化学生物学论文

班级：20##级化学生物学班

姓名：杨锦航

学号：2009111147

酶结构研究的内容及其方法

姓名:杨锦航           学号:2009111147            班级:化学生物学

摘要:在广泛文献检索基础上，本文对酶结构研究的内容，包括酶的一级、二级、三级、四级结构以及酶结构的研究方法，进行了概述。并且以脂肪酶为例，对酶研究作出了具体说明。为酶研究提供科学资料。

酶结构研究的内容:酶是具有催化特定化学反应功能的蛋白质、RNA或其复合体。绝大多数的酶都是复杂的蛋白质。不同的酶除了具有不同的一级结构以为，还具有特殊的空间结构。研究酶的结构主要是研究它的一到四级结构，通过酶结构的研究，分析不同的所具有的功能差异性。

酶的一级结构是指多肽链中氨基酸的排列顺序，以及二硫键的位置。它包括组成酶的多肽链数目，多肽链的氨基酸顺序，以及多肽链内或链间二硫键的数目或位置。在每种酶中氨基酸按照一定的数目和组成排列并进一步折叠成特定的空间结构。把多肽中从N-端到C-端的 氨基酸序列，包括二硫键的位置叫做酶的一级结构。

酶的二级结构是指肽链主链折叠产生的有规则的几何走向，它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。肽链主链的构象是由肽键的特殊结构决定的。二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。二级结构是通过骨架上的羰基和酰胺集团之间形成氢键维持的，氢键是稳定二级结构的主要作用力。

酶的三级结构是指在二级结构的基础上，肽链在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键在三级结构中起到重要作。

酶的四级结构是指有多条各自具有一级、二级、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式，各个亚基在空间的排列方式以及亚基之间的相互作用关系。四级结构主要涉及具有三级结构的多肽链聚合形成蛋白酶时的空间排列方式和相互作用。

酶结构研究的方法：研究酶结构主要研究酶蛋白的一到四级结构，下面逐一对一到四级结构的研究方法作出举例和说明。

     一级结构研究方法：酶蛋白的一级结构测定一般主要通过以下步骤完成。①测定酶蛋白氨基酸残基组成，根据酶蛋白分子量计算出构成酶蛋白的各种氨基酸的数量。②测定酶蛋白分子中多肽链数目。通过测定末端氨基酸残基的物质的量与蛋白质分子量之间的关系，即可确定多肽链的数目。③二硫键的断裂及多肽链的拆分。由多条多肽链组成的蛋白质分子，必须先进行拆分。可通过加入盐酸胍方法解离多肽链之间的非共价键力；应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。④多肽链的选择性降解及肽段的氨基酸组成和顺序的测定。一般用酶或溴化氰选择性降解多肽链，产生的肽段用酸水解法完全水解为多肽，测定并计算出各种氨基酸的分子比，用Edman降解法分析各肽段的氨基酸序列。⑤利用酶选择性降解和溴化氰选择性降解得到各肽段的氨基酸的顺序彼此间的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序，并确定多肽链中二硫键位置。

     酶蛋白的一级结构研究方法有很多种，下面为大家介绍一种运用灰色预测模型预测酶一级结构的方法。它的原理是将氨基酸残基的疏水值与氨基酸残基一一对应，得到代表氨基酸序列的疏水值序列，再对此疏水值序列运用灰色预测模型预测未知的氨基酸残基疏水值，从而达到间接预测氨基酸残基的目的^[1]。

     二级结构的研究方法，Chou-Fasman预测方法是一种基于单个氨基酸残基统计的经验参数方法，由Chou和Fasman在20世纪70年代提出来。通过统计分析，获得的每个残基出现于特定二级结构构象的倾向性因子，进而利用这些倾向性因子预测蛋白质的二级结构。每种氨基酸残基出现在各种二级结构中倾向或者频率是不同的，例如Glu主要出现在α螺旋中，Asp和Gly主要分布在转角中，Pro也常出现在转角中，但是绝不会出现在α螺旋中。 因此，可以根据每种氨基酸残基形成二级结构的倾向性或者统计规律进行二级结构预测。另外，不同的多肽片段有形成不同二级结构的倾向。例如：肽链Ala(A)-Glu(E)-Leu(L)-Met(M)倾向于形成α螺旋，而肽链Pro(P)-Gly(G)-Tyr(Y)-Ser(S)则不会形成α螺旋通过对大量已知结构的蛋白质进行统计，为每个氨基酸残基确定其二级结构倾向性因子。

     三级和四级结构的研究方法主要有：：①应用X线晶体衍射图谱法(X-ray crystallography)和中子衍射法测定晶体中的蛋白质分子构象；②应用核磁共振法(nuclear magnetic resonance，NMR)、圆二色性光谱法、激光拉曼光谱法、荧光光谱法、紫外差光谱法和氢同位素交换法等测定溶液中的蛋白质构象。

