反直觉点是凝胶过滤中大分子先出柱(被孔排阻、走柱外体积),以及亲和层析用高浓度游离配体竞争洗脱。
讲解 · 三柱对照记忆:(a) 阳离子交换柱内,负电越多的蛋白越不被树脂滞留、越早洗脱(图中先出的是红色净负电分子);(b) 凝胶过滤柱内,小分子钻进多孔微珠走迷宫路径而滞后,大分子被排阻在孔外、走珠间空隙,反而先出柱——「大先小后」是最常考的反直觉点;(c) 亲和柱先用缓冲液把不结合的杂蛋白全部洗穿(wash),再用游离配体溶液把目的蛋白专一洗脱下来,因此一步即可获得极高纯化倍数。注意图中每柱下方的收集管编号,出峰顺序就是答题时要写的洗脱顺序。
图内标注中英对照 · 24 条
English中文
Pump
Protein mixture is added to column containing cation exchangers.将蛋白质混合物加到装有阳离子交换剂的层析柱上
Large net positive charge净正电荷较多(强正电)
Net positive charge净正电荷
Net negative charge净负电荷
Large net negative charge净负电荷较多(强负电)
Protein蛋白质(分子)
Resin树脂(交换树脂微球)
Polymer beads with negatively charged functional groups带负电荷功能基团的聚合物微球(即阳离子交换剂)
Proteins move through the column at rates determined by their net charge at the pH being used. With cation exchangers, proteins with a more negative net charge move faster and elute earlier.蛋白质在柱中移动的速率由其在所用 pH 下的净电荷决定;使用阳离子交换剂时,净负电荷越多的蛋白移动越快、越先被洗脱
1 2 3 4 5 61~6 号收集管编号
(a) Ion-exchange chromatography(a)离子交换层析
Protein mixture is added to column containing cross-linked polymer.将蛋白质混合物加到装有交联聚合物(凝胶)的层析柱上
Porous polymer beads多孔聚合物微球(凝胶颗粒)
Protein molecules separate by size. Small molecules take labyrinthine paths through pores in the beads; larger molecules are excluded from the pores, pass freely around the beads and elute earlier.蛋白质按大小分离:小分子要穿过微球内部迷宫般的孔道,路径长;大分子被排阻在孔外,可自由绕过微球,因而先被洗脱
(b) Size-exclusion chromatography(b)凝胶过滤层析(又称分子筛层析 / 排阻层析)
Protein mixture is added to column containing a polymer-bound ligand specific for protein of interest.将蛋白质混合物加到装有共价连于聚合物的、对目标蛋白特异的配体的层析柱上
Ligand配体
Protein of interest目标蛋白(待纯化蛋白)
1 2 3 4 5 6 7 8 91~9 号收集管编号
Unwanted proteins are washed through column.杂蛋白(不需要的蛋白)被洗液直接冲出柱外
Solution of ligand is added to column.向柱中加入游离配体溶液(洗脱液)
Protein of interest is eluted by ligand solution.目标蛋白被游离配体溶液竞争洗脱下来
(c) Affinity chromatography(c)亲和层析
Original text

Affinity chromatography is based on binding affinity (Fig. 3-17c). The beads in the column have a covalently attached chemical group called a ligand — a group or molecule that binds to a macromolecule such as a protein. When a protein mixture is added to the column, any protein with affinity for this ligand binds to the beads, and its migration through the matrix is retarded.

中文翻译

亲和层析(affinity chromatography)以结合亲和力为基础(图3-17c)。柱中的微珠上共价连接着一种称为配体(ligand)的化学基团——配体是一种能与蛋白质等大分子结合的基团或分子。当把蛋白质混合物加到柱上时,任何对该配体有亲和力的蛋白质都会结合到微珠上,其在基质中的迁移因此被阻滞。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 399
Original text

Proteins that do not bind to ATP flow more rapidly through the column. Bound proteins are then eluted by a solution containing either a high concentration of salt or a free ligand — in this case, ATP or an analog of ATP. Salt weakens the binding of the protein to the immobilized ligand, interfering with ionic interactions. Free ligand competes with the ligand attached to the beads, releasing the protein from the matrix

中文翻译

不与ATP结合的蛋白质会更快地流过柱子。随后用含有高浓度盐或游离配体(本例中即ATP或ATP类似物)的溶液把结合的蛋白质洗脱下来。盐通过干扰离子相互作用,削弱蛋白质与固定化配体之间的结合;游离配体则与连接在微珠上的配体竞争,从而把蛋白质从基质上释放出来。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
Original text

Chromatographic methods are typically enhanced by the use of HPLC, or high-performance liquid chromatography. HPLC makes use of high-pressure pumps that speed the movement of the protein molecules down the column; it also uses higherquality chromatographic materials that can withstand the crushing force of the pressurized flow. By reducing the transit time on the column, HPLC can limit diffusional spreading of protein bands and thus can greatly improve resolution.

