論蛋白質(zhì)在生命體研究中的作用

論蛋白質(zhì)在生命體研究中的作用摘要：蛋白質(zhì)是生物體中廣泛存在的一類生物大分子，具有特定立體結(jié)構(gòu)的和生物活性以及諸多功能，根據(jù)這些功能我們可以將其應(yīng)用于蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)功能的改造、疾病的基因治療以及新型耐抗藥性藥物的開發(fā)與設(shè)計(jì)甚至是發(fā)現(xiàn)生物進(jìn)化的規(guī)律等先進(jìn)科研領(lǐng)域上。因此，蛋白質(zhì)在生命體研究中具有極其重要的作用。蛋白質(zhì)是生物體中廣泛存在的一類生物大分子，是由核酸編碼的氨基酸之間通過氨基和羧基形成的肽鍵連接而成的肽鏈，經(jīng)翻譯后加工而生成的產(chǎn)物。具有特定立體結(jié)構(gòu)的和生物活性。蛋白質(zhì)在體內(nèi)是構(gòu)成多種重要生理活性物質(zhì)的成分，參與調(diào)節(jié)生理功能。如核蛋白構(gòu)成細(xì)胞核并影響細(xì)胞功能；酶蛋白具有促進(jìn)物質(zhì)消化、吸收和利用的作用；免疫蛋白具有維持機(jī)體免疫功能的作用。下面具體介紹蛋白質(zhì)的一些功能：催化：蛋白質(zhì)的一個(gè)最重要的生理功能是作為生物體新陳代謝的催化劑——酶，酶是蛋白質(zhì)中最大的一類，生物體內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在相應(yīng)的酶的參與下進(jìn)行的。酶的催化效率遠(yuǎn)大于合成的催化劑。②調(diào)節(jié)：許多蛋白質(zhì)能調(diào)節(jié)其他蛋白質(zhì)執(zhí)行其生理功能的能力，這些蛋白質(zhì)稱為調(diào)節(jié)蛋白，最著名的例子是胰腺蘭氏小島的β細(xì)胞分泌的胰島素，它是調(diào)節(jié)動(dòng)物體內(nèi)血糖代謝的一種激素。另一類調(diào)節(jié)蛋白參與基因表達(dá)的調(diào)控，它們激活或是抑制遺傳信息轉(zhuǎn)錄為RNA。③轉(zhuǎn)運(yùn)：第三類是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其功能是從一地到另一地轉(zhuǎn)運(yùn)特定的物質(zhì)。一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如血紅蛋白，血清清蛋白，是通過血流轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)的，另一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它們能通過滲透性屏障（細(xì)胞膜）轉(zhuǎn)運(yùn)代謝物和養(yǎng)分（葡萄糖、氨基酸等），如葡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。④貯存：另一類蛋白質(zhì)是氨基酸的聚合物，又因氮素通常是生長的限制性養(yǎng)分，所以生物體必要時(shí)就利用蛋白質(zhì)作為提供充足氮素的一種方式，蛋白質(zhì)除為生物體發(fā)育提供C、H、O、N、S元素外，像鐵蛋白還能貯存Fe，用于含鐵的蛋白質(zhì)如血紅蛋白的合成。⑤運(yùn)動(dòng)：某些蛋白質(zhì)賦予細(xì)胞以運(yùn)動(dòng)的能力，肌肉收縮和細(xì)胞游動(dòng)是細(xì)胞具有這種能力的代表。作為運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)的收縮和游動(dòng)蛋白具有共同的性質(zhì)：它們都是絲狀分子或絲狀聚集體。另一類參與運(yùn)動(dòng)的蛋白質(zhì)稱發(fā)動(dòng)機(jī)蛋白質(zhì)，如動(dòng)力蛋白和驅(qū)動(dòng)蛋白，它們可驅(qū)使小泡、顆粒和細(xì)胞器沿微管軌道移動(dòng)。⑥結(jié)構(gòu)成分：蛋白質(zhì)另一重要功能是建造和維持生物體的結(jié)構(gòu)。這類蛋白質(zhì)稱為結(jié)構(gòu)蛋白，它們給細(xì)胞和組織提供強(qiáng)度和保護(hù)。這類蛋白質(zhì)多數(shù)是不溶性纖維狀蛋白質(zhì)，如膠原蛋白。膠原蛋白還和蛋白聚糖等構(gòu)成動(dòng)物的胞外基質(zhì)，后者是細(xì)胞的保護(hù)性屏障。⑦支架作用：新近發(fā)現(xiàn)某些蛋白質(zhì)在細(xì)胞應(yīng)答激素和生長因子的復(fù)雜途徑中起作用，這類蛋白質(zhì)稱支架蛋白或接頭蛋白，支架蛋白都有一個(gè)組件組織，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的特定部分（組件）通過蛋白——蛋白相互作用能識(shí)別并結(jié)合其他蛋白中的某些結(jié)構(gòu)元件。