蛋白質

蛋白質是一種復雜的有機化合物，有些情況下可以用“朊”字來指代蛋白質^[1]。蛋白質是由氨基酸分子呈線性排列所形成，相鄰氨基酸殘基的羧基和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“標準”氨基酸，在蛋白質中，某些氨基酸殘基還可以被翻譯后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復合物，發揮某一特定功能。

蛋白質是動物、植物和微生物等生物細胞的主要成分，是一類高分子含氮的有機化合物的總稱。蛋白質是活細胞的組成成分，也是作為維持細胞生活的活性物質（如酶等），與生命現象密切相關的物質，它在體內不斷地進行代謝循環，而在外觀上似乎保持著恒定狀態。蛋白質是由各種L-α-氨基酸類（H₂N－CHR－COOH，R=H即甘氨酸）彼此返復以肽鍵（……CO－NH……）結合而形成的多肽鏈（H₂N－CHR₁－CO－NH－CHR₂－CO－NHR₃－CO……）。由于蛋白質種類的不同，其所含氨基酸的種類、數量及其結合順序都不相同，其分子的大小是多種多樣的。從鯡魚和鮭的精子蛋白的魚精蛋白分子量為4千左右直到病毒類那種具有復雜的四級結構的分子量至數億。對水解后僅生成氨基酸的天然蛋白質稱為單純蛋白質。對水解后除產生氨基酸外，還有其他有機物質的稱為結合蛋白質。前者根據溶解度與其來源而分別稱為清蛋白、球蛋白、醇溶谷蛋白、谷蛋白、硬蛋白、組蛋白、魚精蛋白。后者依其所含有的非氨基酸有機物而分別稱為核蛋白質、糖蛋白、核糖蛋白、磷脂蛋白、色素蛋白等。此外雖然不是天然蛋白質，但多少進行變化而產生的一族衍生蛋白質則有：白明膠、胨、等。除硬蛋白質外，蛋白質溶于水或稀鹽溶液而形成膠體溶液，蛋白質溶液可通過加入醇、丙酮等有機溶劑、硫酸銨等中性鹽和三氯醋酸、硫柳酸、生物堿試劑、重金屬鹽等而使蛋白質沉淀，因此可用來對蛋白質的檢出、去除和提純。為了檢出蛋白質和蛋白質中含有的氨基酸，可用雙縮脲反應、米倫（Millon′s）反應、黃色蛋白反應、阿達姆凱威斯（adam－kiewiez）反應、李伯曼（Libermann）反應、毛利斯（Molis－ch）反應等各種顯色反應。為了正確分析組成蛋白質的氨基酸的種類和數量，通常可以將樣品加入過量的6N鹽酸于閉式管中，在110℃下處理約24-72小時，然后將水解產物放入以離子交換柱為主體的氨基酸自動分析儀中進行測定。蛋白質中氨基酸的組成和分子內氨基酸的排列順序，對每種生物和器官都各顯有其特征。也就是說蛋白質具有種屬和器官的特異性。天然蛋白質是不穩定的物質，因各種物理的（加熱、攪拌、薄膜化、紫外線及X線照射等）或化學的（尿素、有機溶劑酸、醇及數種鹽類處理等）原因而引起變性。通常，一般的天然蛋白質一旦注入與其不同的動物組織內，便會成為所謂的抗原，在注射過的動物血清中會形成免疫球蛋白，它能和注射蛋白之間引起特異性的抗原抗體反應。因此可利用這種性質用微量（樣品）就能判斷出兩種蛋白質的同一性。

與其他生物大分子（如多糖和核酸）一樣，蛋白質是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，尤其對于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（參與形成細胞內的支撐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，這是因為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（將蛋白質降解為氨基酸），人體就可以將吸收的氨基酸用于自身的蛋白質合成。

蛋白質這一概念最早是由瑞典化學家永斯·貝采利烏斯于1838年提出，但當時人們對于蛋白質在機體中的核心作用并不了解。1926年，詹姆斯·B·薩姆納揭示尿素酶是蛋白質，首次證明了酶是蛋白質。

第一個被測序的蛋白質是胰島素，由弗雷德里克·桑格完成，他也因此獲得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和肌紅蛋白的結構，所用方法為X射線晶體學；