     利用X线晶体衍射图谱法测定蛋白质分子的构象，结果比较可靠。但是，与溶液中的构象相比，蛋白质分子在晶体中的构象是静态的。所以，利用蛋白质晶体不能测定不稳定的过渡态构象。而且，很多蛋白质很难结晶，或者很难得到用于结构分析的足够大的单晶。另外，X线晶体衍射的工作流程较长。核磁共振是指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂(Zeeman splitting)，共振吸收某一特定频率的射频(radio frequency，RF)辐射的物理过程。近年来，NMR法测定小型蛋白质的三维结构得到了成功的应用。NMR法不需要制备蛋白质晶体，但这种方法仅限于分析长度不超过150个氨基酸残基的小型蛋白质。其他方法可以测定溶液中蛋白质分子的局部构象，但很难获得蛋白质分子完整的三结构，在应用上存在较大的局限性。此外反向折叠法，比较建模法，从头预测法也可预测蛋白酶结构。

     反向折叠法的主要原理是把未知蛋白质的序列和已知的结构进行匹配，找出一种或几种匹配最好的结构作为未知蛋白质的预测结构。其实现过程是总结出已知的独立蛋白质结构模式作为未知结构进行匹配的模板，然后经过对现有的数据库的学习总结，得出可以区分正误结构的平均势函数性在于它假设蛋白质折叠类型是有限的，所以只有未知蛋白质和已知蛋白质结构相似的时候，才有可能预测出未知的蛋白质结构。如未知蛋白质结构是现在还没有出现的结构类型时，则不能应用这种方法。

     比较建模法定义是若待模型构建[蛋白质的序列与模板序列经比对后的序列同源性在40%也有人认为在35%以上，则它们的结构可能属于同一家族，它们是同源蛋白可以用同源蛋白模型构建的方法预测其三维结构。因为它们可能是由同一种蛋白质分化而来，具有相似的空间结构及相同或相近的功能。因此，若知道了同源蛋白家族中某些蛋白质的结构，就可以预测其他一些序列已知而结构未知的同源蛋白的结构，可以用同源模型构建的方法预测未知蛋白质的三维结构。

下面举例介绍脂肪酶的研究。

     脂肪酶是水解脂肪的一类酶的总称。是广泛存在的一种酶，在脂质代谢中发挥重要的作用。在油水界面上，脂肪酶催化三酰甘油的酯键水解，释放更少酯键的甘油酯或甘油及脂肪酸。脂肪酶反应条件温和，具有优良的立体选择性，并且不会造成环境污染，因此，在食品、皮革、医药、饲料和洗涤剂等许多工业领域中均有广泛的应用。

     脂肪酶的催化特性在于：在油水界面上其催化活力最大，早在1958年Sarda和Desnnelv 就发现了这一现象。溶于水的酶作用于不溶于水的底物，反应是在2个彼此分离的完全不同的相的界面上进行。这是脂肪酶区别于酯酶的一个特征。酯酶(E C3.1.1.1)作用的底物是水溶性的，并且其最适底物是由短链脂肪酸(≤C8)形成的酯。脂肪酶的结构脂肪酶分子由亲水、疏水两部分组成，活性中心靠近分子疏水端。脂肪酶结构有2个特点：(1) 脂肪酶都包括同源区段：His? Y Gly—Z．Ser—W—Gly

或Y—Gly—His-Ser-W-Gly(x、Y、w、z是可变的氨基酸残基)，(2)活性中心是丝氨酸残基，正常情况下受1个0t．螺旋盖保护。多数脂肪酶都有1个螺旋片段，一般称为。盖子”，当酶处于闭合状态时，活性位点被“盖子”覆盖。当存在脂质微囊时，“盖子”打开与其结合。其次脂肪酶的应用非常广泛。 脂肪酶在食品加工中的应用脂肪酶在肉类加工中已得到有效的利用，如鱼肉加工中，脂肪酶参与生物酯解，除去鱼肉的脂类。近来油脂改良技术成为研究的热点，最有价值的应用是将棕榈油转化为类可可脂。在非水相中用米赫毛霉(Mucor miehe)脂肪酶Lipozyme IM催化，使硬脂酸甲酯与33～39℃熔点棕榈油进行酯交换，制取类可可脂。此外，脂肪酶在改变植物油物理性状方面也有很大的潜力。与化学合成的氢化油相比，脂肪酶具有催化酯交换改性油脂风味好，异构体少，不产生对人体有害的反式脂肪酸等优点，可生产营养价值高的塑性脂肪。此外脂肪酶在纺织物中，在医学上的应用，在在生物柴油中的应用，在生物传感器中的应用都得以实现。

前景与展望：脂肪酶来源不同，导致结构和性质的多样性、不稳定性，使脂肪酶研究进展较慢。固定化脂肪酶可重复利用提高酶稳定性，有利于实现工业化生产，降低生产成本。目前脂肪酶固定化因其经济性和技术可靠性，离产业化还有相当大的差距，需对脂肪酶载体，固定化技术作深入研究。今后，脂肪酶研究需生物遗传、生物化工、仪器分析、食品工程等领域的研究人员通力合作，筛选新的工业脂肪酶菌株，以解决工业生产和保护环境问题。

