分子生物学中的结构化学
一 分子生物学的时代 如果生物学家用一个历史标志来标记战后的二三十年，他们一定不会对“分子生物学时代持有异议。当物理，化学等基础学科都已发展到空前繁荣的阶段时，生物学领域也出现了一个意义深远的革命。结合着物理学与化学新领域的开发，特别是量子力学与结构化学的不断壮大生物学终于分支出一个新的学科——分子生物学。 过去，象胚胎学，遗传学和进化论这些学科，只是在组织，细胞或群体的层次上研究，而此后的分子生物学领域中对蛋白质及核酸分子的结构功能研究，逐渐揭示了生物在特定大分子的分子构成上是有共同基础的。在过去，对它们的共同基础只做过模糊的推测。二 分子生物学的定义及基本方向 对于分子生物学的定义，W.T.阿斯特伯里，这个术语的提出人及倡导人之一，在1950年的一本书中指出：“……专门（涉及）生物分子的形式及这些形式在朝着越来越高的组织结构水平的进化，扩展和演变。分子生物学主要是研究三维和结构的方面……”，同时他指出“与其说它是一种技术，不如说它是一种探索方法，按相应的分子活动来探讨经典生物学中的大量现象”。它的这段话暗示了分子形态和功能之间的关系，这也是当代分子生物学的主旨。 从历史上来看，分子生物学一直沿三个方向发展形成： 1.结构方面：与分子的结构有关。即分子的三维结构在某种程度上是如何决定其特殊的生理功能。 2.生化方面：与生物大分子在细胞代谢和遗传中如何相互影响有关。 3.信息方面：与信息如何在有机体世代间传递以及该信息如何被翻译成特定的生物分子有关。三 分子生物学的起源 回顾历史，正是对生物遗传的研究为分子生物学的崛起提供了契机。虽然早在20世纪上半叶，遗传学就已成为生物学上的明珠，但其中心 基因的性质却仍是神秘莫测的：虽然人们在讨论基因，但每人知道基因究竟是什么组成的，而它那令人惊叹的信息保存和复制功能更是无人企及。 早期的人们（直到本世纪二十年代）一直以为蛋白质似乎适于携带信息。因为它随着氨基酸不同的排列方式所成的结构具有大量的遗传潜力。而核酸，尽管早在十九世纪六十年代，米歇尔就已提出它可能具有遗传功能，但并未引起人们的重视。直到二十世纪五十年代，核酸的结构才被详细的认识。而导致这一成就的恰恰就是前面所讲三种研究的资料，其中，结构化学家们通过几十年来对蛋白质的研究中积累的大量经验，在推导能解释生物学性质的核酸结构上扮演重要角色。 为了搞清DNA究竟是通过什么结构完成其生理功能，结构化学家采用了当时正在生物领域蓬勃发展的X 射线衍射法。这种方法从1912由布拉格创立并成功测定一些大分子后，便逐步开始应用于更加重要和复杂的生物大分子。因为结构化学家们一直坚信，对生物细胞的空间构型的了解，有助于人们了解细胞的生理功能。从30年代后期，布拉格的学生阿斯特伯里与贝尔纳便开始用这种方法研究蛋白质与核酸的结构。它们把这种研究方法命名为“分子生物学”,尽管当时这个术语并未广为接受． 1953年4月25日，克里克与沃森发表的<<核酸的分子结构――脱氧核糖核酸的结构>>一书，使人们终于接受了分子生物学作为一门新兴的学科独立于生物学领域之中．事实上，早在ＤＮＡ研究之前，鲍林就成功的用Ｘ－射线衍射法测定了α螺旋，它所使用的想象和模型法突破了传统的直接分析法，也鼓舞了克里克与精通Ｘ－射线法的沃森合作．它们从Ｘ－射线的电子密度图中推测出ＤＮＡ分子的螺旋中应有两条链，在结合１９５２年通过帕特森图证明的磷酸分子必处于ＤＮＡ分子外的结论以及碱基配对，提出了双螺旋模型和后来生物学中的“中心法则”．