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第一章绪论C2教学文稿 蛋白质化学教程杨杨在清华中农业大学生命科学技术学院第一章绪论 一、蛋白质概述 二、蛋白质研究的历程 三、蛋白质组学 一、蛋白质概述蛋白质是生命的基础，是一切生命现象的体现。 严格的讲蛋白质是由氨基酸通过氨基和羧基连接成肽，再经翻译后加工形成的具有特定空间构象和功能的生物大分子。 蛋白质化学是研究蛋白质的组成、结构、功能以及在生命活动过程中的调控规律的科学。 蛋白质、多肽和寡肽蛋白质肽链较长，通常在50个AA以上.如胰岛素51AA，目前发现的最大蛋白质是肌巨蛋白（titin）,Mr约3000kDa,相当于34350AA，但大多数蛋白质通常为300-500AA。 多肽肽链长度在20-50AA之间(10-100AA).如胰高血糖素（29AA）,促肾上腺皮质激素（ACTH,39AA）；但是界限也很难划分。 寡肽肽链长度在20个AA以下(2-10AA).如徐缓激肽（9AA），具有强的血管扩张作用；脑啡肽（5AA），除镇痛外，尚有调节体温、心血管、呼吸等功能；二肽和三肽已具有活性，如天冬酰苯丙氨酸甲酯（2AA）具甜味；精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸（RGD），抗粘着的能力。 一些单个氨基酸也具有重要功能，如甘氨酸，谷氨酸作为神经递质。 关注Proteins?（生物体组成、结构、功能）eg.1/20的高加索人患囊性纤维化。 在英国发病率1/2000.美国1/3300白人婴儿,1/15300黑人婴儿,1/32000亚裔美国人.病因囊性纤维跨膜转运调节因子（CFTR）的508位缺一个氨基酸。 eg.镰刀型红细胞贫血镰刀型血红蛋白(链第66位GluVal)所致，一类常染色体隐性遗传疾病,非裔美国人发病率较高（1/600,）,血红蛋白聚集使红细胞呈镰刀状，带氧能力丧失。 eg.p53蛋白，WTP53基因产物，细胞正常时表达很少（近乎检测不到），当细胞损伤触发大量表达，称细胞守护者。 eg.胰岛素抗性，指正常量的胰岛素不足以响应脂肪细胞,肌肉细胞和肝细胞的正常代谢调控（血脂，血糖，胰岛素）正常红细胞突变红细胞本课程内容蛋白质的结构及功能、分离、纯化与鉴定、合成、转运、加工和到位，免疫球蛋白的结构及功能，脂蛋白，细胞骨架蛋白，细胞粘附蛋白，细胞因子，激素及信号调控，糖蛋白，蛋白聚糖。 二、蛋白质研究的历程 11、蛋白质的发现“蛋白质”的概念出现在德文里，Eiweiss skoerper与中文的蛋白质的含义一样。 Proteins是由荷兰生理化学家Mulder在1838年的文章中提出。 蛋白质的发现首先从酒类的制造（发酵）开始的。 埃及人很早就知道利用谷物和水果发酵来制造酒类。 古埃及壁画.ancientegypt.co.uk/menu.htm宴会情景，以面包、啤酒宴客.ancientegypt.co.uk/life/story/main.html金字塔中的面包.ancientegypt.co.uk/life/story/main.html制作面包的模型.ancientegypt.co.uk/life/story/main.html1779年，法国科学研究学会声明若是有人能解开葡萄汁变成葡萄酒的奥秘，愿提供11公斤的黄金作为奖赏。 遗憾的是，当时这份奖金一直无人有幸領取。 Anselme Payen(安塞姆佩恩，17951871)法国化学家。 1833从甜菜中提取出糖，发现麦芽提取物可加速淀粉转化为较简单的糖类。 将其称为diastase（淀粉酵素），即amylase（淀粉酶），在词尾加上ase，并发现amylase具有热不稳定的特性。 德国植物学家（Matthias JakobSchleiden18041881）和德国生理学家（Theodor Schwann1810-1882，解剖学教授）。 提出细胞学说（Cell Theory），从胃中纯化出一种物质，加入盐酸（hydrochloric acid)混合后，分解加速。 1836年利用氯化汞将其纯化物沉淀出來，並命名为胃蛋白酶（pepsin）。 酵母在发酵过程中的角色（是否需要活细胞？）争执了近60年，德国化学家利比希（Justus vonLiebig，18391897）与法国生物学家路易.巴斯德（Louis Pasteur,18221895）一直到死都无法达成共识。 庫內（Willy KKhne，18371900)德国生理学家，1876年从胰脏分泌物中純化出另一种酵素，命名为trypsin。 主張酵素只能在活细胞中产生化学反应。 在1877年提出enzyme。 一直到1897年，德国化学家Eduard Buchner（18521907），在研究发酵时，实现了非细胞酒精发酵。 酒精发酵过程是否一定需要活细胞的争论才结束。 22、蛋白质的分离及结构分析1864年F.Hoppe-Seyler（1825-1895）T Tbingen Uni(建于1477年)教授（Miescher的导师），首先结晶血红蛋白。 1945年Fred erickSanger及同事发展了二硝基苯法。 接着发展了N N-末端鉴定的异硫氰酸苯酯。 1953年完成了胰岛素A A、B B链的序列测定。 1955年报道了胰岛素分子的二硫鍵位置，由于对蛋白质结构研究有卓越贡献，两次获若贝尔化学奖(1958;1980)。 the SangerInstitute1950年，Linus.Pauling和Robert.Corey提出了蛋白质的?螺旋学说。 Pauling探求和平之路，获若贝尔和平奖(两次)。 