蛋白質（十五）主要研究

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。荷蘭化學家格利特·馬爾德（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。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，提出了蛋白質折疊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，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。[4]

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“體內”（in vivo）和“體外”（in vitro）。體外研究多應用于純化后的蛋白質，將它們置于可控制的環境中，以期獲得它們的功能信息；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。而體內研究實驗著重于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。

抗癌作用

當癌細胞快速增生時，需要一種名為survivin的蛋白質的幫助。這種蛋白質由凋亡抑制基因Survivin編碼合成在癌細胞中含量很豐富，但在正常細胞中卻幾乎不存在。癌細胞與survivin蛋白的這種依賴性使得survivin自然成為制造新抗癌藥物的靶標，但是在怎樣對付survivin蛋白這個問題上卻仍有一些未解之謎。

Survivin蛋白屬于一類防止細胞自我破壞(即凋亡)的蛋白質。這類蛋白質主要通過抑制凋亡酶(caspases)的作用來阻礙其把細胞送上自殺的道路。以前一直沒有科學家觀察到survivin蛋白與凋亡酶之間的相互作用。也有其它跡象表明survivin蛋白扮演著另一個不同的角色——在細胞分裂后幫助把細胞拉開。

生物化學家GuySalvesen掌握了survivin蛋白的結構“并沒有澄清它是怎樣防止細胞自殺的疑點”。這些蛋白質配對的事實確實讓人驚奇，幾乎很難找到不重要的二聚作用區域。兩個蛋白質的接觸面將是抗癌癥藥物集中對付的良好靶標。

組學

在1996年前提到蛋白質組學（Proteomics），恐怕知之者甚少，而在略知一二者中，部分人還抱有懷疑態度。但是，2001年的Science雜志已把蛋白質組學列為六大研究熱點之一，其“熱度”僅次于干細胞研究，名列第二。蛋白質組學的受關注程度如今已令人刮目相看。

1．蛋白質組學研究的研究意義和背景

隨著人類基因組計劃的實施和推進，生命科學研究已進入了后基因組時代。在這個時代，生命科學的主要研究對象是功能基因組學，包括結構基因組研究和蛋白質組研究等。盡管已有多個物種的基因組被測序，但在這些基因組中通常有一半以上基因的功能是未知的。功能基因組中所采用的策略，如基因芯片、基因表達序列分析(Serial analysis of gene expression, SAGE)等，都是從細胞中mRNA的角度來考慮的，其前提是細胞中mRNA的水平反映了蛋白質表達的水平。但事實并不完全如此，從DNA mRNA 蛋白質，存在三個層次的調控，即轉錄水平調控(Transcriptional control )，翻譯水平調控(Translational control)，翻譯后水平調控(Post-translational control )。從mRNA角度考慮，實際上僅包括了轉錄水平調控，并不能全面代表蛋白質表達水平。實驗也證明，組織中mRNA豐度與蛋白質豐度的相關性并不好，尤其對于低豐度蛋白質來說，相關性更差。更重要的是，蛋白質復雜的翻譯后修飾、蛋白質的亞細胞定位或遷移、蛋白質－蛋白質相互作用等則幾乎無法從mRNA水平來判斷。毋庸置疑，蛋白質是生理功能的執行者，是生命現象的直接體現者，對蛋白質結構和功能的研究將直接闡明生命在生理或病理條件下的變化機制。蛋白質本身的存在形式和活動規律，如翻譯后修飾、蛋白質間相互作用以及蛋白質構象等問題，仍依賴于直接對蛋白質的研究來解決。雖然蛋白質的可變性和多樣性等特殊性質導致了蛋白質研究技術遠遠比核酸技術要復雜和困難得多，但正是這些特性參與和影響著整個生命過程。

2．蛋白質組學研究的策略和范圍

蛋白質組學一經出現，就有兩種研究策略。一種可稱為“竭澤法”，即采用高通量的蛋白質組研究技術分析生物體內盡可能多乃至接近所有的蛋白質，這種觀點從大規模、系統性的角度來看待蛋白質組學，也更符合蛋白質組學的本質。但是，由于蛋白質表達隨空間和時間不斷變化，要分析生物體內所有的蛋白質是一個難以實現的目標。另一種策略可稱為“功能法”，即研究不同時期細胞蛋白質組成的變化，如蛋白質在不同環境下的差異表達，以發現有差異的蛋白質種類為主要目標。這種觀點更傾向于把蛋白質組學作為研究生命現象的手段和方法。

