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阅读 18288 次 历史版本 4个 创建者:九九 (2010/3/4 0:12:35)  最新编辑:九九 (2010/3/4 1:18:33)
蛋白質
拼音:dàn bái zhì
英文:protein
同义词条:朊
  蛋白質,一種複雜的有機化合物,舊稱“朊”。是人體的必須營養素。由氨基酸分子呈線性排列所形成,相鄰氨基酸殘基羧基氨基通過形成肽鍵連接在一起。蛋白質的氨基酸序列是由對應基因所編碼。除了遺傳密碼所編碼的20種“標准”氨基酸,在蛋白質中,某些氨基酸殘基還可以被翻譯後修飾而發生化學結構的變化,從而對蛋白質進行激活或調控。多個蛋白質可以一起,往往是通過結合在一起形成穩定的蛋白質複合物,發揮某一特定功能。

  1838年荷蘭G.J.米爾德首次采用“protein”(蛋白質)這一名稱,它來自希臘文“proteios”一詞,意爲“第一位”。最初,人們把蛋白質作爲生命膠態基質──原生質的同義語。1926年,詹姆斯·B·薩姆納揭示尿素酶是蛋白質,首次證明了是蛋白質。第一個被測序的蛋白質是胰島素,由弗雷德里克·桑格完成,他也因此穫得1958年度的諾貝爾化學獎。首先被解析的蛋白質結構包括血紅蛋白肌紅蛋白的結構,所用方法爲X射線晶體學;該工作由馬克斯·佩魯茨約翰·肯德魯於1958年分别完成,他們也因此穫得1962年度的諾貝爾化學獎。

  蛋白質是細胞組分中含量最爲豐富、功能最多的高分子物質,在生命活動過程中起着各種生命功能執行者的作用,幾乎沒有一種生命活動能離開蛋白質。大多數微生物植物能夠合成所有20種標准氨基酸;動物則由於缺乏某些氨基酸合成途徑中特定氨基酸合成反應所需的關鍵酶,如從天冬氨酸生成賴氨酸甲硫氨酸蘇氨酸的合成反應第一步中發揮催化作用的天冬氨酸激酶,而隻能合成部分氨基酸。因此,動物必須從食物中穫取這些自身無法合成的氨基酸。一個生物體所無法合成而需從食物中穫取的氨基酸被稱爲必需氨基酸。如果環境中存在所需氨基酸,微生物能夠直接攝取這些氨基酸,而下調其自身的合成水平,從而節省了原來需要用於合成反應的能量。

  動物所攝取的氨基酸來源於食物中所含的蛋白質。攝入的蛋白質通過消化作用而被降解,這一過程通常包括蛋白質在消化系統的酸性環境下發生變性,變性後的蛋白質被蛋白酶水解成氨基酸或小段的。隨後這些降解片斷就可以被吸收。部分吸收後的氨基酸被用於蛋白質的合成,其餘的則通過糖異生作用被轉化爲葡萄糖或進入三羧酸循環進行代謝。蛋白質的營養作用在饑餓環境下顯得特别重要,此時機體可以利用自身的蛋白質,特别是肌肉中的蛋白質,來產生能量以維持生命活動。蛋白質/氨基酸也是食物中重要的氮源。人體所需蛋白質在許多食物中都含量豐富,如動物肌肉、乳制品、蛋、豆類、穀類和蕈類等。人體中蛋白質缺乏可以導致全身浮腫、皮膚幹燥病變、頭髮稀疏脱色、肌肉重量減輕、免疫力下降等。食物中的蛋白質有時會引起過敏反應。

蛋白質結構


  蛋白質具有十分複雜的結構。這種複雜性與生物分子有序性的高度統一,集中反映在蛋白質分子的結構具有豐富的層次。 1952年林諾斯特倫-朗首次使用一、二、三級結構的名稱來粗略劃分蛋白質分子的化學和空間結構。後來在三級結構以上又發展了四級結構,而且對上述各級結構的劃分已有較爲精確的定義,其中一級結構屬於共價鍵結構,二級以上都屬於空間結構。一級結構是其他各級結構的基礎,蛋白質一級結構決定其高級結構特征,這是分子生物學中的一條基本規律。

肽鍵和肽鏈

 
  在構成蛋白質時,氨基酸以肽鍵顺序相連。這樣的產物稱爲肽;組成肽的相當於氨基酸的部分稱爲氨基酸殘基。多個氨基酸可以這一方式顺序結合成一鏈狀分子,稱爲多肽鏈或肽鏈。一般蛋白質分子都由大量氨基酸構成,所以,蛋白質就是具有特定空間卷曲和摺叠的多肽鏈。

  多肽鏈的共價主鏈形式上都是單鍵,因而-C-C-和-C-N-單鍵均應可自由鏇轉,但實際上,一個蛋白質的肽鏈在正常溫度和pH的條件下具有一定的立體結構即構象,從而保證了蛋白質的生物活性。