⑧防御和進(jìn)攻：與一些結(jié)構(gòu)蛋白的被動(dòng)性防護(hù)不同，一類確切的稱為保護(hù)或開發(fā)蛋白的蛋白質(zhì)在細(xì)胞防御、保護(hù)、開發(fā)方面的作用是主動(dòng)的。保護(hù)蛋白中最突出的是脊椎動(dòng)物體內(nèi)的免疫球蛋白或稱抗體?？贵w是在外來的蛋白質(zhì)或其他高分子化合物即所謂抗原的影響下由淋巴細(xì)胞產(chǎn)生，并能與相應(yīng)的抗原結(jié)合而排除外來物質(zhì)對(duì)生物體的干擾。另一類保護(hù)蛋白是血液凝固蛋白，如凝血酶原和血纖蛋白原等。此外起防衛(wèi)和開發(fā)作用的一些蛋白，包括蛇毒和蜂毒的溶血蛋白和神經(jīng)毒蛋白以及植物毒蛋白和細(xì)菌毒素。⑨異常蛋白：某些蛋白質(zhì)具有上述以外的功能，如應(yīng)樂果甜蛋白有著極高的甜度，昆蟲翅膀的鉸合部存在一種具有特殊彈性的蛋白質(zhì)，稱節(jié)肢彈性蛋白，某些海洋生物如貝類分泌一類膠質(zhì)蛋白，能將貝殼牢固的黏在巖石或其他硬表面上。正因?yàn)榈鞍踪|(zhì)有如此之多的功能，因此對(duì)生命生理、心理等各個(gè)方面都能產(chǎn)生不可忽視的影響，了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，有助于發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)是如何發(fā)揮其生物學(xué)功能的，這對(duì)生命體的研究具有極其重要的意義?，F(xiàn)依據(jù)我自身理解，僅列出其中的兩個(gè)方面如下：一、通過對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的深入了解，將其應(yīng)用在蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)功能的改造、疾病的基因治療以及新型耐抗藥性藥物的開發(fā)與設(shè)計(jì)等方面。蛋白質(zhì)除了可以自身合成外，還有一些必需要從機(jī)體外攝取，且對(duì)于攝取量有一定的限定范圍，過多或過少都不好?！吨袊用裆攀碃I養(yǎng)素參考攝入量》中推薦每人每天蛋白質(zhì)的攝入量是65～90克。2000年，中國營養(yǎng)學(xué)會(huì)調(diào)查顯示，中國人均每天蛋白質(zhì)的攝入量遠(yuǎn)低于推薦攝入量。對(duì)于生長階段的兒童而言，蛋白質(zhì)的缺乏常見癥狀是代謝率下降，對(duì)疾病抵抗力減退，免疫力下降易患病，長期缺乏蛋白質(zhì)會(huì)造成器官的損害，常見的是兒童的生長發(fā)育遲緩、體質(zhì)量下降、淡漠、易激怒、貧血以及干瘦病或水腫，并因此易感染其他疾病?？墒菍?duì)蛋白質(zhì)的攝入過多，不僅會(huì)造成浪費(fèi)，而且對(duì)人體健康也是有危害的，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)在體內(nèi)的分解產(chǎn)物聚積會(huì)影響正常的肝腎功能和免疫力低下，其中動(dòng)物性蛋白質(zhì)攝入過多還會(huì)誘發(fā)心臟病。此外，食用過多的蛋白質(zhì)還會(huì)增加患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。如果我們能將這些人類所需的蛋白質(zhì)通過人工合成制成藥劑定量食用，就可以有效解決因食物匱乏等外因?qū)е碌纳眢w疾病。目前我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有很多疾病與蛋白結(jié)構(gòu)異常變化相關(guān)，譬如阿茲海默癥、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。亨廷頓氏舞蹈癥是一種家族顯性遺傳型疾病。患者由于基因突變或者第四對(duì)染色體內(nèi)DNA（脫氧核糖核酸）基質(zhì)之CAG三核甘酸重復(fù)序列過度擴(kuò)張，造成腦部神經(jīng)細(xì)胞持續(xù)退化，機(jī)體細(xì)胞錯(cuò)誤地制造一種名為“亨廷頓蛋白質(zhì)”的有害物質(zhì)。這些異常蛋白質(zhì)積聚成塊，損壞部分腦細(xì)胞，特別是那些與肌肉控制有關(guān)的細(xì)胞，導(dǎo)致患者神經(jīng)系統(tǒng)逐漸退化，神經(jīng)沖動(dòng)彌散，動(dòng)作失調(diào)，出現(xiàn)不可控制的顫搐，并能發(fā)展成癡呆，甚至死亡。