参考文献：

[1]张彦海，谢菊芳，金祥瑞，等。一种运用灰色预测模型预测蛋白质一级结构的方法[J]，武汉科技学院学报，2004，5（17）:77-78。

[2]沈漪，方文仅。蛋白质一级结构测定的新进展[J]，中国医药工业杂志，2002，33（10）：514-518。

[3]王艳春。蛋白质二级结构预测方法研究[J],计算机工程与应用，2009，45（36）:44-46。

[4]沈星灿，梁宏，何锡文，等。圆二色光谱分析蛋白质构象的方法及研究进展[J],分析化学评述与进展，2004，32（3）：388-394。

[5]张安世。蛋白质一级结构的测定的基本程序及其方法[J]，焦作教育学院学报，1994，1，23-27。

[6]谢孟峡，刘媛。红外光谱酰胺∣∣∣带用于蛋白质二级结构的测定研究[J]，高等学校化学学报，2003，24（2）：226-231。

[7]王自社，张继，马君义，等。脂肪酶的研究及应用进展[J]，安徽农业科学，2011，39（7）：2798-3800。

[8]张中义，吴新侠。脂肪酶的研究进展[J]，食品与药品，2007，9（12A）：54-56。

[9]岳贤田，高桂枝。低温微生物脂肪酶的研究进展[J]，中国油脂，2008，33（7）：44-48。

[10]王俊华，吴娜，杨洁，等。大麦脂肪酶的研究进展[J]，生物技术通报，2006，5：45-48。

[11]周晓云，付美景。双水相体系提取脂肪酶的研究[J]，浙江农业大学学报，1997，23（2）：205-210。

[12]天花粉小组。蛋白质顺序测定技术[J]，有机化学，1982，1：64-66。

[13]严瑾，范春雷，沃兴德。人类肝脂肪酶的研究进展[J],中国动脉硬化杂志，2003，11（6）：596-599。

[14]王彦力，来鲁华，韩玉真，等。新型平均势函数在蛋白质反向折叠中的应用[J]，生物物理学报，1995，2（1）：67-73。

[15]曹国明，黄杰，高广达。蚕丝固定化脂肪酶的研究[J]，生物工程学报，1997，13（1）：88-92。

第二篇：关于开展20xx年温州市高中学生物理、化学、生物小论文评选活动的通知

关于开展20xx年温州市高中学生物理、化学、

生物小论文评选活动的通知

各县（市、区）教育局教研室，市局直属各高中：

为了开展温州市“小科学家”活动，培养学生的科学创新精神和实践能力，经研究，决定开展20xx年温州市高中学生物理、化学、生物小论文评选活动。现将有关事项通知如下：

一、参加对象

全市在校高一、高二学生（每位学生只能以个人名义申报）。

二、选题方向

小论文应具有一定的价值与意义，同时研究又能切合高中学生的实际。选题可以从以下几个方面着手：

1．创新实验类：实验的改进；探究实验的开发等。

2．实践调查类：科学与生活调查；资源的开发与利用等。

3．文献研究类：科学史的研究；科学发展与人类文明进步的研究；科学与生产生活的研究；科学与社会发展的研究等。

三、论文格式

小论文一般包括封面、摘要、正文、参考文献和附件。

1．封面：见附件1。

2．摘要：字数一般不能超过250字。

3．正文：正文一般包括研究的背景与意义、过程与方法、结果与分析、结论与讨论四个部分，字数控制在4000字以内。用A4纸打印，字号为小四号，行距为22磅，页边距2厘米。

5．参考文献。

6．附件：展示小论文研究过程真实性、科学性的原始文字材料（如记录册），控制在10页以内。

四、评审原则

1．真实性：研究过程必须由学生亲自完成。

2．科学性：研究过程方法科学，问题分析透彻，所得结论经得起推敲和验证。

3．实用性：成果有一定的社会效应、经济效益、应用意义或推广前景。

五、评选流程

1．报送：各县（市、区）教研室和市局直属各高中于20xx年3月10日前将小论文一式3份、参评目录表（附件2）寄（送）至市教研院109室林美群老师处。小论文和参评目录表电子稿发给张庆勉zqm@wzer.net。

2．初评：聘请相关专家组成评审组对小论文进行初评。

3．答辩：根据初评选出若干篇小论文在3月底进行答辩。

4．奖励：根据初评与答辩成绩，评出一、二、三等奖若干名，发给相应证书。获奖成绩作为温州市小科学家评选依据之一。

四、参评名额

瑞安、苍南、乐清各60项，平阳、永嘉、瓯海各40项，龙湾、文成、泰顺、洞头各20项。市局直属高中各510项。

二○一一年一月十八日

附件1：

温州市高中学生物理、化学、生物

小论文评比

题 目＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 学 校＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 姓 名＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 指导教师＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 联系电话＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

温州市教育教学研究院