  蛋白質分子有的僅含一條多肽鏈,有的含有兩條或多條多肽鏈,它們彼此以特定的方式 (共價或非共價)相互作用構成一個結構和功能的整體。

  例如胰島素是由A、B兩條肽鏈組成,A、B鏈間由二對二硫鍵彼此連接,如將A、B鏈分離,胰島素分子就完全受到破壞。有些多鏈蛋白質分子,其組成肽鏈可作爲獨立的結構單位,在完整的蛋白質分子内,它們彼此以非共價鍵相連接,而在被分離開來以後,又能保持其在完整分子内的共價鍵結構。這樣的相對獨立的肽鏈稱爲蛋白質的亞基。分離的亞基一般不再具有蛋白質完整分子的生物功能。由數量不多的亞基構成的蛋白質分子,也被稱爲寡聚體。

一級結構

 
蛋白質分子的一級結構通式
  組成蛋白質分子的多肽鏈中氨基酸殘基的排列顺序。蛋白質分子的一級結構通式如左圖:

  一級結構是蛋白質化學結構中最重要的内容,但完整的蛋白質化學結構,一般還包括:①多肽鏈的數目;②鏈間和鏈内的二硫鍵數目和位置;③與蛋白質分子共價結合的其他成分。

二級結構

 
  指肽鏈主鏈原子的局部空間排布,不包括與其他肽鏈的相互關係以及側鏈構象的内容,所以二級結構僅涉及蛋白質分子主鏈的構象。已觀察到的蛋白質二級結構有下列 3種類型:①螺鏇。最常見的是α-螺鏇,除極個别例外,全部是右手螺鏇;②β-摺叠層。分平行式和反平行式兩種;③β-轉角或稱β-回摺。由4個氨基酸殘基以第1和第4個殘基間形成氫鍵穩定的三肽構象,這類構象可使肽鏈產生180°的轉摺,所以對蛋白質分子複雜而多樣的三維摺叠具有重要作用。此外在蛋白質分子中還有一些肽段不具有一定的有序的立體結構,通常稱爲無規則卷曲肽段。

  在所有已測定的蛋白質結構中,都有廣泛的二級結構存在,但在不同種類的蛋白質中,二級結構的分布和作用都很不一樣。在纖維狀蛋白質中,二級結構是分子的基本結構,並決定分子的一些基本特性,例如角蛋白主要由 α-螺鏇構成,蠶絲的絲心蛋白主要由β-摺叠層構成,膠原是由3股左手螺鏇構成。在球狀蛋白質中,二級結構是分子三維摺叠的基本要素,對分子的骨架形成具有重要作用,但整個分子的錯綜複雜的三維特征更多地依賴於側鏈的相互作用和除氫鍵以外的其他作用力, 在大多數球狀蛋白質分子中,兼有各種二級結構,彼此並無一定的比例。
三種顯示蛋白質三維結構的方式。圖中蛋白質爲磷酸丙糖異構酶(triose phosphate isomerase)。左:顯示全部原子,並以原子類型標色(碳原子爲藍綠色,氧原子爲紅色,氮原子爲藍色);中:隻顯示主鏈構象,以二級結構類型標色(α螺鏇爲紫色,β摺叠爲黄色);右:顯示“溶劑可及表面”,以殘基類型標色(酸性氨基酸爲紅色,鹼性氨基酸爲藍色,極性氨基酸爲綠色,非極性氨基酸爲白色)

三級結構

 
  指蛋白質分子或亞基内所有原子的空間排布,但不包括亞基間或分子間的空間排列關係。可以理解爲蛋白質分子内的肽鏈在二級結構的基礎上(包括無規卷曲線團)在三維空間進一步摺叠,盤曲形成包括蛋白質分子主鏈和側鏈全部在内的專一性三維排布。可以說,所有具有重要生物功能的蛋白質都有嚴格的特定的三級結構。

  蛋白質分子複雜的立體結構,是依靠複雜的作用力體系來穩定的,共價鍵和次級鍵均起重要的作用,如二硫鍵、氫鍵、疏水鍵、離子和範德華鍵,其中次級鍵占重要地位。

四級結構

 
  指蛋白質亞基的立體排布,亞基間的相互作用與接觸部位的布局,但不包括亞基内部的空間結構。多亞基蛋白質中亞基的數目、類型、亞基間的空間排布、亞基間的相互作用和接觸部位的布局等都是蛋白質四級結構的範疇。

  在寡聚體中的蛋白質亞基,有完全相同的,也有不同的。如過氧化物酶由4個相同的亞基構成,而血紅蛋白分子則是由兩種亞基 (α和β)各一對組成。四級結構對蛋白質的功能具有重要意義。

  蛋白質並不完全是剛性分子。許多蛋白質在執行生物學功能時可以在多個相關結構中相互轉換。在進行功能型結構重排時,這些相關的三級或四級結構通常被定義爲不同“構象”,而這些結構之間的轉換就被稱爲“構象變換”。例如,酶的構象變換常常是由底物結合到活性位點所導致。在溶液中,所有的蛋白質都會發生結構上的動態變化,主要表現爲熱振動和與其他分子之間碰撞所導致的運動。
細胞色素c的NMR溶液結構,顯示了蛋白質的動態結構