該工作由馬克斯·佩魯茨和約翰·肯德魯于1958年分別完成，他們也因此獲得1962年度的諾貝爾化學獎。

歷史

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、纖維素和小麥面筋里的蛋白質。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。用“蛋白質”這一名詞來描述這類分子是由Mulder的合作者永斯·貝采利烏斯于1838年提出。Mulder隨后鑒定出蛋白質的降解產物，并發現其中含有為氨基酸的亮氨酸，并且得到它（非常接近正確值）的分子量為131Da。

對于早期的生物化學家來說，研究蛋白質的困難在于難以純化大量的蛋白質以用于研究。因此，早期的研究工作集中于能夠容易地純化的蛋白質，如血液、蛋清、各種毒素中的蛋白質以及消化性和代謝酶（獲取自屠宰場）。1950年代后期，Armour Hot Dog Co.公司純化了一公斤純的牛胰腺中的核糖核酸酶A，并免費提供給全世界科學家使用。目前，科學家可以從生物公司購買越來越多的各類純蛋白質。

著名化學家萊納斯·鮑林成功地預測了基于氫鍵的規則蛋白質二級結構，而這一構想最早是由威廉·阿斯特伯里于1933年提出。隨后，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，提出了蛋白質折迭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，并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射線晶體學獲得解析；到了1980年代，NMR也被應用于蛋白質結構的解析；近年來，冷凍電子顯微學被廣泛用于對于超大分子復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復合物的三維結構的坐標。^[2]

生物化學性質

細胞色素c的NMR溶液結構，顯示了蛋白質的動態結構。

蛋白質并不完全是剛性分子。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為不同“構象”，而這些結構之間的轉換就被稱為“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，主要表現為熱振動和與其他分子之間碰撞所導致的運動。

不同大小的蛋白質的分子表面。從左到右依次為：抗體（IgG）、血紅蛋白、胰島素、腺苷酸激酶和谷胺酰氨合成酶。

蛋白質可以由三級結構的不同大致分為三個主要類別：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；纖維蛋白多為結構蛋白；膜蛋白常常作為受體或分子通道，是細胞與外界聯系的重要介質。

要了解特定蛋白質的功能，獲得其三級結構或四級結構可以提供重要的結構信息。目前用于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復合物（如病毒、核糖體等）的低分辨率結構信息。^[3]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，特別是對于膜蛋白的二維晶體。^[4]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。結構預測也可以為未知結構（實驗結構）的蛋白質提供結構信息。

功能

蛋白質是細胞中的主要功能分子。^[5]除了特定類別的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為豐富的分子之一；例如，蛋白質占大腸桿菌細胞干重的一半，而其他大分子如DNA和RNA則只分別占3%和20%。[16]在一個特定細胞或細胞類型中表達的所有蛋白被稱為對應細胞的蛋白質組。

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；參與生物體內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；許多結構蛋白被用于細胞骨架等的形成，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于能夠特異性地并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為結合位點，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，因為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，[17]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，氨酰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別就在于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，并可以使大型的蛋白質復合物得以形成，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于復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。

催化作用

細胞中，酶是最被廣泛了解和研究最多的蛋白質，它的特點是催化細胞中的各類化學反應。酶的催化反應具有高度的專一性和極高的催化效率。酶在大多數與代謝和異化作用以及DNA的復制、修復和RNA合成等相關的反應中發揮作用。在翻譯后修飾作用中，一些酶（如激酶和磷酸酶）可以在其底物蛋白質上增加或去除特定化學基團（如磷酸基團）。目前已知的酶催化的反應有約4000種。[18]酶可以極大地加速其所催化的反應；例如，與沒有酶催化的情況相比，乳清酸核苷-5'-單磷酸脫羧酶（orotate decarboxylase）的加速作用最高可達10¹⁷倍（形象地說，在沒有酶的情況下完成反應需要七千八百萬年，而存在酶的情況下反應只需18毫秒）。[19]