21962年年，英国化学家肯德鲁（John CowderyKendrew利用X X射线分析，提出肌红蛋白的三维分子模型。 1962获若贝尔奖。 1965年，我国完成了人工胰岛素的合成。 年代奖别获奖者国别卓越贡献1907化学Eduard Buchner德国听从身为医生、免疫学家的哥哥的建议，研究发酵，发现非细胞酒精发酵。 1926化学The Svedberg瑞典成功定出血藍蛋白(hemocyanin)等蛋白质的分子量。 單位S就是以其姓命名。 1929化学Arthur Harden英国伦敦大学李斯特(Lister)预防医学研究所，与扬格共同阐明酒精发酵所需辅酶、磷酸。 1929化学Hans KarlAugust Simonvon Euler-Chelpin瑞典阐明烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adeninedinucleotide)是辅酶(coenzyme)。 1946化学James BatchellerSumner美国成功自刀豆結晶出尿素酶(urease)，证明酶的的本质是蛋白质。 1946化学John HowardNorthrop美国纯化酶和病毒蛋白质。 發明丙酮(acetone)的发酵方法；結晶胰蛋白酶、胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶原化，阐明蛋白质性质1946化学Wendell MeredithStanley美国利用盐析方法，成功地将烟草花叶病毒(TMV)蛋白以核蛋白的形式結晶出來。 1948化学Arne WilhelmKaurin Tiselius瑞典将血清蛋白分成白蛋白及、球蛋白4种；发明纸电泳方法。 1952化学Archer JohnPorter Martin英国发明分配层析技术(partition chromatography)，纸层析技术(paper chromatography)。 1952化学Richard LaurenceMillington Synge英国与Martin共同发明分配层析、纸层析，利用纸阐明短桿菌素(gramicidin)蛋白质的分子结构，对Sanger的蛋白研究也做出贡献。 蛋白质研究中获得若贝尔奖的科学家在蛋白质研究领域目前已经有30多位研究者获得若贝尔奖。 1952物理Felix Bloch美国利用核磁共振法測定原子核的磁矩。 利用迴旋加速器成功地測定中子的磁矩，並以量子論了解了金属的导电机制。 1952物理Edward MillsPurcell美国利用核磁共振法測定原子核的磁矩。 和Torrey和Pound共同发明了利用核磁共振測定液体和固体中原子核磁矩的方法；发现宇宙中氢原子放射微波。 1954化学Linus CarlPauling美国采用X衍射、电子衍射阐明蛋白质分子结构，探求和平之路，获若贝尔和平奖。 1958化学Frederick Sanger英国研究蛋白质的结构，发明-二硝基苯法(DNP,dinitrophenyl method)，成功地测定胰岛素的结构。 1962化学Max FerdinandPerutz英国研究球蛋白的结构。 利用X光分析，研究血紅素(hemoglobin)、肌紅蛋白(myoglobin)等球狀蛋白(9globular protein)的结构；利用三维分析，提出血红素的分子模型。 1962化学John Cowderykendrew英国研究球狀蛋白的结构。 利用X光分析，提出肌红蛋白的三维分子模型。 1972化学Christian B.Anfinsen英国核糖核酸酶的氨基酸序列。 牛胰核糖核酸酶(RNase,ribonulease)的初级结构，发現蛋白质的立体结构取決于它的初级结构。 1972化学Stanford Moore美国核糖核酸酶分子的活性中心与化学结构。 与Stein共同发明蛋白质分析仪，阐明核酸分解酶的氨基酸序列及其立体结构的关系；並利用离子交換柱(ion-exchange column)分析氨基酸組成的方法。 1972化学William H.Stein美国研究核糖核酸酶分子的活性中心与化学结构。 与Moore共同发明蛋白质分析仪，测定了牛胰核糖核酸酶的氨基酸序列，阐明它的化学组成与活性机制。 1982化学化Aaron Klug英国创立了电子光谱学，阐明了核酸-蛋白质复合物的立体结构。 利用並利用电子显微镜开发了立体结构分析法，阐明了闡明烟草花叶病毒的三维结构。 1984化学Robert BruceMerrifield美国采用固相法成功合成120个氨基酸的牛胰核糖核酸酶。 1985化学Herbert A.Hauptman美国创立直接決定物质晶体结构的方法。 1988化学Johann Deisenhofer德国分析了光合反应中心的三維结构。 阐明了光合作用的机制，也阐明了与膜蛋白有关的神经传导机制，在了解生物功能出重大贡献。 1988化学Robert Huber德国分析了光合反应中心的三維结构。 利用X光分析，阐明光合作用的机制；也阐明传递电子的光合色素(photosynthetic pigment)的装配、光合色素周围蛋白质亚单位结构等。 1988化学Hartmut Michel德国分析了光合反应中心的三維结构。 成功地从光合細菌抽提出光合作用的一种重要的膜蛋白质，並結晶化，阐明其结构做出贡献。 1997化学Paul D.Boyer美国阐明ATP的合成机制。 1997化学John E.Walker英国与Boyer共同阐明ATP的合成机制。 生物发光、肌肉运动需要能量，ATP就是能量供給、运输等作用的重要物质。 