纳米生物学3星知识点总结.docVIP

纳米生物学3星知识点总结 绪论 第三节 纳米生物世界 1 可忽略重力和惯性世界 用宏观算法计算得到的重力（不一定对）远小于微观相互作用力；微观粒子不需要“刹车”。 2 不稳定的热运动世界 布朗运动等。 3 不连续的世界 纳米生物机器由原子的离散结合构成，不具备连续性的时空性质。 4 充满水的世界 水分子参与纳米生物结构；氢键、疏水作用；溶解性问题。 5 进化的世界 生物分子可发生突变而进化。 纳米生物学的结构原理 纳米生物材料的结构基元 蛋白质：结构基元：氨基酸（两性有机小分子，除甘氨酸外均包含侧链）；通过脱水缩合形成肽键 (-CO-NH-)。 核酸：碱基 + 核糖 (RNA)/脱氧核糖 (DNA) + 磷酸；DNA双螺旋结构（2.0nm直径，0.34nm一个碱基，3.6nm一个周期）；RNA具有二级结构（如tRNA三叶草结构）。 脂：亲水头部 + 长链疏水尾部。 糖：多糖由单糖通过糖苷键形成。 构建纳米生物机器的分级策略 1 共价合成 直接合成。共价键的方向性和饱和性决定共价合成中的分子外型。 2 共价聚合 由小的结构基元聚合。单键可旋转；双键、三键、共轭体系相对刚性。 3 自发组织（折叠） DNA通过碱基互补配对形成双螺旋 (A=T, C≡G)；RNA折叠或许与生命起源相关；蛋白质折叠目前无法预测。 主要驱动力： 氢键（～101kJ/mol，共价键的1/10）：提供稳定性和特异性。 离子键/静电力/盐桥：没有方向性，长程作用范围，提供稳定性和特异性（如Calmodulin和钙离子的结合）。 疏水作用：促使疏水性原子在水溶液中稳定聚集。 范德华力 (1kJ/mol)：十分微弱，作用在一定距离范围内的所有原子，确定其空间位置。 四种驱动力协同作用，疏水作用和氢键更为主要。 折叠由自由能驱动，稳定的结构能量最低。 丝氨酸蛋白酶 (Serine protease) 作用机理： 主要参与氨基酸：丝氨酸（Ser，亲核进攻位点），组氨酸（His，质子接受体），天冬氨酸（Asp，稳定His）。 过程：Ser羟基氢-His咪唑氮、His咪唑NH氢-Asp羧基氧之间形成氢键。当底物（蛋白质）进入活性中心后，丝氨酸羟基氧进攻底物羰基碳使羰基氧变为氧负离子，羟基氢变为质子被His咪唑氮接受，并与底物NH氮形成氢键。氧负离子推电子使底物肽键断开，底物NH氮结合His咪唑氮上的质子形成一个胺（与组氨酸通过氢键连接），另一侧形成一个酯（底物羰基与丝氨酸羟基共价连接形成）。胺离开活性中心，水分子进入活性中心并与组氨酸咪唑氮形成氢键。水分子氧进攻底物羰基碳使羰基氧变为氧负离子，水分子上的一个氢变为质子被His咪唑氮接受，并与水分子氧形成氢键。氧负离子推电子使酯键断开，形成一个羧酸。羧酸离开活性中心，酶恢复原状，反应完成。 天然组装的纳米生物材料 1 基于小肽的纳米材料 1.1 基于环肽 Gramicidin S. (-Val-Orn-Leu-D-Phe-Pro-)2: “DL Principle”：结构基元中需要有D构型氨基酸。（这里是D-苯丙氨酸） 结构基元通过氢键层状堆叠形成“桶”，“桶”间通过氢键连接。 应用：质子诱发的自组装。 1.2 基元表面活性剂类似的小肽 小肽设计：亲水头部、疏水尾部、中性末端。 Di-Phe（由D-苯丙氨酸和L-苯丙氨酸形成）作为结构基元，可以形成纳米管。 纳米生物学的功能原理 纳米生物材料的基本功能 1.4 化学转化 添加/除去化学基团，改变双键构型，建立/打开共价键，等等。 1.4.1 破坏肽键（蛋白质降解） 丝氨酸蛋白酶：胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白。 天冬氨酸蛋白酶：胃蛋白酶、肾素、HIV蛋白酶。 金属蛋白酶：羧肽酶、基质金属蛋白酶。 半胱氨酸蛋白酶：木瓜蛋白酶、组织蛋白酶、胱天蛋白酶 (Caspase)、calpain。 苏氨酸蛋白酶 谷氨酸蛋白酶 水解 胰凝乳蛋白酶作用机制：如前所述。 胃蛋白酶：酶原，pH3时自切割暴露活性中心，成为有功能的酶。 活性中心：两个天冬氨酸 (Asp32, pKa 2.9; Asp215, pKa 4.5)。将天冬氨酸突变为谷氨酸将导致不能自切割。 过程：pH 3的情况下，Asp32羧基为解离状态，Asp215羧基为非解离状态，两者之间形成氢键。底物（蛋白质）和水分子一同进入活性中心，Asp32羧基氧负离子进攻水分子的氢变为非解离状态，产生氢氧根，氢氧根的氧进攻底物羰基碳，使羰基氧形成氧负离子，氧负离子结合Asp215羧基氢，使Asp215的羧基呈解离状态。底物羰基碳变为结合两个羟基和一个氨基的形式。Asp215与Asp32交换质子，使Asp32呈解离状态，Asp215呈非解离状态。Asp32羧基氧负离子进攻底物其中一个羟基的氢变为非解离状态，使该羟基氧变为氧负离子。氧负离子推电