中文翻译

层析方法通常可以通过采用HPLC(高效液相层析,high-performance liquid chromatography)而得到强化。HPLC使用高压泵加快蛋白质分子沿柱下行的运动;它还使用质量更高、能够承受加压流动之挤压力的层析材料。通过缩短在柱上的滞留时间,HPLC可以限制蛋白质区带的扩散展宽,因而能极大地提高分辨率。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 400
原理解读

分子排阻层析(凝胶过滤)的考点:①依据分子大小/斯托克斯半径,不是分子量的绝对值,因此形状异常的蛋白测得的分子量会有偏差;②洗脱顺序「大分子先出、小分子后出」;③三个体积概念要会用——外水体积 V0(完全被排阻的大分子的洗脱体积)、内水体积 Vi、总床体积 Vt,用一组已知分子量标准蛋白作 lg Mr 对洗脱体积(或保留时间)的标准曲线,即可估算未知蛋白分子量(教材在图3-19括注中明确说明这一点);④凝胶过滤还可用于脱盐、换缓冲液,与透析同属「按大小分离」,但比透析快得多。亲和层析的考点:依据「专一的可逆结合」,是纯化倍数最高的一步(见纯化表最后一行),洗脱有非专一(高盐)与专一(游离配体)两种;重组蛋白加标签(His标签等)后用亲和层析一步纯化是现代常规做法。HPLC 的考点:本质仍是上述各类层析,只是高压泵+高强度细颗粒填料使柱效大幅提高、时间缩短、扩散展宽减小,故分辨率高——注意 HPLC 是「手段的强化」而非新的分离依据。

术语对照
  • 分子排阻层析/凝胶过滤/分子筛层析size-exclusion chromatography (gel filtration)同一方法的三个中文名;大分子先洗脱
  • 交联聚合物微珠cross-linked polymer beads葡聚糖凝胶Sephadex等,孔径决定分级范围
  • 亲和层析affinity chromatography依据专一结合,单步纯化倍数最高
  • 配体ligand共价连在基质上的专一结合基团,如ATP类似物
  • 游离配体竞争洗脱elution with free ligand专一洗脱;高盐洗脱则为非专一洗脱
  • 标签蛋白(融合标签)tag基因工程加尾,配合亲和层析一步纯化,后可切除
  • 高效液相层析HPLC, high-performance liquid chromatography高压泵+高强填料,提高分辨率与速度
Original text

Proteins are separated and purified on the basis of differences in their properties. Proteins can be selectively precipitated by changes in pH or temperature, and particularly by the addition of certain salts. A wide range of chromatographic procedures makes use of differences in size, binding affinities, charge, and other properties. These include ion-exchange, size-exclusion, affinity, and high-performance liquid chromatography.

中文翻译

蛋白质是根据其性质上的差异而被分离和纯化的。改变pH或温度,尤其是加入某些盐,可以选择性地沉淀蛋白质。种类繁多的层析方法则利用大小、结合亲和力、电荷及其他性质上的差异,其中包括离子交换层析、分子排阻层析、亲和层析和高效液相层析。

§SUMMARY 3.3 Working with Proteins · 教材 p. 413

电泳的原理、SDS-PAGE与分子量测定Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis — SDS-PAGE and Mr Determination

笔记 考点六:氨基酸的分析分离
原理解读

先立一个大前提:教材明确说电泳「本身并不促成纯化」,因为电泳条件常常损伤蛋白质结构和功能,它是「分析性」手段——用来看纯度、数条带、测pI、估分子量。这与前面盐析、层析这些「制备性」手段的分工,是简答题「电泳与层析的区别」的标准答点。中文笔记「考点六」里的氨基酸纸电泳/醋酸纤维素薄膜电泳,依据同样是净电荷差异:在某一pH缓冲液中,pH>pI的氨基酸带负电向正极泳动,pH<pI带正电向负极泳动,pH=pI则不移动——这正是等电聚焦的雏形。

Original text

However, it allows a biochemist to rapidly estimate the number of different proteins in a mixture and the degree of purity of a particular protein preparation. Also, electrophoresis can be used to determine such crucial properties of a protein as its isoelectric point and approximate molecular weight.

中文翻译

不过,电泳使生物化学家能够迅速估计混合物中不同蛋白质的数目,以及某一特定蛋白质制剂的纯度。此外,电泳还可用来测定蛋白质的等电点和近似分子量这类关键性质。

§Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 402
Original text

Migration may also be affected by protein shape. In electrophoresis, the force moving the macromolecule is the electrical potential, E. The electrophoretic mobility, μ, of a molecule is the ratio of its velocity, V, to the electrical potential. Electrophoretic mobility is also equal to the net charge, Z, of the molecule divided by the frictional coefficient, f, which reflects in part a protein’s shape.

