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第三节化学物质对蛋白质侧链基团的共价修饰作用Covalentmodificationofproteinside-chaingroupsbychemicals化学物质的共价修饰作用•化学物质与生物大分子的共价作用常常涉及到物质的生理活性（包括药理、毒理等），如何判断化合物与蛋白质分子中的哪类基团作用，在体外主要用化合修饰的方法。•该方法是研究蛋白质结构与功能的一种重要的基础手段。一、生物体内蛋白质加合物的形成•许多化学毒物对细胞产生的损害与其亲电代谢产物同细胞大分子的亲核部位(如蛋白质的巯基)发生不可逆结合具有密切关系。•当外源化合物的活性代谢产物与细胞内重要生物大分子，如核酸、蛋白质、脂质等共价结合，发生烷基化或芳基化，即导致DNA损伤、蛋白质正常功能丧失，乃至细胞的损伤或死亡。•外源化合物与生物大分子相互作用主要有两种方式：非共价结合和共价结合。1、可与蛋白质发生反应的化合物•除少数烷化剂外，绝大多数外源化合物需经体内代谢活化，转变成亲电子的活性代谢物，再与细胞内生物大分子中的亲核部位和基团发生共价结合。•例如蛋白质分子中的亲核基团、DNA、RNA及一些小分子物质如谷胱甘肽等的亲核部位等。试剂类型化合物或前体反应机制烷基化芳香基化卤代物亲核取代环氧化物硫酸烷基酯活泼的烯烃1,4-加成羰基化合物醛形成席佛碱酰基化有机酸酐、酰氯等亲核取代或加成磷酰化有机磷亲核取代自由基·OH、·CCl3自由基反应具有亲电氮化合物芳香胺亲核取代表6-1可与蛋白质形成共价加合物的化合物类型2、蛋白质分子中的可反应基团•蛋白质分子中有许多功能基团可与外源化合物相互作用，除各种氨基酸分子普遍存在氨基和羧基外，丝氨酸和苏氨酸所特有的羟基、半胱氨酸分子中得巯基…..•一旦这些部位与外源化合物发生共价结合，必将影响蛋白质结构和功能。•致癌物分子量的大小不同，反应是不同的，分子量较小的，如乙烯、丙烷和苯乙烯的氧化物、尿烷和氯乙烯的环氧化物、丙烯酰胺等，与蛋白质作用时，所形成的加合物依赖于外源化合物与各种氨基酸反应的相对速率。3、与白蛋白的共价结合•白蛋白是血液和组织间质中的主要蛋白质，也是脂肪酸、内源性（生物体内存在的）化合物及外源性运输的主要载体，它容易与终致癌物结合形成共价加合物。5、与细胞内蛋白质共价结合•进入体内的外源化合物或其代谢产物可与胞浆、质膜以及细胞核内蛋白质发生共价结合而形成加合物，已经发现有数十种外源化合物与蛋白质共价结合与其毒性有密切关系。•溴苯是一种重要的肝脏毒物，进入体内后经细胞色素P450作用形成溴苯-3,4-环氧化物，可与蛋白质、DNA等共价结合。4、与血红蛋白的共价结合•外源化合物进入血液后，可与红细胞膜结合而进入红细胞内与血红蛋白发生共价结合。其中血红蛋白氨基酸中的氨基、巯基易与外源化合物发生共价结合。•烷基化试剂可与血红蛋白末端氨基酸的氨基、半胱氨酸的巯基以及组氨酸咪唑环上N1或N3共价结合。•环氧乙烷、环氧丙烷可与血红蛋白中组氨酸、末端氨基酸残基共价结合；•4-氨基联苯、苯胺经体内代谢氧化后可与半胱氨酸的巯基结合。•蛋白质侧链基团的修饰是通过选择性的试剂或亲和标记试剂与蛋白质分子侧链上特定的功能基团发生化合反应而实现的。其中的一个重要作用是用来探测活性部位的结构。•理想情况下，修饰试剂只是有选择地与某一特定的残基反应，很少或几乎不引起蛋白质分子的构象变化。•在此基础上，从该基团的修饰对蛋白质分子的生物活性所造成的影响，就可以推测出被修饰的残基在该蛋白质分子中的功能。二、特定的氨基酸残基侧链基团的修饰1、巯基的化学修饰•烷基化试剂是一种重要的巯基修饰试剂，如碘乙酸和碘乙酰胺，用于多肽链氨基酸顺序分析过程防止半胱氨酸的氧化。•5,5'-二硫-2-硝基苯甲酸(DTNB)，又称为Ellman试剂，目前已成为最常用的巯基修饰试剂。