  蛋白質可以由三級結構的不同大致分爲三個主要類别:球蛋白、纖維蛋白和膜蛋白。幾乎所有的球蛋白都是水溶性的,許多酶都是球蛋白;纖維蛋白多爲結構蛋白;膜蛋白常常作爲受體或分子通道,是細胞與外界聯繫的重要介質。

  要了解特定蛋白質的功能,穫得其三級結構或四級結構可以提供重要的結構信息。目前用於蛋白質的原子分辨率結構測定的方法主要是X射線晶體學和NMR光譜學。冷凍電子顯微學也可以提供超大蛋白質複合物(如病毒、核糖體等)的低分辨率結構信息。而電子晶體學在一些情況下也可以提供較高分辨率的結構信息,特别是對於膜蛋白的二維晶體。解析的結構(包括原子坐標和結構解析的相關信息)通常存放到蛋白質數據庫(PDB),供全世界研究者免費下載。結構預測也可以爲未知結構(實驗結構)的蛋白質提供結構信息。

蛋白質的生物化學性質


蛋白質結構中亮氨酸(肽鍵左側)和丙氨酸(肽鍵右側)通過肽鍵(用圈標出)連接在一起。其中,碳原子顯示爲綠色,氧原子爲紅色,氮原子爲藍色,並且沒有顯示氫原子
  蛋白質是由不同的L型α氨基酸所形成的線性聚合物。目前在絕大多數已鑒定的天然蛋白質中發現的氨基酸有20種(參見標准蛋白氨基酸列表)。不過在自然界中還存在着一些特殊的氨基酸,例如在一種海洋寡毛綱小蠕蟲Olavius algarvensis以及與之存在共生關係的細菌δ1(該細菌屬於δ變形菌)中存在着高含量的硒代半胱氨酸(Selenocysteine),由原本爲終止密碼子的UGA編碼,和吡咯賴胺酸(Pyrrolysine),由終止密碼子UAG編碼。

  所有氨基酸都有共同的結構特征,包括與氨基連接的α碳原子,一個羧基和連接在α碳原子上的不同的側鏈。但脯氨酸有着與這種基本結構不同之處:它含有一個側鏈與氨基連接在一起所形成的特殊的環狀結構,使得其氨基在肽鍵中的構象相對固定。標准氨基酸的側鏈是構成蛋白質結構的重要元素,它們具有不同的化學性質,因此對於蛋白質的功能至關重要。多肽鏈中的氨基酸之間是通過脱水反應所形成的肽鍵來互相連接;一旦形成肽鍵成爲蛋白質的一部分,氨基酸就被稱爲“殘基”,而連接在鏈的碳、氮、氧原子被稱爲“主鏈”或“蛋白質骨架”。由於肽鍵有兩種共振態,具有一定的雙鍵特性,使得相鄰α碳之間形成肽平面;而肽鍵兩側的二面角確定了蛋白質骨架的局部形態。

  由於氨基酸的非對稱性(兩端分别具有氨基和羧基),蛋白質鏈具有方向性。蛋白質鏈的起始端有自由的氨基,被稱爲N端或氨基端;尾端則有自由的羧基,被稱爲C端或羧基端。

  “蛋白質”、“多肽”和“肽”這些名詞的含義在一定程度上有重叠,經常容易混淆。“蛋白質”通常指具有完整生物學功能並有穩定結構的分子;而“肽”則通常指一段較短的氨基酸寡聚體,常常沒有穩定的三維結構。然而,“蛋白質”和“肽”之間的界限很模糊,通常以20-30個殘基爲界。“多肽”可以指任何長度的氨基酸線性單鏈分子,但常常表示缺少穩定的三級結構。

蛋白質的功能


  蛋白質是細胞中的主要功能分子。除了特定類别的RNA,大多數的其他生物分子都需要蛋白質來調控。蛋白質也是細胞中含量最爲豐富的分子之一;例如,蛋白質占大腸杆菌細胞幹重的一半,而其他大分子如DNA和RNA則隻分别占3%和20%。在一個特定細胞或細胞類型中表達的所有蛋白被稱爲對應細胞的蛋白質組。

肌球蛋白三維結構的飄帶圖,其主要由α螺鏇所構成
  與其他生物大分子(如多糖和核酸)一樣,蛋白質是地球上生物體中的必要組成成分,參與了細胞生命活動的每一個進程。酶是最常見的一類蛋白質,它們催化生物化學反應,尤其對於生物體的代謝至關重要。除了酶之外,還有許多結構性或機械性蛋白質,如肌肉中的肌動蛋白和肌球蛋白,以及細胞骨架中的微管蛋白(參與形成細胞内的支撑網絡以維持細胞外形)。另外一些蛋白質則參與細胞信號傳導、免疫反應、細胞黏附和細胞周期調控等。同時,蛋白質也是人們日常飲食中必需的營養物質,這是因爲動物自身無法合成所有必需氨基酸;通過消化所攝入的蛋白質食物(將蛋白質降解爲氨基酸),人體就可以將吸收的氨基酸用於自身的蛋白質合成。