中文翻译

迁移也会受到蛋白质形状的影响。在电泳中,推动大分子运动的力是电位E。分子的电泳迁移率μ,等于其速度V与电位之比。电泳迁移率同时也等于分子的净电荷Z除以摩擦系数f,而摩擦系数在一定程度上反映了蛋白质的形状。

§Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 403
原理解读

把迁移率公式记牢:μ = V/E = Z/f。它一句话说清了普通(非SDS)电泳的两大决定因素——净电荷Z(分子越带电,泳动越快)与摩擦系数f(分子越大、形状越不规则,阻力越大、泳动越慢)。聚丙烯酰胺凝胶还兼作「分子筛」,按近似的荷质比阻滞蛋白质迁移。常见考法:①问「影响电泳迁移率的因素」,答净电荷、分子大小与形状、缓冲液pH与离子强度、电场强度、支持介质的筛分效应;②问「为什么普通PAGE不能直接测分子量」,答因为迁移同时取决于电荷和形状,必须先把电荷差异抹平——于是引出SDS。

Original text

The electrophoretic method commonly employed for estimation of purity and molecular weight makes use of the detergent sodium dodecyl sulfate (SDS) (“dodecyl” denoting a 12-carbon chain). A protein will bind about 1.4 times its weight of SDS, nearly one molecule of SDS for each amino acid residue.

中文翻译

通常用于估计纯度和分子量的电泳方法,使用去污剂十二烷基硫酸钠(SDS)(“dodecyl”即“十二碳链”之意)。一个蛋白质大约结合相当于自身重量1.4倍的SDS,即差不多每一个氨基酸残基结合一分子SDS。

§Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 404
Original text

In addition, SDS binding partially unfolds proteins, such that most SDS-bound proteins assume a similar rodlike shape. Electrophoresis in the presence of SDS therefore separates proteins almost exclusively on the basis of mass (molecular weight), with smaller polypeptides migrating more rapidly.

中文翻译

此外,SDS的结合会使蛋白质部分去折叠,以致大多数结合了SDS的蛋白质都呈现相似的棒状构象。因此,在SDS存在下进行的电泳几乎完全按质量(分子量)分离蛋白质,较小的多肽迁移得更快。

§Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 405
Original text

When compared with the positions to which proteins of known molecular weight migrate in the gel, the position of an unidentified protein can provide a good approximation of its molecular weight (Fig. 3-19). If the protein has two or more different subunits, generally the subunits are separated by the SDS treatment, and a separate band appears for each.

中文翻译

把未知蛋白在胶中所迁移到的位置,与已知分子量的蛋白质在胶中所迁移到的位置相比较,就能对该未知蛋白的分子量作出良好的近似估计(图3-19)。如果该蛋白质含有两种或两种以上不同的亚基,一般说来这些亚基会被SDS处理所分开,每一种亚基各出现一条独立的条带。

§Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis · 教材 p. 405
图3-19 估计蛋白质的分子量。蛋白质在SDS聚丙烯酰胺凝胶上的电泳迁移率与其分子量Mr相关。(a) 已知分子量的标准蛋白进行电泳(泳道1)。这些标记蛋白可用于估计未知蛋白(泳道2)的分子量。(b) 以标记蛋白的 lg Mr 对电泳中的相对迁移率作图得到一条直线,由此可从图上读出未知蛋白的分子量。(用类似的方法,可用一组在分子筛柱上保留时间可重现的标准蛋白,作出保留时间对 lg Mr 的标准曲线;把未知物在柱上的保留时间与该标准曲线比较,即可得到近似的Mr。)
图注 · 图3-19 估计蛋白质的分子量。蛋白质在SDS聚丙烯酰胺凝胶上的电泳迁移率与其分子量Mr相关。(a) 已知分子量的标准蛋白进行电泳(泳道1)。这些标记蛋白可用于估计未知蛋白(泳道2)的分子量。(b) 以标记蛋白的 lg Mr 对电泳中的相对迁移率作图得到一条直线,由此可从图上读出未知蛋白的分子量。(用类似的方法,可用一组在分子筛柱上保留时间可重现的标准蛋白,作出保留时间对 lg Mr 的标准曲线;把未知物在柱上的保留时间与该标准曲线比较,即可得到近似的Mr。)
Caption · FIGURE 3-19 Estimating the molecular weight of a protein. The electrophoretic mobility of a protein on an SDS polyacrylamide gel is related to its molecular weight, Mr. (a) Standard proteins of known molecular weight are subjected to electrophoresis (lane 1). These marker proteins can be used to estimate the molecular weight of an unknown protein (lane 2). (b) A plot of log Mr of the marker proteins versus relative migration during electrophoresis is linear, which allows the molecular weight of the unknown protein to be read from the graph. (In similar fashion, a set of standard proteins with reproducible retention times on a size-exclusion column can be used to create a standard curve of retention time versus log Mr. The retention time of an unknown substance on the column can be compared with this standard curve to obtain an approximate Mr.)
怎么看 · 先在 (a) 用泳道 1 的 8 个已知 Mr 标准蛋白定标(由上到下 200,000→14,400,分子越大跑得越慢、越靠近上方负极),再把泳道 2 未知蛋白条带的迁移位置投到 (b) 的 log Mr–相对迁移率标准直线上,沿虚线读出 log Mr(本例条带位于 45,000 与 31,000 之间,故 Mr 约 3.5 万~4 万)。考研必记:SDS-PAGE 中相对迁移率与 log Mr 呈线性负相关,SDS 使所有蛋白荷质比一致且变性解聚,因此只按亚基(而非天然蛋白)的大小分离。
讲解 · 这是「测定蛋白质分子量」最常考的一张图,要能默画:横轴相对迁移率 Rf(=样品迁移距离/染料前沿迁移距离),纵轴 lg Mr,两者呈线性负相关(Rf越大,Mr越小)。答题三步:跑标准蛋白→作 lg Mr–Rf 标准曲线→由未知样品的 Rf 内插求 Mr。图注括号里还给了第二种方法:分子筛层析同样可用 lg Mr 对洗脱体积/保留时间作标准曲线求分子量。两法对比是常见的比较题:SDS-PAGE 测的是「亚基」分子量(SDS+巯基乙醇会把寡聚体拆成亚基、还原二硫键),凝胶过滤测的是「天然状态」的分子量;两者结果相除即可推出亚基数目。
图内标注中英对照 · 28 条
English中文
1泳道 1(点加已知 Mr 的标准蛋白)
2泳道 2(点加待测的未知蛋白)
负极(带圈的 ⊖,位于凝胶上端、加样孔一侧)
Myosin肌球蛋白
200,000200,000
β-Galactosidaseβ-半乳糖苷酶
116,250116,250
Glycogen phosphorylase b糖原磷酸化酶 b
97,40097,400
Bovine serum albumin牛血清白蛋白(BSA)
66,20066,200
Ovalbumin卵清蛋白
45,00045,000
Carbonic anhydrase碳酸酐酶
31,00031,000
Soybean trypsin inhibitor大豆胰蛋白酶抑制剂
21,50021,500
Lysozyme溶菌酶
14,40014,400
+正极(带圈的 ⊕,位于凝胶下端;SDS-蛋白复合物带负电,故由上向下迁移)
Mr standardsMr 标准品(泳道 1 下方的泳道名:已知相对分子质量的标准蛋白,共 8 条带)
Unknown protein (lane 2 label)未知蛋白(泳道 2 下方的泳道名;其单一条带落在 45,000 与 31,000 两条标准带之间)
(a)(a)SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)图谱
log Mrlog Mr((b) 图纵坐标:相对分子质量的常用对数)
Unknown protein (callout with arrow, panel b)未知蛋白((b) 图中带弯箭头的标注,指向直线上被圆圈圈出的那个数据点;由该点引出的两条虚线分别投影到纵、横坐标,用以读出其 log Mr)
Relative migration相对迁移率((b) 图横坐标:电泳中相对于染料前沿的迁移距离)
(b)(b)标准曲线:以 log Mr 对相对迁移率作图,黑色圆点为 8 个标准蛋白,蓝色粗直线为拟合出的标准曲线(呈负斜率的直线)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排,不译)
术语对照
  • 聚丙烯酰胺凝胶电泳polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE)凝胶兼作分子筛,减少对流
  • 电泳迁移率electrophoretic mobility, μμ = V/E = Z/f,公式必背
  • 十二烷基硫酸钠sodium dodecyl sulfate (SDS)阴离子去污剂,结合量约1.4 g/g蛋白,≈每残基1分子
  • 荷质比charge-to-mass ratioSDS使各蛋白荷质比趋于一致,故只按质量分离
  • 考马斯亮蓝Coomassie blue图3-18中所用染料,只染蛋白不染凝胶,用于显色和纯度判断
  • 相对迁移率relative migration (Rf)作 lg Mr–Rf 标准曲线求分子量
  • 分子量标准(Marker)molecular weight markers已知Mr的标准蛋白,第1泳道
原理解读

关于显色与判纯(教材图3-18的要点,本处以中文归纳):电泳后用考马斯亮蓝染色,该染料只与蛋白结合而不染凝胶本身;胶上每条带代表一种蛋白质(或一种亚基),小分子跑得快、靠近胶的下端。随着纯化步骤推进,可见的条带数目逐步减少,最后只剩一条——教材以大肠杆菌RecA蛋白(单一多肽链,Mr约38,000)的纯化为例,并提醒:即使第6泳道「看起来已经纯了」,仍需再做两步才能除去胶上看不出的微量杂蛋白。这句话正是判断「蛋白质纯不纯」时的经典陷阱:电泳单一条带只是必要条件,不是充分条件(还要看比活力是否恒定)。