这些都为今天的分子生物学奠定了基础． 四 分子生物学发展中的Ｘ－射线法 正如结构化学家们所公认的，Ｘ－射线衍射法的原理并不复杂，但具体运用中如何将底片上一群群衍射光点翻译三维中的分子结构确是很困难的．人们为此运用了很多方法，如鲍林采用了模型法研究蛋白质的二级结构，而布拉格实验室采用传统的推导方法，虽然在蛋白质与ＤＮＡ的研究中遭到失败，但却于六十年代成功阐明了血红蛋白与肌红蛋白的大部分精细结构．正是这些令人注目的业绩，使Ｘ－射线衍射法并不随ＤＮＡ结构研究的结束而告别生物学． 自从鲍林对蛋白质二级结构的成功解释后，Ｘ－射线衍射法就一直在蛋白质领域中发挥重要作用．人们依靠高分辨率的Ｘ－射线衍射图谱精密的考究在不同水平上拍摄的到的，表示蛋白质结晶的单晶胞的电子密度图．分析这些密度图，联系已知的氨基酸序列，就可决定每一个氨基酸残基中的原子之间的配位情况，由此建造出一个蛋白质分子的三维模型出来．结构化学家的成果证明了在蛋白质中，特别是酶的反应中，分子结构在相互辨识过程中起了重要作用． 就在肌红蛋白与血红蛋白的结构被阐明后不久，人们用Ｘ－射线法分析了溶菌酶与抑制剂形成复合物的结构．这与酶－底物复合物很相似――都是大分子与小分子相互作用的结果．正是在这种启发下，分子生物学家们开始对胰凝乳蛋白酶活性中心特异性位点的结构进行了研究．４）与ＨＮ（底物分子）间形成氢键 定向 对ＥＳ复合物的可能有的构象加以限制，使之能生成产物． 同上 特异性结合 对与之结合的底物分子类型加以限制，使之能生成产物． 同上 诱导契合 底物与酶结合后，能改变酶分子的构象，能催化产物生成 试验表明这并不存在于胰凝乳蛋白酶 底物变形 底物分子变形，在能量上转向过渡态． 酶中的ＮＨ（１９３），ＮＨ（１９２）和底物分子的ＣＯ间可能形成氢键． 酶分子变形 贮存于酶分子中的能量可以降低跃迁时的活化能． 天１０２，组５７，丝１９５间的电子传播系统． 化学催化 普通酸，碱，亲核试剂等等 组５７与丝１９５之间的极性氢键有关 化学性中间产物 整个反应分为多个步骤进行，每个步骤的活化能均低于中反应的活化能 形成一个稳定的酰基－酶结构 他们让活化的酶分子与对甲苯磺酰氟反应，使第１９５位丝氨酸残基的羟基与之缩合．在Ｘ－射线分析的电子密度图中，人们可以很容易的鉴定出这个衍生基团．分析发现，１９５位丝氨酸在其活性分子中位于表面一个小缝隙顶部，并很容易和与其接近的５７位组氨酸形成氢键． 另外Ｘ－衍射也再次证明了胰凝乳蛋白酶的专一性结合位点的所在区域．根据已知酶对芳香基的底物分子由专一性，对甲苯磺酰基应被潜在活性中心的“小口袋”中，“小口袋”的大小可正确的将底物分子定位在恰当的位置，即使之恰好进入活性位点１９５位丝氨酸残基的键合范围．这个结果又很快的被Ｎ－甲酰色氨酸（一种正常的底物）与酶的Ｘ－射线衍射图所证明． 利用Ｘ－射线衍射法对酶与底物复合物的成功研究，增长了对酶活性中心的认识，从而导致了大小底物水解作用机制的合理假说。五 尾声 我们可以看到，尽管Ｘ－射线法的结构分析包含大量冗长的的工作，它对阐明分子结构与功能的联系起了很大的推动作用．它曾所涉及到的，无论是核酸还是蛋白质或是维生素领域中的研究，无一不是分子生物学中的里程碑．
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