  蛋白質能夠在細胞中發揮多種多樣的功能,涵蓋了細胞生命活動的各個方面:發揮催化作用的酶;參與生物體内的新陳代謝的調劑作用,如胰島素;一些蛋白質具有運輸代謝物質的作用,如離子泵和血紅蛋白;發揮儲存作用,如植物種子中的大量蛋白質,就是用來萌發時的儲備;許多結構蛋白被用於細胞骨架等的形成,如肌球蛋白;還有免疫、細胞分化、細胞凋亡等過程中都有大量蛋白質參與。

  蛋白質功能發揮的關鍵在於能夠特異性地並且以不同的親和力與其他各類分子,包括蛋白質分子結合。蛋白質結合其他分子的區域被稱爲結合位點,而結合位點常常是從蛋白質分子表面下陷的一個“口袋”;而結合能力與蛋白質的三級結構密切相關,因爲結構決定了結合位點的形狀和化學性質(即結合位點周圍的氨基酸殘基的側鏈的化學性質)。蛋白質結合的緊密性和特異性可以非常高;例如,核糖核酸酶抑制蛋白可以與人的血管促生蛋白angiogenin以亞飛摩爾(sub-femtomolar,即<10-15 M)量級的解離常數進行結合,但卻完全不結合(解離常數>1 M)angiogenin在兩棲動物中的同源蛋白抗腫瘤核糖核酸酶(onconase)。非常微小的化學結構變化,如在結合位點的某一殘基側鏈上添加一個甲基基團,有時就可以幾乎完全破壞結合;例如,氨醯tRNA合成酶可以分辨側鏈結構非常類似的纈氨酸和異亮氨酸,而這兩種氨基酸的差别就在於異亮氨酸的側鏈多出一個甲基。相同的蛋白質分子結合在一起就可形成同源寡聚體或多聚體,有些多聚體可以形成纖維;而這些形成纖維的蛋白質往往是結構蛋白,它們在單體狀態下是球蛋白,通過自結合來形成剛性的纖維。蛋白-蛋白相互作用可以調控酶的活性和細胞周期中的各種進程,並可以使大型的蛋白質複合物得以形成,這樣可以將參與同一生物學功能的分子結合到一起,從而提高其工作效率;而結合所誘導的蛋白構象變化對於複雜的信號傳導網絡的構建也是必不可少的。還有一些蛋白質(如膜蛋白)可以結合或者插入到細胞膜中。

催化功能

 
  有催化功能的蛋白質稱酶,生物體新陳代謝的全部化學反應都是由酶催化來完成的,器官的分化、腫瘤細胞的轉化等也和酶的活動有關。

運動功能

 
  從最低等的細菌鞭毛運動到高等動物的肌肉收縮都是通過蛋白質實現的。肌肉的松弛與收縮主要是由以肌球蛋白爲主要成分的粗絲以及以肌動蛋白爲主要成分的細絲相互滑動來完成的。這一過程中還有很多具有調節功能的蛋白質參加。自60年代始相繼發現在很多植物以及原生生物中也有運動蛋白。其中有一些與肌肉收縮蛋白相似,也有一些是完全不同的,如微管蛋白、鞭毛蛋白等。

運輸功能

 
  在生命活動過程中,許多小分子及離子的運輸是由各種專一的蛋白質來完成的,例如在血液中,血漿白蛋白運送小分子、紅細胞中的血紅蛋白運送氧氣和二氧化碳等。

機械支持和保護功能

 
  高等動物的具有機械支持功能的組織如骨、結締組織以及具有覆蓋保護功能的毛發、皮膚、指甲等組織主要是由膠原、角蛋白、彈性蛋白等組成。

免疫和防禦功能

 
  生物體爲了維持自身的生存,擁有多種類型的防禦手段,其中不少是靠蛋白質來執行的。例如抗體即是一類高度專一的蛋白質,它能識别和結合侵入生物體的外來物質,如異體蛋白質、病毒和細菌等,取消其有害作用。

調節功能

 
  在維持生物體正常的生命活動中,代謝機能的調節,生長發育和分化的控制,生殖機能的調節以及物種的延續等各種過程中,多肽和蛋白質激素起着極爲重要的作用。此外,尚有接受和傳遞調節信息的蛋白質,如各種激素的受體蛋白等。

  蛋白質作爲生命活動中起重要作用的生物大分子,與一切揭開生命奧祕的重大研究課題都有密切的關係。蛋白質是人類和其他動物的主要食物成分,高蛋白膳食是人民生活水平提高的重要標志之一。許多純的蛋白質制劑也是有效的藥物,例如胰島素、人丙種球蛋白和一些酶制劑等。在臨床檢驗方面,測定有關酶的活力和某些蛋白質的變化可以作爲一些疾病臨床診斷的指標,例如乳酸脱氫酶同工酶的鑒定可以用作心肌梗塞的指標,甲胎蛋白的升高可以作爲早期肝癌病變的指標等。在工業生產上,某些蛋白質是食品工業及輕工業的重要原料,如羊毛和蠶絲都是蛋白質,皮革是經過處理的膠原蛋白。在制革、制藥、繅絲等工業部門應用各種酶制劑後,可以提高生產效率和產品質量。蛋白質在農業、畜牧業、水產養殖業方面的重要性,也是顯而易見的。

