蛋白質

蛋白質舊稱“朊”，常簡稱“蛋白”，是大型生物分子，或高分子，它由一個或多個由α-氨基酸殘基組成的長鏈條組成。α-氨基酸分子呈線性排列，相鄰α-氨基酸殘基的羧基和氨基透過肽鍵連線在一起，最後經過折疊形成有功能的立體結構。蛋白質的α-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α-氨基酸殘基還可以被改變原子的排序而發生化學結構的變化，從而對蛋白質進行啟用或調控。多個蛋白質和礦物質可以一起，往往是透過結合在一起形成穩定的蛋白質複合物，這樣的大分子結構就像機械一樣，來發揮某一特定功能。與其他生物大分子。另外一些蛋白質則參與細胞訊號傳導、免疫反應、細胞黏附和細胞週期調控等。同時，蛋白質也是動物飲食中必需的營養物質，這是因為動物自身無法合成所有蛋白氨基酸，動物需要和必須從食物中獲取必需氨基酸。透過消化過程將蛋白質降解為自由氨基酸，動物就可以將它們用於自身的代謝。生物化學性質.蛋白質是由不同的L型α氨基酸所形成的線性聚合物。目前在絕大多數已鑑定的天然蛋白質中發現的氨基酸有20種中存在著高含量的硒代半胱氨酸，由原本為終止密碼子的UGA編碼，和吡咯賴胺酸，由終止密碼子UAG編碼。所有氨基酸都有共同的結構特徵，包括與氨基連線的α碳原子，一個羧基和連線在α碳原子上的不同的側鏈。但脯氨酸有著與這種基本結構不同之處：它含有一個側鏈與氨基連線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。 標準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透過脫水反應所形成的肽鍵來互相連線；一旦形成肽鍵成為蛋白質的一部分，氨基酸就被稱為“殘基”，而連線在鏈的碳、氮、氧原子被稱為“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區域性形態。由於氨基酸的非對稱性，蛋白質鏈具有方向性。蛋白質鏈的起始端有自由的氨基，被稱為N端或氨基端；尾端則有自由的羧基，被稱為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疊，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個殘基為界。“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。合成.蛋白質生物合成.}-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資訊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，然後透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為轉譯。在轉譯過程中，mRNA被一些蛋白質攜帶到核糖體上；然後核糖體在mRNA上從5'端到3'端尋找起始密碼子，同樣是透過攜帶對應氨基酸的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線到一起。不斷延長的多肽鏈通常被稱為“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透過其含有的氨基酸數目或者其分子量來衡量。酵母蛋白的平均長度為466個氨基酸或平均分子量為53kDa。目前已知的最大蛋白質是肌聯蛋白，它是肌肉中肌節的組分之一，其分子量為近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透過多種化學途徑來合成。這些合成方法又被稱為肽合成，其依賴於有機合成技術，如化學連線來高通量生產肽。化學合成允許在合成的肽鏈中引入非天然氨基酸，如加入熒游標記的氨基酸。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。降解.對於細胞來說，蛋白質降解有多種用途，包括去除分泌蛋白的N末端訊號肽，對前體蛋白進行剪下以產生“成熟”蛋白等。細胞不需要的或受到損傷的非跨膜蛋白質一般由蛋白酶體來進行降解，而真核生物的跨膜蛋白則透過內體運送到溶酶體，可以對外來的蛋白質進行降解，這也是一種細胞自我保護的機制。生物學實驗中，也經常對蛋白質進行降解分析；例如在蛋白質組學中，利用蛋白酶對特定蛋白質進行降解，並對降解產物進行質譜分析而獲得對應蛋白質的序列資訊和修飾情況；此外，生物化學實驗中，埃德曼降解法常被用於對蛋白質進行氨基酸序列分析。結構.大多數的蛋白質都自然摺疊為一個特定的三維結構，這一特定結構被稱為。雖然多數蛋白可以透過本身氨基酸序列的性質進行自我摺疊，但還是有許多蛋白質需要分子伴侶的幫助來進行正確的摺疊。在高溫或極端pH等條件下，蛋白質會失去其天然結構和活性，這一現象就稱為變性。生物化學家常常用以下四個方面來表示蛋白質的結構：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。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，許多球蛋白是酶。纖維蛋白多為結構性的，例如，結締組織的主要成分膠原蛋白，或頭髮和指甲的蛋白質成分角蛋白。膜蛋白常常作為受體，或提供通道極性的或帶電的分子透過細胞膜。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資訊。目前用於蛋白質的原子解析度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的蛋白質提供結構資訊。