等电聚焦与双向电泳Isoelectric Focusing and Two-Dimensional Electrophoresis

笔记 考点六:氨基酸的分析分离
原理解读

等电聚焦(isoelectric focusing, IEF)是测定蛋白质等电点pI的方法:先让一批低分子量的有机酸和碱(两性电解质载体 ampholytes)在电场中自行分布,在凝胶上建立一条连续的pH梯度(现代做法是用固相化pH梯度胶条);加样后,每种蛋白质在电场中泳动,直到到达与自身pI相等的pH处,此时其净电荷为零、不再泳动而被「聚焦」成一条极窄的带。pI不同的蛋白质因而分布在凝胶的不同位置。这与中文笔记「考点六」里氨基酸/蛋白质的等电点测定完全对应,常考两问:①为什么pH=pI时停止移动(净电荷为零);②若某蛋白偏离聚焦位置扩散开,它会重新带上正电或负电而被拉回,故IEF具有自我聚焦、分辨率极高的特点(可分辨ΔpI≈0.01)。

图3-20 等电聚焦。这一技术按等电点分离蛋白质。把蛋白质混合物加在含有固相化pH梯度的凝胶条上。施加电场后,蛋白质进入凝胶并迁移,直到各自到达与其pI相等的pH处。记住:当pH = pI时,蛋白质的净电荷为零。
图注 · 图3-20 等电聚焦。这一技术按等电点分离蛋白质。把蛋白质混合物加在含有固相化pH梯度的凝胶条上。施加电场后,蛋白质进入凝胶并迁移,直到各自到达与其pI相等的pH处。记住:当pH = pI时,蛋白质的净电荷为零。
Caption · FIGURE 3-20 Isoelectric focusing. This technique separates proteins according to their isoelectric points. A protein mixture is placed on a gel strip containing an immobilized pH gradient. With an applied electric field, proteins enter the gel and migrate until each reaches a pH that is equivalent to its pI. Remember that when pH = pI, the net charge of a protein is zero.
怎么看 · 自上而下按“加样 → 通电 → 染色”三步看:蛋白在电场中沿胶条迁移,一旦到达 pH = pI 的位置净电荷变为零就不再移动,被“聚焦”成窄带;注意胶条左端为负极且 pH 9、右端为正极且 pH 3,所以从左到右 pI 依次递减。考点是 pH = pI 时净电荷为 0、迁移停止,以及等电聚焦按 pI 分离、SDS-PAGE 按 Mr 分离,二者先后串联即为双向电泳。
讲解 · 看图要抓住「pH梯度+净电荷随位置变号」这一机制:在酸性端(pH<pI)蛋白带正电,向负极(阴极方向的高pH端)跑;在碱性端(pH>pI)带负电,向正极跑;两侧都被拉向pH=pI处,于是聚焦成窄带。答题时可直接引用图注末句「当pH = pI时,蛋白质的净电荷为零」作为原理句。注意与普通区带电泳的区别:普通电泳在均一pH缓冲液中进行,条带随时间不断展宽;IEF在pH梯度中进行,条带越跑越窄。
图内标注中英对照 · 9 条
English中文
A protein sample may be applied to one end of a gel strip with an immobilized pH gradient. Or, a protein sample in a solution of ampholytes may be used to rehydrate a dehydrated gel strip.第一步说明:可将蛋白质样品加到具有固定化 pH 梯度(IPG)的胶条一端(图左侧的移液器正在加样);也可先把蛋白样品溶于两性电解质(ampholytes)溶液中,再用它去复水(泡涨)干胶条
An electric field is applied施加电场(第二步;文字左侧的向下黑色粗箭头表示由上一步进入下一步)
负极(带圈的 ⊖,位于胶条左端,即 pH 9 的高 pH 一侧)
pH 9pH 9(胶条左端的 pH)
Decreasing pIpI 递减(下方长箭头由左指向右:沿胶条从左到右,聚焦成带的蛋白其等电点依次降低)
pH 3pH 3(胶条右端的 pH)
+正极(带圈的 ⊕,位于胶条右端,即 pH 3 的低 pH 一侧)
After staining, proteins are shown to be distributed along the pH gradient according to their pI values.第三步说明:染色后可见蛋白质沿 pH 梯度按各自的 pI 分布,聚焦成一个个清晰的斑点(图中胶条上共 5 个深浅不一的斑点)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排,不译)
Original text

FIGURE 3-21 Two-dimensional electrophoresis. Proteins are first separated by isoelectric focusing in a thin strip gel. The gel is then laid horizontally on a second, slab-shaped gel, and the proteins are separated by SDS polyacrylamide gel electrophoresis. Horizontal separation reflects differences in pI; vertical separation reflects differences in molecular weight. The original protein complement is thus spread in two dimensions. Thousands of cellular proteins can be resolved using this technique. Individual protein spots can be cut out of the gel and identified by mass spectrometry (see Figs 3-28 and 3-29).