蛋白質結構和功能的關係

 

變性和複性

 
  蛋白質分子在受到外界的一些物理和化學因素的影響後,分子的肽鏈雖不裂解,但其天然的本體結構遭致改變和破壞,從而導致蛋白質生物活性的喪失和其他的物理、化學性質的變化,這一現象稱爲蛋白質的變性。早在1931年中國生物化學家吳憲就首次提出了正確的變性作用理論。

  引起蛋白質變性的主要因素有:①溫度。許多溶液中的蛋白質在溫度升高至50~60℃以上時,就會變性。熱變性常引起蛋白質的聚合和沉澱,一般難於複性;②酸鹼度。蛋白質溶液的過高或過低的pH值均會破壞蛋白質結構的穩定性,從而導致變性;③有機溶劑。通過影響蛋白質分子内的靜電力,氫鍵和疏水作用,有機溶劑常誘導蛋白質的變性;④脲和鹽酸胍。這是應用最廣泛的蛋白質變性試劑。一般認爲,這類試劑的變性作用在於它們使蛋白質分子内部的疏水基團暴露於溶劑中;⑤去垢劑和芳香環化合物。去垢劑如十二烷基硫酸鈉 (SDS)很易引起多亞基蛋白質解離爲單亞基蛋白質和亞基的變性。一些多環化合物,如蒽和菲,也都能引起蛋白質的變性。

  蛋白質的變性有很大的範圍,可以是少數側鏈取向的改變,也可以是所有原子的空間位置都發生顯著變化。蛋白質的變性常伴隨有下列現象:①生物活性的喪失。蛋白質的生物活性是指其所具有的酶、激素、毒素、抗體等專一的活性以及其他的特殊性質,如血紅蛋白的載氧能力,肌球蛋白和肌動蛋白相互結合的能力等。當蛋白質發生變性時,生物活性就會部分或全部喪失,這是蛋白質變性的最主要特征;②化學性質的改變。表現在一些側鏈基團的暴露。蛋白質在變性時,由於肽鏈的伸展,使得有些原來隱藏在分子内部而不易與化學試劑起反應的側鏈活性基團暴露出來,如半胱氨酸中的SH基,酪氨酸中的苯酚基等。化學性質的改變還表現在蛋白質變性後,易爲蛋白酶所水解,水解部位增多,被水解的速度有很大的提高;③物理性質的改變。大多數天然的球狀蛋白質均可結晶,但變性後即失去結晶能力。蛋白質變性後,溶解度降低。肽鏈的伸展使分子的不對稱程度提高,這往往導致粘度增加,擴散系數降低,鏇光值改變以及出現流動雙摺射等一系列物理性質的變化。

  在變性因素去除以後,變性的蛋白質分子又可重新回複到變性前的天然的構象,這一現象稱爲蛋白質的複性。蛋白質的複性有完全複性、基本複性或部分複性。隻有少數蛋白質在嚴重變性以後,能夠完全複性。一般認爲,大多數蛋白質不能完全複性的原因在於變性態可能處在一個非天然的亞穩態,或者由於天然結構本身可能在熱力學上就不是一個總體能量最低的狀態。

  蛋白質變性和複性的研究,對了解體内體外的蛋白質分子的摺叠過程十分重要。主要通過蛋白質的變性和複性的研究,肯定了蛋白質摺叠的自發性,證實了蛋白質分子的特征三維結構僅僅決定於它的氨基酸序列。在這方面作出重要貢獻的典型研究實例是美國C.B.安芬森小組關於牛胰核糖核酸酶的變性和複性的研究。牛胰核糖核酸酶含有124個氨基酸殘基,由8個巰基配對組成4對二硫鍵。可以計算出酶分子中8個巰基組成4對二硫鍵的可能方式有105種,這就提供了一個定量估算複性重組的指標。在溫和的鹼性條件下,8摩爾的濃脲和大量巰基乙醇能使四對二硫鍵完全還原,整個分子變爲無規則卷曲狀,酶分子變性。透析去除脲,在氧的存在下,二硫鍵重新形成,酶分子完全複性,二硫鍵中成對的巰基都與天然一樣,複性分子可以結晶且具有與天然酶晶體相同的X射線衍射花樣,從而證實,酶分子在複性過程中,不僅能自發地重新摺叠,而且隻選擇了105種二硫鍵可能配對方式中的一種。

蛋白質的激活

 
  活性蛋白質分子在生物體内剛合成時,常常不呈現活性,即不具有這一蛋白質的特定的生物功能。要使蛋白質呈現其生物活性,一個非常普遍的現象是,蛋白質分子的肽鏈在一些生化過程中必須按特定的方式斷裂。例如許多酶有一個不具有活性的前體,稱爲酶原。酶原經過專一的蛋白水解酶的作用,將某一特定的肽鏈斷裂,切去一段或幾段肽鏈以後,變成有活性的酶,使無活性的酶原變成有活性的酶的過程稱爲酶原的激活作用。此外,許多蛋白質激素也有前體。如胰島素原,在A鏈N端與B鏈C端之間有一段C肽,經專一的酶水解而釋放出C肽,變成胰島素。