DTNB可与巯基反应形成二硫键，产生的5-巯基-2-硝基苯甲酸阴离子在412nm具有很强的吸收，可以很容易通过光吸收的变化来监测反应的程度。•有机汞试剂是最早使用的巯基修饰试剂之一，其中最常用的是对氯汞苯甲酸，该化合物溶于水中形成羟基衍生物，与巯基相互作用时在255nm处光吸收具有较大的增强效应。2、氨基的化学修饰•有许多化合物都可用来修饰赖氨酸残基，三硝基苯磺酸(TNBS)就是其中非常有效的一种。TNBS与赖氨酸残基反应，在420nm和367nm能够产生特定的光吸收。•在蛋白质序列分析中，用于多肽链N-末端残基的测定的化合修饰方法--2，4-二硝基氟苯(DNFD)法、丹磺酰氯(DNS)法和苯异硫氰酸酯(PITC)法都是常用的氨基修饰方法。3、羧基的化学修饰•水溶性的碳化二亚胺类特定修饰蛋白质分子的羧基基团，目前已成为一种应用最普遍的标准方法，它在比较温和的条件下就可以进行。4、咪唑基的化学修饰•焦碳酸二乙酯(DPC)是最常用的修饰组氨酸残基的试剂。该试剂在接近中性的情况下表现出比较好的专一性，与组氨酸残基反应使咪唑基上的1个氮羧乙基化，并且使得在240nm处的光吸收增加。•该取代反应在碱性条件下是可逆的，可以重新生成组氨酸残基。5、酚和脂肪族羟基的化学修饰•四硝基甲烷（TNM）由于反应的高度专一性和反应条件比较温和，已经成为酪氨酸残基修饰最常用的试剂，它与酪氨酸残基反应生成离子化的发色基团---3-硝基酪氨酸衍生物。•苏氨酸和丝氨酸残基的专一性化学修饰研究较少，其羟基可被修饰酚羟基的修饰试剂所修饰，只是反应更严格。6、胍基的化学修饰•丁二酮和1,2-环己酮与胍基反应可逆地形成精氨酸-丁二酮复合物，该产物可以与硼酸结合而稳定下来。•苯乙二醛是最早用来对精氨酸残基进行修饰的，通常是两个分子的苯乙二醛与1个精氨酸残基不可逆地结合，该试剂与α-氨基也有一定反应性。•4-羟基-3-硝基苯乙二醛在温和条件下修饰精氨酸残基，具有光吸收性质，可使被修饰的精氨酸残基在405nm处具有光吸收效应。•对硝基苯乙二醛修饰精氨酸残基可以得到唯一的产物三、亲和性标记•亲和标记试剂，这些化合物是具有化合反应性的蛋白质分子的底物或配体的类似物。由于结构的相似性，它们对底物或配体的结合部位具有一定的亲和性，因而能够选择性地结合在蛋白质分子共价结合。•这类试剂具有饱和性，与底物或天然配体竞争蛋白质分子的结合位点。•亲和性标记试剂中最重要的是光亲和标记和自杀性抑制剂（见第七章）第四节蛋白质光谱探针Spectroscopicprobeofproteins蛋白质光谱探针•蛋白质的定量测定是生物化学和其他生物学科中经常涉及的分析内容，也是临床诊断和检验疾病治疗效果的重要指标，还是药物和食品分析的常见项目。•所谓蛋白质光谱探针，就是能与蛋白质发生相互作用的无机离子、有机小分子或络合物，这些物质与蛋白质结合生成超分子复合物之后，体系的光谱性质发生变化，从而可以提供蛋白质浓度或结构方面的信息。•蛋白质的定量分析方法很多，但研究最多、应用最广的还是吸光光度法、荧光分析法和共振光散射等分子光谱探针。一、蛋白质吸光探针•金属探针•染料探针双缩脲法Folin-Lowry法双辛可宁酸法金属探针将双缩脲试剂和Folin酚试剂(磷钼酸盐磷钨酸盐）结合使用，在蛋白质发生双缩脲反应之后，再和Folin酚试剂反应，此试剂在碱性条件下被蛋白质中酪氨酸的酚基还原，生成颜色更深的化合物，在640nm具有光吸收，可测定25-250ug蛋白质双缩脲在碱性溶液中与Cu2+生成紫红化合物的反应。肽和蛋白质化合物都有双缩脲反应，生成紫红色化合物，在540nm具有光吸收。在碱性条件下，肽键与铜离子反应生成Cu(I),Cu(I)再与BCA反应形成紫色络合物，在565nm测量吸光度。二喹啉甲酸（又称双辛可宁酸法的试剂比Folin-Lowry法的试剂稳定,干扰少染料探针染料探针是蛋白质分析中种类最多应用最广的一类探针，该法是利用蛋白质与染料结合成沉淀或改变结合染料的光吸收特性，借助染料颜色的减退或变化的程度来测定蛋白质的含量。