中文翻译

图3-21 双向电泳。蛋白质首先在一条薄条胶上通过等电聚焦进行分离。随后把该胶条水平放置在第二块板状胶上,用SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳分离蛋白质。水平方向的分离反映pI的差异,垂直方向的分离反映分子量的差异。这样,原有的全部蛋白质组分就在二维平面上展开。用这一技术可以分辨成千上万种细胞蛋白质。单个的蛋白质斑点可以从胶中切下,再用质谱加以鉴定(见图3-28和图3-29)。

§Proteins Can Be Separated and Characterized by Electrophoresis(图3-21 图注)· 教材 p. 410
原理解读

双向电泳(two-dimensional electrophoresis)=第一向等电聚焦(按pI分离,水平方向)+第二向SDS-PAGE(按分子量分离,垂直方向),把复杂混合物在二维平面上铺开,可分辨上千种细胞蛋白,灵敏度高于任何单向电泳。它能分开两类单向电泳分不开的蛋白:分子量相同而pI不同的,以及pI相近而分子量不同的。切下单个斑点再用质谱鉴定(图3-28、3-29),就是蛋白质组学的经典工作流。考试常问「双向电泳的两个维度分别依据什么」——务必答清顺序:第一向pI,第二向Mr,顺序不能颠倒(因为SDS会掩盖蛋白的固有电荷,跑过SDS就没法再做等电聚焦)。

术语对照
  • 等电聚焦isoelectric focusing按pI分离并测定pI;pH=pI时净电荷为零
  • 两性电解质载体ampholytes低分子量有机酸碱混合物,在电场中形成pH梯度
  • 固相化pH梯度immobilized pH gradient现代IEF胶条形式,梯度稳定可重复
  • 双向电泳two-dimensional electrophoresis第一向IEF(pI)+第二向SDS-PAGE(Mr)
  • 等电点isoelectric point (pI)净电荷为零时的pH,与笔记中氨基酸pI计算联动
Original text

Electrophoresis separates proteins on the basis of mass or charge for analytical purposes. SDS gel electrophoresis and isoelectric focusing can be used separately or in combination for higher resolution. All purification procedures require a method for quantifying or assaying the protein of interest in the presence of other proteins. Purification can be monitored by assaying specific activity.

中文翻译

电泳按质量或电荷分离蛋白质,用于分析目的。SDS凝胶电泳和等电聚焦既可以单独使用,也可以联合使用以获得更高的分辨率。所有的纯化步骤都需要有一种方法,能在其他蛋白质存在的情况下对目的蛋白进行定量或活力测定。纯化的进程可以通过测定比活力来监控。

§SUMMARY 3.3 Working with Proteins · 教材 p. 414

检测与定量:酶活力单位、比活力与纯化表Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions — Activity, Specific Activity, and the Purification Table

笔记 考点六:氨基酸的分析分离
Original text

To purify a protein, it is essential to have a way of detecting and quantifying that protein in the presence of many other proteins at each stage of the procedure. A common target of purification is one or another of the class of proteins called enzymes (Chapter 6). Each enzyme catalyzes a particular reaction that converts one biomolecule (the substrate) to another (the product). The amount of the protein in a given solution or tissue extract can be measured, or assayed, in terms of the catalytic effect the enzyme produces — that is, the increase in the rate at which its substrate is converted to reaction products when the enzyme is present.

中文翻译

要纯化一种蛋白质,就必须有办法在纯化流程的每一阶段,在许多其他蛋白质存在的情况下检测并定量该蛋白质。纯化的常见对象之一,是被称为酶(第6章)的这一类蛋白质。每一种酶催化一个特定的反应,把一种生物分子(底物)转变为另一种生物分子(产物)。给定溶液或组织提取液中该蛋白质的量,可以按照酶所产生的催化效应来测定(或称测活)——也就是说,按照酶存在时底物转变为反应产物的速率增量来测定。

§Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 410
Original text

By international agreement, 1.0 unit of enzyme activity for most enzymes is defined as the amount of enzyme causing transformation of 1.0 μmol of substrate to product per minute at 25 °C under optimal conditions of measurement (for many enzymes, this definition is inconvenient, and a unit may be defined differently). The term activity refers to the total units of enzyme in a solution. The specific activity is the number of enzyme units per milligram of total protein (Fig. 3-22). The specific activity is a measure of enzyme purity: it increases during purification of an enzyme and becomes maximal and constant when the enzyme is pure (Table 3-5).