  蛋白質的激活是生物的一種調控方式,這類現象在各種重要的生命活動中廣泛存在,如血纖維蛋白原到血纖維蛋白的轉化;又如在噬菌體的外殼蛋白的裝配過程中,也有大量的前體肽鏈斷裂的情況。

亞基的調節

 
  很多蛋白質由亞基組成,這類蛋白質在完成其生物功能時,在效率和反應速度的調節方面,很大程度上依賴於亞基之間的相互關係。如血紅蛋白和肌紅蛋白在不同的組織中都結合氧,但前者輸氧後者貯存氧,任務不同。從結構上看肌紅蛋白僅有一條肽鏈,而血 紅蛋白有四條以非共價鍵結合的肽鏈 (兩條α-鏈和兩條β-鏈),即有4個亞基。盡管血紅蛋白的亞基和肌紅蛋白肽鏈在一級、二級、三級結構方面很相似,但由於血紅蛋白有四級結構,因此血紅蛋白和肌紅蛋白的氧結合曲線有很大不同,血紅蛋白爲S形曲線,肌紅蛋白爲雙曲線,這是由於血紅蛋白分子對氧的結合是 4個亞基協同作用的結果。當第一個α-亞基和氧結合時,其立體結構發生改變,通過亞基之間的相互作用,引起其餘亞基的立體結構的變化,從而提高其餘亞基對氧的親和力,這種現象也稱爲别構效應。

  亞基參與蛋白質功能的調節是一個相當普遍的現象,特别在調節酶的催化功能方面。有些酶存在和活性部位不重叠的别構部位,别構部位和别構配體相結合後,引起酶分子立體結構的變化,從而導致活性部位立體結構的改變,這種改變可能增進,也可能鈍化酶的催化能力。這樣的酶稱爲别構酶。已知的别構酶在結構上都有兩個或兩個以上的亞基。例如天冬氨酸轉氨甲醯酶是一個具有6個催化亞基和6個調節亞基的12聚體。胞嘧啶核苷三磷酸是這一酶的别構配體,它能首先和酶的調節亞基相結合,引起調節亞基立體結構的變化,這一變化傳導至催化亞基,導致酶的催化活力降低。

蛋白質合成


生物合成


  編碼一個蛋白質氨基酸序列的基因的DNA序列每一種蛋白質都有自己獨特的氨基酸序列,而氨基酸序列的組成信息則由編碼對應蛋白質的基因的核苷酸序列所決定。遺傳密碼是一套由三個核苷酸組成的密碼子,每一種三個核苷酸的組合可以編碼一種特定氨基酸,如mRNA上的AUG(在DNA中爲ATG)編碼甲硫氨酸。由於DNA含有四種核苷酸(A、T、C、G),所以對應的可能的密碼子有4×4×4=64種;而標准氨基酸隻有20種,因此有部分密碼子是冗餘的,即部分氨基酸可以由多個不同的密碼子所編碼。DNA中的基因首先在RNA聚合酶等蛋白質的作用下被轉錄爲前mRNA。在大多數生物體中,前mRNA(或初始轉錄產物)要經過轉錄後修飾以形成成熟的mRNA,隨後mRNA就可以經由核糖體被用作蛋白質合成的模板。在原核生物中,mRNA可能可以在生成後被直接用於蛋白質合成,或者在離開類核後就結合核糖體。而在真核生物中,mRNA在細胞核中被合成,然後通過核膜被轉運到細胞質中;在細胞質中,mRNA才可以被用於蛋白質合成。原核生物的蛋白質合成速率可以達到每秒20個氨基酸,要高於真核生物。

  從一個mRNA模板合成一個蛋白質的過程被稱爲翻譯。在翻譯過程中,mRNA被一些蛋白質擕帶到核糖體上;然後核糖體在mRNA上從5'端到3'端尋找起始密碼子(大多數情況下爲AUG);找到起始密碼子後,即核糖體上起始tRNA的反密碼子與起始密碼子配對後,翻譯就可以開始進行;在起始密碼子後,核糖體每一次閱讀三個核苷酸(或一個密碼子),同樣是通過擕帶對應氨基酸的tRNA上反密碼子與密碼子配對。其中,氨醯tRNA合成酶可以將tRNA分子與正確的氨基酸連接到一起。不斷延長的多肽鏈通常被稱爲“新生鏈”。生物體中的蛋白質合成總是從N-端到C-端。

  合成的蛋白質的大小可以通過其含有的氨基酸數目或者其分子量(以道爾頓或千道爾頓,即kDa爲單位)來衡量。酵母蛋白的平均長度爲466個氨基酸或平均分子量爲53kDa。目前已知的最大蛋白質是titin,titin是肌肉中肌節的組分之一,其分子量爲近3,000 kDa,含有近27,000個氨基酸。