溴酚蓝一种研究性能优良的探针试剂，该试剂颜色对比度为160nm,反应在pH3.2左右进行，在600nm测量吸光度。考马斯亮蓝在酸性条件下，染料考马斯亮兰G-250与蛋白质结合后其吸收峰从465移至595nm处，而颜色也由棕黄色转为深兰色。蛋白质与染料生成复合物颜色的深浅与其浓度成比例关系。该方法使用方便，反应时间短，染色稳定成为灵敏度最高的染料探针分析方法。二、蛋白质荧光探针•蛋白质中存在着Tyr、Trp、Phe残基，能够吸收270～300nm的紫外光而发出紫外荧光。•当测定体系中加入小分子配体时，小分子配体与蛋白质发生相互作用,会导致蛋白质荧光的猝灭，利用小分子配体对蛋白质内源荧光的猝灭这一现象可以确定蛋白质与小分子配体的作用类型及结合部位等。荧光探针的条件•探针分子与蛋白质分子的某一微区必需有特异性的结合，并且结合比较牢固；•探针的荧光必须对环境条件敏感；•蛋白质分子与探针结合后不影响其原来的结构和特性。•在满足这些条件的基础上可进行蛋白质的测定及与金属离子结合的计量化学等。•常用的蛋白质荧光探针有：1-苯胺基-8-萘磺酸(ANS)、2-对甲苯胺基萘-6-磺酸(TNS)、1-(N-二甲胺)萘-5-磺酸(DNS)和荧光胺等。NHSO3-H3CNHSO3-1-苯胺基-8-萘磺酸(ANS)2-对甲苯胺基萘-6-磺酸(TNS),,,-4(对磺苯基)卟啉(TPPS4),,,-4(对羧苯基)卟啉(TCPP)三、蛋白质光散射探针•共振光散射（RLS）技术是近年来发展起来研究小分子物质与蛋白质、核酸等生物大分子发生作用并形成聚集体的灵敏的探测技术。•瑞利散射（Rayleighscattering）：•定义1：尺度远小于入射光波长的粒子所产生的散射现象。根据英国物理学家瑞利(LordJohnWilliamRayleigh，1842—1919)研究指出，分子散射强度与入射光的波长四次方成反比,且各方向的散射光强度是不一样的。•定义2：在介质中传播的光波，由于材料的原子或分子结构随距离变化而引起的散射。瑞利散射的实验支持•如右图所示，将强光源S所发出的光束入射到装满水的玻璃容器上，水内加上几滴牛奶使之成为浑浊物质，光通过这类物质后发生散射，从正侧方向（垂直于入射光的传播方向，如Z方向）观察时，散射光带青蓝色，即此入射光含有较多的短波；从面对入射光的方向（X方向）看，则通过容器的光显得比较红。瑞利散射起源•1871年，瑞利在经过反复研究，反复计算的基础上，提出了著名的瑞利散射公式，当光线入射到不均匀的介质中，如乳状液、胶体溶液等，介质就因折射率不均匀而产生散射光。瑞利研究表明，即使均匀介质，由于介质中分子质点不停的热运动，破坏了分子间固定的位置关系，从而也产生一种分子散射，这就是瑞利散射。•瑞利经过计算认为，分子散射光的强度与入射光的频率（或波长）有关，即四次幂的瑞利定律。散射的观察与应用•正午时，太阳直射地球表面，太阳光在穿过大气层时，各种波长的光都要受到空气的散射，其中波长较长的波散射较小，大部分传播到地面上。而波长较短的蓝、绿光，受到空气散射较强，天空中的蓝色正是这些散射光的颜色，因此天空会呈现蓝色。•正是由于波长较短的光易被散射掉，而波长较长的红光不易被散射，它的穿透能力也比波长短的蓝、绿光强，因此用红光作指示灯，可以让司机在大雾迷漫的天气里容易看清指示灯，防止交通事故的发生。光散射探针分析的基础•试剂分子或络合物与蛋白质结合，导致体系光散射信号明显增强。•用作蛋白质分析的光散射探针与蛋白质的吸收光谱探针相类似，大多数探针属于三苯甲烷类，如卟啉类、偶氮类、溴酚蓝、铬天青S等。•铬天青S可与血清白蛋白在pH3.5左右的柠檬酸-NaOH介质中生成超分子化合物，产生最大散射波长为370nm的光散射信号。基于此可以测定低至0.02µg/mL的血清白蛋白，方法灵敏度高于考马斯亮蓝法50倍。