中文翻译

按照国际公认的规定,对大多数酶而言,1.0个酶活力单位定义为在25 °C最适测定条件下、每分钟催化1.0 μmol底物转变为产物所需的酶量(对许多酶来说这一定义并不方便,其单位可以另行定义)。活力(activity)一词指溶液中酶的总单位数。比活力(specific activity)则是每毫克总蛋白所含的酶单位数(图3-22)。比活力是酶纯度的量度:它在酶的纯化过程中不断升高,当酶达到纯净时升至最大并保持恒定(表3-5)。

§Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 411
图3-22 活力与比活力。这两个术语的区别可用两个装着弹珠的烧瓶来说明。两个烧瓶中红色弹珠的数目相同,但其他颜色弹珠的数目不同。如果把弹珠看作蛋白质,那么两个烧瓶所含目的蛋白(红色弹珠所代表)的「活力」相同;但第二个烧瓶的「比活力」更高,因为红色弹珠在总数中所占的比例更大。
图注 · 图3-22 活力与比活力。这两个术语的区别可用两个装着弹珠的烧瓶来说明。两个烧瓶中红色弹珠的数目相同,但其他颜色弹珠的数目不同。如果把弹珠看作蛋白质,那么两个烧瓶所含目的蛋白(红色弹珠所代表)的「活力」相同;但第二个烧瓶的「比活力」更高,因为红色弹珠在总数中所占的比例更大。
Caption · FIGURE 3-22 Activity versus specific activity. The difference between these terms can be illustrated by considering two flasks containing marbles. The flasks contain the same number of red marbles, but different numbers of marbles of other colors. If the marbles represent proteins, both flasks contain the same activity of the protein, represented by the red marbles. The second flask, however, has the higher specific activity, because red marbles represent a higher fraction of the total.
怎么看 · 两瓶中红色弹珠(目标蛋白)数目相同 → 总活性相同;但右瓶杂色弹珠(杂蛋白)少得多 → 红色占总量的比例高 → 比活性更高。考研要点:活性 = 酶单位总量,比活性 = 酶单位/mg 总蛋白,纯化过程中总活性只降不升、而比活性必须升高,比活性才是衡量纯度的指标。
讲解 · 这幅「弹珠图」是区分 activity 与 specific activity 的最佳记忆钩子:红珠数=总活力(目的酶的绝对量,随纯化只会减少或持平,绝不会增加);红珠占全部珠子的比例=比活力(纯度的量度,随纯化升高)。判断题常考的错误说法是「纯化过程中总活力升高」——不可能,纯化只能提高比活力。另一个常考点:比活力不再升高、且电泳只出一条带,才可判定蛋白已纯。
图内标注中英对照 · 2 条
English中文
(no in-figure lettering; only the publisher credit line at right)图内无英文标注,仅右侧竖排版权行
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(不译,保留原文)
Original text

Activity and total protein generally decrease with each step. Activity decreases because there is always some loss due to inactivation or nonideal interactions with chromatographic materials or other molecules in the solution. Total protein decreases because the objective is to remove as much unwanted or nonspecific protein as possible.

中文翻译

活力和总蛋白量一般随每一步骤而下降。活力下降是因为总会有一些损失,来自失活,或来自与层析材料及溶液中其他分子的非理想相互作用。总蛋白量下降则是因为纯化的目的正是尽可能多地除去不需要的或非专一的蛋白质。

§Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 412
Original text

The data are assembled in a purification table similar to Table 3-5. A protein is generally considered pure when further purification steps fail to increase specific activity and when only a single protein species can be detected (for example, by electrophoresis in the presence of SDS).

中文翻译

这些数据被汇总成一张类似表3-5的纯化表。当进一步的纯化步骤不再能提高比活力,并且只能检出单一的蛋白质种类时(例如用SDS存在下的电泳检测),通常就认为该蛋白质已经纯了。

§Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 413
Original text

Common sense dictates that inexpensive procedures such as salting out be used first, when the total volume and the number of contaminants are greatest. As each purification step is completed, the sample size generally becomes smaller (Table 3-5), making it feasible to use more sophisticated (and expensive) chromatographic procedures at later stages. A purification table documents the success of each step in a purification protocol. In the hypothetical purification shown in Table 3-5, the ratio of the final specific activity (15,000 units/mg) to the starting specific activity (10 units/mg) gives the purification factor (1,500). The percentage of the total activity at the last step (45,000 units) relative to the total activity in the starting material (100,000 units) gives the yield from the purification procedure (45%).