而重癥肌無力是一種影響神經(jīng)肌肉接頭傳遞的自身免疫性疾病，其確切的發(fā)病機(jī)理目前仍不明確，但是有關(guān)該病的研究還是很多的，且大量的研究發(fā)現(xiàn)，重癥肌無力患者神經(jīng)肌肉接頭處突觸后膜上的乙酰膽堿受體(AchR)數(shù)目減少，受體部位存在抗AchR抗體，且突觸后膜上有IgG和C3復(fù)合物的沉積，并且證明，血清中的抗AchR抗體的增高和突觸后膜上的沉積所引起的有效的AchR數(shù)目的減少，是本病發(fā)生的主要原因，而胸腺是AchR抗體產(chǎn)生的主要場(chǎng)所，因此，本病的發(fā)生一般與胸腺有密切的關(guān)系，所以，調(diào)節(jié)人體AchR，使之?dāng)?shù)目增多，化解突觸后膜上的沉積，抑制抗AchR抗體的產(chǎn)生是治愈本病的關(guān)鍵。要想調(diào)節(jié)人體AchR，從蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)功能的改造上著手肯定能有很大的突破從而治愈這類絕癥。二、通過研究同源蛋白質(zhì)的序列同源性發(fā)現(xiàn)生物進(jìn)化的規(guī)律。在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋白質(zhì)稱為同源蛋白質(zhì)，同源蛋白質(zhì)的氨基酸序列具有明顯的相似性，具有明顯序列同源的蛋白質(zhì)也稱同源蛋白質(zhì)，同源蛋白質(zhì)的氨基酸序列中有許多位置的氨基酸殘基對(duì)所以已研究過的物種來說都是相同的，因此稱為不變殘基，其他位置的氨基酸殘基對(duì)于不同物種有相當(dāng)大的變化，因而稱為可變殘基。細(xì)胞色素c是一種含血紅素的電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它存在于所有真核生物的線粒體中。它的序列的研究提供了同源性的最好例證。40多種物種的細(xì)胞色素c的分析揭示，多肽鏈中28個(gè)位置上的氨基酸殘基對(duì)所有已分析過的樣品都是相同的。看來這些不變殘基對(duì)這種蛋白質(zhì)的生理學(xué)功能是至關(guān)重要的，因此這些位置不允許被其他氨基酸取代，可變殘基可能是一些填充或間隔的區(qū)域，氨基酸殘基的變幻不影響蛋白質(zhì)的功能。可變殘基提供了另一類信息。細(xì)胞色素c和其他同源蛋白質(zhì)的序列資料分析得出了一個(gè)重要的結(jié)論：來自任意兩個(gè)物種的同源蛋白質(zhì)，其序列間的氨基酸差異數(shù)目與這些物種間的系統(tǒng)發(fā)生差異是成比例的，也即在進(jìn)化位置上相差越遠(yuǎn)，其氨基酸序列之間的差別越大。由此，我們用細(xì)胞色素c的氨基酸序列資料核對(duì)各個(gè)物種之間的分類學(xué)關(guān)系以及繪制系統(tǒng)【發(fā)生】樹或稱進(jìn)化樹，系統(tǒng)樹是用計(jì)算機(jī)分析細(xì)胞色素c序列并找出連接分支的最小突變殘基數(shù)的方法構(gòu)建起來的。用其他計(jì)算機(jī)方法可推論出系統(tǒng)樹分支點(diǎn)處的潛在祖先序列。事實(shí)證明，這種系統(tǒng)樹與根據(jù)經(jīng)典分類學(xué)建立起來的系統(tǒng)樹非常一致，過去進(jìn)化樹長被認(rèn)為是可接受的，但如今終于在實(shí)踐中得到證實(shí)。根據(jù)系統(tǒng)樹不僅可以研究從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物的生物進(jìn)化過程，而且可以粗略估計(jì)現(xiàn)存的各類物種的分歧時(shí)間，因此對(duì)物種起源和進(jìn)化是有極大幫助的。然而，由于各種各樣的原因?qū)е碌鞍踪|(zhì)的研究進(jìn)展緩慢且難以達(dá)到精確，例如到目前為止，解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)最為有效和可靠的方法，仍是來自于物理學(xué)的X射線晶體衍射和核磁共振的方法。然而，X射線晶體衍射解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的前提是被解析的對(duì)象必須要能形成晶體，而要獲得一個(gè)蛋白質(zhì)的晶體并非易事，往往需要較長的時(shí)間或者有些蛋白質(zhì)本身就很難形成晶體；核磁共振方法的優(yōu)點(diǎn)是能在溶液環(huán)境中測(cè)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，但目前只能測(cè)定序列小于100個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而很多蛋白質(zhì)是由100個(gè)以上的氨基酸殘基組成，此其一，另外，

蛋白質(zhì)的功能是在特定的時(shí)空范圍內(nèi)進(jìn)行的，脫離了這樣