結合于酶上，并在酶的作用下發生反應的分子被稱為底物。雖然酶分子通常含有數百個氨基酸殘基，但參與與底物結合的殘基只占其中的一小部分，而直接參與底物催化反應的殘基則更少（平均為3-4個殘基）。[20]這部分參與底物結合和催化的區域被稱為活性位點。有一些酶需要結合一些小分子（輔酶或輔因子）才能夠有效發揮催化作用。酶的活性還可以被酶抑制劑所抑制，或被酶激活劑所提高。

信號傳導和配基運輸

帶有綠色熒光蛋白標簽的蛋白質在不同的細胞區室和細胞結構中的分布圖。熒光以白色來顯示。左邊從上到下依次為，細胞核、內質網、質膜和線粒體；中間從上到下依次為，核小體、高爾基體、細胞質和微管；右邊從上到下依次為，核膜、溶酶體、中心體和微絲。

in vivo的蛋白質研究常常專注于蛋白質在細胞中的合成和定位。雖然已經知道許多細胞內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內質網中合成，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。一些有助于獲得特定蛋白質在細胞中定位的方法得到了發展，特別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后，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為定點突變。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、細胞內定位以及調控機制；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

在一定時間內一個細胞或一類細胞中存在的所有蛋白質被稱為蛋白質組，研究如此大規模的數據的領域就被稱為蛋白質組學，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于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，和用于系統性研究蛋白-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，并揭示其中的可能的折迭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獲得有用的信息，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并進行進化分析。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于生物學問題，如基因識別和支序分類。

結構預測與模擬

作為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。目前最為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）的結構作為“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為同源建模提供足夠的模板以獲得剩余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于同源建模法還是一個挑戰，問題在于序列比對準確性的影響，如果能夠獲得“完美”的比對結果，則能夠獲得精確的結構模型。[28]許多結構預測方法已經被用于在蛋白質工程領域，在這些方法的幫助下，研究者們設計出一些新型的蛋白質折迭類型。更為復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折迭和結合過程。通過分布式計算，如Folding@Home計劃，為分子動力學模擬注入了活力。小的α螺旋蛋白結構域，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于探索視網膜色素分子的電子態

營養作用

大多數微生物和植物能夠合成所有20種標準氨基酸；動物則由于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、甲硫氨酸和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，而只能合成部分氨基酸。因此，動物必須從食物中獲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獲取的氨基酸被稱為必需氨基酸。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于合成反應的能量。

動物所攝取的氨基酸來源于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，變性后的蛋白質被蛋白酶水解成氨基酸或小段的肽。隨后這些降解片斷就可以被吸收。部分吸收后的氨基酸被用于蛋白質的合成，其余的則通過糖異生作用被轉化為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別重要，此時機體可以利用自身的蛋白質，特別是肌肉中的蛋白質，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、榖類和蕈類等。人體中蛋白質缺乏可以導致全身浮腫、皮膚干燥病變、頭發稀疏脫色、肌肉重量減輕、免疫力下降等。[34]

食物中的蛋白質有時會引起過敏反應。

外部鏈結

• （英文）蛋白質數據庫（The Protein Databank）
• （英文）UniProt蛋白質資源
• （英文）Human Protein Atlas
• （英文）iHOP - Information Hyperlinked over Proteins
• （英文）NCBI Entrez的蛋白質數據庫
• （英文）NCBI的蛋白質結構數據庫
• （英文）人類蛋白質參考數據庫
• （英文）人類蛋白質百科
• （英文）斯坦福大學的Folding@Home
• （英文）Proteins: Biogenesis to Degradation - The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology
• （英文）氨基酸的代謝

參考資料

1. ^ . "在線新華字典查詢──朊".
2. ^ . "PDB Current Holdings Breakdown".
3. ^ Branden C, Tooze J. (1999). "Introduction to Protein Structure 2nd ed". Garland Publishing: New York, NY
4. ^ Gonen T, Cheng Y, Sliz P, Hiroaki Y, Fujiyoshi Y, Harrison SC, Walz T. (2005). "Lipid-protein interactions in double-layered two-dimensional AQP0 crystals". Nature 438(7068):633-8
5. ^ Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipurksy SL, Darnell J. (2004). "Molecular Cell Biology 5th ed". WH Freeman and Company: New York, NY
6. 相關文獻

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