中文翻译

常识告诉我们,当总体积和杂质数目最大时,应当首先使用像盐析这样廉价的操作。随着每一步纯化的完成,样品的量一般会变小(表3-5),这就使得在后期阶段采用更精细(也更昂贵)的层析操作成为可行。纯化表记录了纯化方案中每一步骤的成效。在表3-5所示的假设性纯化中,最终比活力(15,000 单位/mg)与起始比活力(10 单位/mg)之比给出纯化倍数(1,500)。最后一步的总活力(45,000 单位)相对于起始材料中总活力(100,000 单位)的百分比,则给出该纯化流程的回收率(45%)。

§3.3 Proteins Can Be Separated and Purified · 教材 p. 401
原理解读

纯化表(purification table)是必考的计算题,五列要会填、三个量要会算: ①总蛋白(mg)=体积×蛋白浓度,逐步下降; ②总活力(units)=体积×活力浓度,逐步下降(有损失); ③比活力(units/mg)=总活力÷总蛋白,逐步升高; ④纯化倍数=某步比活力÷粗提液比活力,教材例中 15,000 ÷ 10 = 1,500; ⑤回收率(产率 yield)=某步总活力÷粗提液总活力×100%,教材例中 45,000 ÷ 100,000 = 45%。 表3-5的五步顺序本身就是答题模板:粗提液 → 硫酸铵沉淀 → 离子交换层析 → 分子筛层析 → 亲和层析,恰好体现「先廉价、处理量大的粗分级,后昂贵、分辨率高的精分级」这一原则,而亲和层析一步把比活力从600提到15,000(纯化倍数增幅最大)。判断「哪一步最有效」时,看的是比活力提高的倍数,而不是总活力的大小。

Original text

For proteins that are not enzymes, other quantification methods are required. Transport proteins can be assayed by their binding to the molecule they transport, and hormones and toxins by the biological effect they produce; for example, growth hormones will stimulate the growth of certain cultured cells. Some structural proteins represent such a large fraction of a tissue mass that they can be readily extracted and purified without a functional assay. The approaches are as varied as the proteins themselves.

中文翻译

对于不是酶的蛋白质,则需要其他的定量方法。转运蛋白可以通过它与所转运分子的结合来测定;激素和毒素可以通过它们所产生的生物学效应来测定,例如生长激素会刺激某些培养细胞的生长。有些结构蛋白在组织质量中占的比例极大,以至于不需要功能测定就能很容易地提取和纯化。这些方法就像蛋白质本身一样多种多样。

§Unseparated Proteins Are Detected and Quantified Based on Their Functions · 教材 p. 413
原理解读

回到中文笔记「考点六:氨基酸的分析分离」中的「含量测定与显色」部分,这里必须说明一个来源差异:Lehninger 第8版 §3.3 全节讨论的是蛋白质水平的检测与定量(酶活力测定、比活力、考马斯亮蓝染色,以及第3.2节提到的Trp/Tyr在280 nm的紫外吸收),「并没有出现 ninhydrin(茚三酮)反应的英文原文」,因此本讲义不给出茚三酮的英文引文,只按国内教材补出中文考点:茚三酮与α-氨基酸共热,先氧化脱氨脱羧生成醛、NH3和CO2,还原型茚三酮再与NH3和另一分子茚三酮缩合,生成蓝紫色的罗曼紫(Ruhemann's purple),λmax≈570 nm,可用于氨基酸的定性显色(纸层析/薄层层析显色剂)与定量(比色法,与标准曲线比较);例外是脯氨酸和羟脯氨酸(亚氨基酸),产物为黄色,λmax≈440 nm。与之配套的蛋白质定量法(凯氏定氮、双缩脲、Folin-酚/Lowry、考马斯亮蓝Bradford、280 nm紫外吸收)也属同一考点,其中280 nm法的原理正是教材第3.2节所述芳香族氨基酸(尤其Trp、其次Tyr)的紫外吸收。答题时把「教材原文有的」(酶活力单位、比活力、纯化表、Coomassie染色、A280)与「中文教材要求的」(茚三酮、Lowry、Bradford、凯氏定氮)分开列,既不会漏点,也不会张冠李戴。

术语对照
  • 酶活力单位unit of enzyme activity25 °C最适条件下每分钟转化1.0 μmol底物所需的酶量
  • 活力(总活力)activity溶液中酶的总单位数,纯化中只降不升
  • 比活力specific activity每毫克总蛋白的酶单位数;纯度的量度,纯化表必考
  • 纯化倍数purification factor某步比活力÷起始比活力,教材例为1,500
  • 回收率(产率)yield某步总活力÷起始总活力,教材例为45%
  • 纯化表purification table记录体积、总蛋白、活力、比活力,逐步评价纯化成效
  • 测活(活力测定)assay按催化效应(底物消失或产物生成速率)定量目的蛋白
  • 茚三酮反应ninhydrin reaction本节英文原文未涉及;中文考点:蓝紫色570 nm,脯氨酸呈黄色440 nm