化學合成


  除了生物合成外,一些小的蛋白質可以通過多種化學途徑來合成,這些合成方法又被稱爲肽合成,其依賴於有機合成技術,如化學連接來高通量生產肽。化學合成允許在合成的肽鏈中引入非天然氨基酸,如加入熒光標記的氨基酸。這些合成方法所合成的產物被大量應用於生物化學和細胞生物學實驗。但是,化學合成無法有效合成殘基數多於300的蛋白質,而且合成的蛋白質可能不具有天然的三級結構。大多數化學合成方法都是從C-端到N-端進行合成,剛好和生物合成反應的方向相反。

研究簡史


  在18世紀,安東尼奧·弗朗索瓦(Antoine Fourcroy)和其他一些研究者發現蛋白質是一類獨特的生物分子,他們發現用酸處理一些分子能夠使其凝結或絮凝。當時他們注意到的例子有來自蛋清、血液、血清白蛋白、纖維素和小麥面觔里的蛋白質。荷蘭化學家Gerhardus Johannes Mulder對一般的蛋白質進行元素分析發現幾乎所有的蛋白質都有相同的實驗公式。

  1820年H.布拉孔諾發現甘氨酸和亮氨酸,這是最初被鑒定爲蛋白質成分的氨基酸,以後又陸續發現了其他的氨基酸。1849年K.B.賴歇特穫得了馬血紅蛋白的晶體,開始了純化各種蛋白質的工作;以後G.J.米爾德等人系統地研究了蛋白質的元素組成,發現它與其他有機分子一樣,是一種特定的分子實體。到19世紀末已經搞清蛋白質主要是由一類相當簡單的有機分子──氨基酸所組成。1902年E.菲舍爾和F.霍夫邁斯特各自獨立地闡明了在蛋白質分子中將氨基酸連接在一起的化學鍵是肽鍵;1907年E.菲舍爾又成功地用化學方法連接了18個氨基酸首次合成了多肽,從而建立了作爲蛋白質化學結構基礎的多肽理論。1923年T.斯韋德貝里建立了超離心分析技術,並應用到蛋白質的分子量測定。1939年T.斯韋德貝里提出了純的蛋白質是一種分子量相同的均一大分子的概念。

  20世紀30~40年代,由於生物化學及其他有關的方法和技術的建立和發展,人們開始研究蛋白質的分子構造和理化性質,其間,超離心技術(T.斯韋德貝里,1930),電泳技術 (A.W.K.蒂塞利烏斯,1933),分配層析(鈕貝格,1938),凝膠層析(A.J.P.馬丁和R.L.M.辛格,1941),紙層析(R.康斯登等,1944)技術以及光散射測量,粘度測量,擴散技術等,對分離,純化蛋白質和了解蛋白質的性質均有卓越的貢獻。1947年F.桑格發現一種可以辨認蛋白質氨基端殘基的試劑(1-氟-2,4-二硝基苯),使蛋白質的氨基酸序列分析成爲可能。1955年F.桑格成功地測定了胰島素分子的全部氨基酸序列,這是第一個被闡明了氨基酸序列結構的蛋白質。此後,已有上千種,包括分子量大於10萬的蛋白質的氨基酸序列結構被闡明,這對深入研究蛋白質結構和功能的關係起了重要的作用,也是分子遺傳學和遺傳工程發展的重要基礎之一,同時還把生物分類,進化等古老學科推向嶄新的分子水平。

  著名化學家萊納斯·鮑林成功地預測了基於氫鍵的規則蛋白質二級結構,而這一構想最早是由威廉·阿斯特伯里於1933年提出。隨後,Walter Kauzman在總結自己對變性的研究成果和之前Kaj Linderstrom-Lang的研究工作的基礎上,提出了蛋白質摺叠是由疏水相互作用所介導的。1949年,弗雷德里克·桑格首次正確地測定了胰島素的氨基酸序列,並驗證了蛋白質是由氨基酸所形成的線性(不具有分叉或其他形式)多聚體。原子分辨率的蛋白質結構首先在1960年代通過X射線晶體學穫得解析;到了1980年代,NMR也被應用於蛋白質結構的解析;近年來,冷凍電子顯微學被廣泛用於對於超大分子複合體的結構進行解析。截至到2008年2月,蛋白質數據庫中已存有接近50,000個原子分辨率的蛋白質及其相關複合物的三維結構的坐標。

蛋白質研究方法


  蛋白質是被研究得最多的一類生物分子,對它們的研究包括“體内”(in vivo)和“體外”(in vitro)。體外研究多應用於純化後的蛋白質,將它們置於可控制的環境中,以期穫得它們的功能信息;例如,酶動力學相關的研究可以揭示酶催化反應的化學機制和與不同底物分子之間的相對親和力。而體内研究實驗着重於蛋白質在細胞或者整個組織中的活性作用,從而可以了解蛋白質發揮功能的場所和相應的調節機制。

蛋白質純化


  爲了進行in vitro研究,必須先將目的蛋白質從其他細胞組分中分離提純出來。這一過程通常從細胞裂解開始(對於分泌性蛋白質的提純則不需要裂解細胞),通過破壞細胞膜將細胞内含物釋放到溶液中,從而穫得含有目的蛋白質的細胞裂解液。然後通過超速離心將細胞裂解液中膜脂和膜蛋白、細胞器、核酸以及含有可溶蛋白質的混合物。鹽析法是一種較爲常用的通過沉澱從裂解液中分離濃縮蛋白質的方法。基於目的蛋白質的化學性質(如分子量、帶電情況和結合活性),可以利用不同的色譜法來進一步分離提純蛋白質。純化的程度可以用電泳(已知目的蛋白質的分子量)、光譜學(目的蛋白質具有獨特的光譜學特征)或者酶活分析反應(目的蛋白質具有特定的酶活性)來衡量。