細胞功能.蛋白質是細胞中的主要功能分子。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，蛋白質佔大腸桿菌細胞乾重的一半，而其他大分子如DNA和RNA則只分別佔3%和20%。在一個特定細胞或細胞型別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；可以消耗能量來轉動並運動的分子馬達；控制神經和反應的神經傳遞物；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，酶是最被廣泛瞭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的複製、修復和RNA合成等相關的反應中發揮作用。在翻譯後修飾作用中，一些酶。結合於酶上，並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佔其中的一小部分，而直接參與底物催化反應的殘基則更少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，或被酶啟用劑所提高。訊號傳遞和物質運輸.許多蛋白質都參與了細胞中和細胞間的訊號傳遞。一些蛋白質，如胰島素，作為細胞外蛋白質，可以將訊號從一個細胞，兩者之間透過跨膜域連線。抗體是適應性免疫系統中重要的組成蛋白質，其作用為結合抗原或機體中的其他外來物質，透過識別來引發免疫系統消除這些物質。抗體可以被分泌到細胞外環境中或錨合到特異性B細胞的細胞膜中。抗體和抗原之間存在很高的親和力，使得抗體可以很快地識別抗原。在多細胞生物體中，載體運輸蛋白能夠結合特定的小分子並將它們運送到機體中的特定位置。這些蛋白質在運輸的起點則必須釋放所結合的物質。這就需要運輸蛋白和所結合的物質之間有特定的親和力。一個典型的例子是血紅蛋白，它作用是將氧氣從肺中運輸到其他組織和器官中。通道蛋白也是重要的物質運輸蛋白，它們能夠改變細胞膜的通透性，使得一些小分子和離子可以進出細胞。膜本身是疏水性的，極性或帶電分子無法透過擴散作用穿過。作為跨膜蛋白的通道蛋白，含有可控制的內部通道，在一定條件下允許這些分子進出細胞。通道蛋白也有專一性，許多離子通道蛋白只選擇性地對特定離子起作用；例如，鉀離子和鈉離子通道分別只識別鉀離子或鈉離子。變性作用.影響因素.1.物理因素：加熱、加壓、攪拌、振盪、紫外線照射、X射線、超聲波等。2.化學因素：強酸、強鹼、尿素、重金屬鹽、非生理濃度的鹽類、有機溶劑。結果.引起蛋白質結構的改變，形成沉澱，並引起生理活性的消失。變性作用破壞了蛋白質的二級、三級、四級結構，一般不會影響其初級結構。應用.1.乙醇，碘酒殺菌消毒的原理是使細菌，病毒蛋白質變性死亡。2.食物加熱烹調使蛋白質變性，利於酶發揮作用使其消化。顯色反應.濃硝酸與某些蛋白質發生顯色反應，可用於蛋白質的檢驗。結構蛋白.結構蛋白能夠形成相對更為剛性的生物組分。多數結構蛋白為纖維蛋白；膠原蛋白和彈性蛋白是結締組織中關鍵的組分，而角蛋白則存在於頭髮、指甲、羽毛、蹄和一些貝殼中。此外，肌動蛋白和微管蛋白作為單體是球狀可溶蛋白，但一旦多聚化便形成長的剛性纖維用於組成細胞骨架，以保持細胞的大小和形態。其他結構蛋白還包括馬達蛋白，如肌球蛋白、運動蛋白和動力蛋白，它們能夠產生動力。這些蛋白質對於細胞能動性、細胞內物質運輸和細胞分裂都具有重要作用；它們也為肌肉收縮提供動力。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)、“體外”(in vitro)、和“在矽之中”(in silico)。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，以期獲得它們的功能資訊；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。相反的，體內研究實驗著重於蛋白質在細胞或者整個生物中的活性作用，從而可以瞭解蛋白質發揮功能的場所和相應的調節機制。在矽之中研究使用的計算方法來研究蛋白質。蛋白質純化.為了進行體外(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來衡量。另外，蛋白質可以使用電聚焦根據其電荷被分離對於天然蛋白質，可能需要一系列的純化步驟才能獲得純度足以用於實驗室應用的蛋白質。為了簡化這一過程，通常採用基因工程的手段在目的蛋白質上新增一些化學特性，在不改變其結構和生物學活性的情況下使純化過程更為簡單。通常是將含有特定氨基酸序列的“標籤”連線在目的蛋白質的N-端或C-端。例如，含有連續多個組氨酸的序列，稱為組氨酸標籤；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。透過基因工程改造而獲得的蛋白質被稱為重組蛋白質。細胞內定位."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。一些有助於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線上“報告者”，將這樣的融合蛋白在細胞中表達後，就可以透過顯微鏡觀察熒光來了解融合蛋白在細胞中的分佈。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"的情況下透過連線綠色熒光蛋白，或者在"in vitro"的情況下透過酶動力學的方法以及結合實驗進行觀察。蛋白質組學.