早期蛋白質組學 profile），隨著學科的發展，蛋白質組學的研究范圍也在不斷完善和擴充。蛋白質翻譯后修飾研究已成為蛋白質組研究中的重要部分和巨大挑戰。蛋白質-蛋白質相互作用的研究也已被納入蛋白質組學的研究范疇。而蛋白質高級結構的解析即傳統的結構生物學，雖也有人試圖將其納入蛋白質組學研究范圍，但仍獨樹一幟。

3．蛋白質組學研究技術

可以說，蛋白質組學的發展既是技術所推動的也是受技術限制的。蛋白質組學研究成功與否，很大程度上取決于其技術方法水平的高低。蛋白質研究技術遠比基因技術復雜和困難。不僅氨基酸殘基種類遠多于核苷酸殘基（20/ 4）， 而且蛋白質有著復雜的翻譯后修飾，如磷酸化和糖基化等，給分離和分析蛋白質帶來很多困難。此外，通過表達載體進行蛋白質的體外擴增和純化也并非易事，從而難以制備大量的蛋白質。蛋白質組學的興起對技術有了新的需求和挑戰。蛋白質組的研究實質上是在細胞水平上對蛋白質進行大規模的平行分離和分析，往往要同時處理成千上萬種蛋白質。因此，發展高通量、高靈敏度、高準確性的研究技術平臺是相當一段時間內蛋白質組學研究中的主要任務。在國際蛋白質組研究技術平臺的技術基礎和發展趨勢有以下幾個方面：

3.2 蛋白質組研究中的樣品分離和分析

利用蛋白質的等電點和分子量通過雙向凝膠電泳的方法將各種蛋白質區分開來是一種很有效的手段。它在蛋白質組分離技術中起到了關鍵作用。如何提高雙向凝膠電泳的分離容量、靈敏度和分辨率以及對蛋白質差異表達的準確檢測是雙向凝膠電泳技術發展的關鍵問題。國外的主要趨勢有第一維電泳采用窄pH梯度膠分離以及開發與雙向凝膠泳相結合的高靈敏度蛋白質染色技術，如新型的熒光染色技術。

質譜技術是目前蛋白質組研究中發展最快，也最具活力和潛力的技術。它通過測定蛋白質的質量來判別蛋白質的種類。當前蛋白質組研究的核心技術就是雙向凝膠電泳－質譜技術，即通過雙向凝膠電泳將蛋白質分離，然后利用質譜對蛋白質逐一進行鑒定。對于蛋白質鑒定而言，高通量、高靈敏度和高精度是三個關鍵指標。一般的質譜技術難以將三者合一，而發展的質譜技術可以同時達到以上三個要求，從而實現對蛋白質準確和大規模的鑒定。

蛋白質的含氮量比較恒定，平均約為16%。

與身高的關系

據報道，第二次世界大戰期間，日本動物性食品供應不足，每人每年只平均供應2千克肉，12.5千克奶和奶制品，2.5千克蛋。當時12歲學生平均身高只有137.8厘米。戰后，日本經濟發展迅速，人民生活改善，動物性食品增多，每人每年食用肉達13千克，奶及奶制品25千克，蛋類15千克。1970年調查，12歲少年(少年食品)的身高已達147.1厘米，平均增高9.3厘米。從這個例子可以看出蛋白質(蛋白質食品)食物對少年兒童(兒童食品)增高所起的作用。

蛋白質是構成一切生命的主要化合物,是生命的物質基礎和第一要素,在營養素中占首要地位。少年兒童及嬰幼兒增高離不開蛋白質。人體的骨骼等組織是由蛋白質組成的。在體內新陳代謝的全部化學反應過程中,離不開酶的催化作用,而所有的酶均由蛋白質構成。對青少年增高起作用的各種激素,也都是蛋白質及其衍生物。此外,參與骨細胞分化、骨的形成、骨的再建和更新等過程的骨礦化結合素、骨鈣素、堿性磷酸酶、人骨特異生長因子等物質,也均為蛋白質所構成。所以,蛋白質是人體生長發育中最重要的化合物 ,是增高的重要原料。

嬰幼兒(嬰幼兒食品)、少年兒童生長發育所必需的脂溶性維生素(維生素食品)、鐵(鐵食品)、鈣、磷等無機鹽及部分微量元素(微量元素食品)，在蛋白質食物中也同時可以獲得。所以，有些兒童少年只喜歡吃素食(素食食品)，怕吃雞、魚、肉、蛋等葷菜，或是在家長的催督下才勉強吃一點，這種做法是不可取的，必然會導致因蛋白質缺乏而影響身高。

正確的膳食原則是食物要多樣，粗細要搭配，堅持以糧、豆、菜為主,適當增加肉、魚、蛋、奶的量，以補充身體發育的充足營養，保證身高增加的原料，促進個子長高。

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