  對於天然蛋白質,可能需要一系列的純化步驟才能穫得純度足以用於實驗室應用的蛋白質。爲了簡化這一過程,通常采用基因工程的手段在目的蛋白質上添加一些化學特性,在不改變其結構和生物學活性的情況下使純化過程更爲簡單。通常是將含有特定氨基酸序列的“標籤”連接在目的蛋白質的N-端或C-端。例如,含有連續多個組氨酸的序列,稱爲組氨酸標籤(His-tag);將含有帶組氨酸標籤蛋白質的裂解液流過含有鎳的親和層析柱,組氨酸就可以與鎳螯合從而結合在柱子上,而裂解液中其他蛋白質由於沒有組氨酸標籤而直接流出柱子,從而達到分離目的。通過基因工程(即DNA重組)改造而穫得的蛋白質被稱爲重組蛋白質。

細胞内定位


  in vivo的蛋白質研究常常專注於蛋白質在細胞中的合成和定位。雖然已經知道許多細胞内蛋白質是在細胞質中合成,而膜結合蛋白質或分泌性蛋白質是在内質網中合成,但蛋白質定位到特定細胞器或細胞結構的特異性是如何達到的,目前還不清楚。一些有助於穫得特定蛋白質在細胞中定位的方法得到了發展,特别是用基因工程將目的蛋白質上連接上“報告者”(如綠色熒光蛋白),將這樣的融合蛋白在細胞中表達後,就可以通過顯微鏡觀察熒光來了解融合蛋白在細胞中的分布。

  另一種常用的同樣是基因工程的方法爲定點突變。利用這一方法,研究者可以改變蛋白質序列,從而改變其結構、細胞内定位以及調控機制;而這些改變可以在in vivo的情況下通過連接綠色熒光蛋白,或者在in vitro的情況下通過酶動力學的方法以及結合實驗進行觀察。

蛋白質組學與生物信息學


  在一定時間内一個細胞或一類細胞中存在的所有蛋白質被稱爲蛋白質組,研究如此大規模的數據的領域就被稱爲蛋白質組學,與基因組學的命名方式相似。蛋白質組學中關鍵的實驗技術包括用於檢測細胞中大量種類蛋白質相對水平的蛋白質微陣列技術,和用於系統性研究蛋白-蛋白相互作用的雙雜交篩選技術。此外,還有探究所有組分之間的可能的生物學相互作用的相互作用組學,以及系統性地解析蛋白質結構,並揭示其中的可能的摺叠類型的結構基因組學。

  目前各類數據庫中含有許多種類的生物體的大量的基因組和蛋白質組數據,包括人類基因組的數據;要對這些數據進行分析已穫得有用的信息,就需要用到近來來發展起來的新興學科──生物信息學。生物信息學的發展使得現在研究者可以通過序列比對有效地鑒定相關生物體的同源蛋白質。利用序列信息推導工具(sequence profiling tool)可以對更特異地對序列進行分析,如限制酶圖譜、針對核酸序列的開放閱讀框架分析以及二級結構預測。利用特定軟件,如ClustalW,可以從序列信息中可以構造出系統樹並進行進化分析。生物信息學的研究領域包括集合、注釋和分析基因組和蛋白質組數據,這就需要應用計算技術於生物學問題,如基因識别和支序分類。

結構預測與模擬


  作爲結構基因組研究的互補,蛋白質結構預測的目標是發展出有效的能夠提供未知結構(未通過實驗方法得到)蛋白質的可信的結構模型。目前最爲成功的結構預測方法是同源建模;這一方法是利用序列相似的蛋白質(已知結構)的結構作爲“模板”。而結構基因組的目標正是通過解析大量蛋白質的結構來爲同源建模提供足夠的模板以穫得剩餘的未解析的同源蛋白結構。從序列相似性較差的模板計算出精確的結構模型對於同源建模法還是一個挑戰,問題在於序列比對准確性的影響,如果能夠穫得“完美”的比對結果,則能夠穫得精確的結構模型。許多結構預測方法已經被用於在蛋白質工程領域,在這些方法的幫助下,研究者們設計出一些新型的蛋白質摺叠類型。更爲複雜的結構計算是預測蛋白質分子之間的相互作用,需要應用分子對接法和蛋白-蛋白相互作用預測。

  利用分子動力學的方法可以模擬蛋白質的摺叠和結合過程。通過分布式計算,如Folding@Home計劃,爲分子動力學模擬注入了活力。小的α螺鏇蛋白結構域,如villin的頭部和HIV輔助蛋白已經成功地在計算機中(in silico)被模擬。將分子動力學和量子力學相結合的方法已經被用於探索視網膜色素分子的電子態。

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