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，研究如此大規模的資料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疊型別的結構基因組學。分析基因組和蛋白質組資料，這就需要應用計算技術於生物學問題，如基因識別和支序分類。生物資訊學領域現在是基因和蛋白質的分析必不可少的。生物資訊學.大量的計算方法已經被開發來分析蛋白質的結構，功能和進化。這樣的工具的開發是由可用的多種生物體的大量基因組和蛋白質組資料驅動的。根本不可能透過實驗來研究所有的蛋白質，因此只有少數蛋白質被得到實驗室實驗，而計算工具用於外推到相似的蛋白質。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的結構作為“模板”。而結構基因組的目標正是透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。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疊型別。更為複雜的結構計算是預測蛋白質分子之間的相互作用，需要應用和。利用分子動力學的方法可以模擬蛋白質的摺疊和結合過程。透過分散式計算，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，如的頭部和HIV輔助蛋白已經成功地在計算機中被模擬。將標準的分子動力學和量子力學計算相結合的混合方法已經被用於探索視紫紅質分子的電子態。蛋白質含量檢測.蛋白質含量檢測，通常是檢測樣本裡的含氮量比例。但是，凱氏分析與杜馬斯方法，分辨不出蛋白質與三聚氰胺的差異。一份純瘦肉的雞胸肉以凱氏分析，可以測得數值約31%左右。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；而食物中缺少必需氨基酸的蛋白質，被定位為不完全蛋白質。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食物中所含的蛋白質，每公克蛋白質可供給4大卡熱量。攝入的蛋白質透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肽。隨後這些降解片段就可以被吸收。部分吸收後的氨基酸被用於蛋白質的合成，其餘的則透過糖異生作用被轉化為葡萄糖或進入三羧酸迴圈進行代謝。蛋白質的營養作用在飢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.蛋白質進入口腔時無法被分解，進而到胃。胃蛋白酶可斷裂芳香族氨基酸或亮氨酸氨基端肽鍵，凝乳酶可將牛奶中的酪蛋白。到了小腸，胰蛋白酶、糜蛋白酶、羧基肽酶開始作用;胰蛋白酶可斷裂賴氨酸或精氨酸的羧基端肽鍵，糜蛋白酶可斷裂色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的羧基端肽鍵，羧基肽酶可斷裂肽鏈羧基端的最後一個肽鍵。人體所需蛋白質在許多食物中都含量豐富，如動物肌肉、乳製品、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、皮膚乾燥病變、頭髮稀疏脫色、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。高蛋白飲食會加重心臟病的狀況，膽固醇問題會使其上升到不健康的水平。歷史和詞源.在18世紀，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、纖維素和小麥麵筋裡的蛋白質。荷蘭化學家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式。用“蛋白質”這一名詞來描述這類分子是由穆德的合作者永斯·貝採利烏斯於1838年提出。穆德隨後鑑定出蛋白質的降解產物，並發現其中含有為氨基酸的亮氨酸，並且得到它的分子量為131原子質量單位。對於早期的生物化學家來說，研究蛋白質的困難在於難以純化大量的蛋白質以用於研究。因此，早期的研究工作集中於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。1950年代後期，Armour Hot Dog公司純化了一公斤純的牛胰腺中的，並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·阿斯特伯裡於1933年提出。隨後，在總結自己對變性的研究成果和之前的研究工作的基礎上，提出了蛋白質摺疊是由疏水相互作用所介導的。1949年，弗雷德裡克·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多聚體。原子解析度的蛋白質結構首先在1960年代透過X射線晶體學獲得解析；到了1980年代，核磁共振也被應用於蛋白質結構的解析；近年來，學被廣泛用於對於超大分子複合體的結構進行解析。蛋白質這一概念最早是由瑞典化學家永斯·貝採利烏斯於1838年提出，但當時人們對於蛋白質在機體中的核心作用並不瞭解。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，由弗雷德裡克·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·肯德魯於1958年分別完成，他們也因此獲得1962年度的諾貝爾化學獎。截至到2017年，蛋白質資料庫(PDB)中已存有接近126,000個原子級解析度的蛋白質及其相關複合物的三維結構的座標。