1997化学Jens C.Skou丹麥发现調控細胞离子浓度的酶。 即ATP酶(ATPase)，並阐明ATP酶分解ATP的机制。 三、蛋白质组学基因组（genomic）:体现正常细胞功能的全套染色体中的全部基因(1985,美国科学家提出人类基因组计划).蛋白质组(proteomic,1995提出）:一种基因组所表达的全套蛋白质,即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。 Proteome&ProteomicsProteins arecentral toour understandingof cellularfunction anddisease processesNature409,747 (xx)11蛋白质组学产生的背景大量的基因组被测序，但解析较少，功能解析更有限；单个蛋白质研究已无法满足后基因组时代的高通量要求；认识生命活动必须从整体、动态、网络的水平上对蛋白质进行研究。 因此在上世纪90年代中期产生蛋白质组学（Proteomics）。 获得蛋白质难，认识蛋白质更难蛋白质组学的延展组织器官、亚细胞器、信号通路、疾病、体液蛋白质组学等。 22、蛋白质组研究的新技术双向凝胶电泳的缺点是繁琐、不稳定和低灵敏度等。 因此，发展可替代或补充双向凝胶电泳的新方法已成为蛋白质组研究技术最主要的目标。 目前，二维色谱(2D-LC)、二维毛细管电泳(2D-CE)、液相色谱毛细管电泳(LC-CE)等新型分离技术都有补充和取代双向凝胶电泳之势。 另一种策略则是以质谱技术为核心，开发质谱鸟枪法(Shot-gun)、毛细管电泳-质谱联用(CE-MS)等新策略直接鉴定全蛋白质组混合酶解产物。 发展高通量和高精度的蛋白质相互作用检测技术被科学家所关注。 此外，蛋白质芯片的发展也十分迅速，并已经在临床诊断中得到应用。 33、蛋白组学技术平台蛋白组学的发展依赖于双相电泳技术的发展、电喷雾质谱（ESI-MS）和基质辅助激光解吸飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）技术的发明以及在蛋白质分析中的应用和蛋白组信息学的兴起。 ?2DE（two-dimensional proteinelectrophoresis）双向蛋白质电泳?ESIMS（electrospray ionizationmass spectrometry）电喷雾电离质谱?IPG（immobilized pHgradient）固定pH梯度?MALDI-TOF-MS（Matrix assistedlaser desorptionionisation time-?of-flight mass spectrometry）基质辅助激光解析电离飞行时间质谱?蛋白质芯片?MS(massspectrometry)质谱?ICAT（同位素亲和标签）等灵敏的生物检测技术?PTM(post-translational modification)翻译后修饰?SDS-PAGE(sodium dodecylsulfate polyacrylamidegel Electrophoresis)?十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳?Cryo-ET(cryo-electron tomography)低温电子断层成像技术蛋白质组学技术平台蛋白质组学实验室蛋白质组学、基因克隆与表达、蛋白质分离纯化等研究。 有一支知识丰富、充满朝气队伍。 基质辅助激光解吸附飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）应用领域主要对多肽、蛋白质、核苷酸、糖蛋白、多糖及高聚物进行检测和鉴定。 2、蛋白质组生物信息目前，国际上蛋白质组研究进展十分迅速，理论和方法不断完善。 通用数据库MIPS-Protein sequencesand pletegenomic sequencesPDB-Protein DataBank PIR-international-Protein sequencedatabase co-developed byNBRF,MIPS andJIPID SWISS-PROT-SWISS-PROT annotatedprotein sequencedatabase蛋白多肽相关数据库BioImage-European biologicalimage database(contains microelectroscopicimaging data on macromolecules)BioMagResBank-Repository fordata onproteins,peptides,and nucleicacids fromNMR spectroscopyBLOCKS-BLOCKS databaseDOMO-Protein domaindatabase(Automatically generated)Pfam-Protein familiesdatabase(HMM derived)2D与3D结构数据库BMM DomainServer-Biomolecular ModellingLaboratory(ICRF)protein domainserver CATH-Univ CollegeLondon BSMstructuralclassification of proteins CCDC-Cambridge CrystallographicData Center(Cambridge StucturalDatabase(CSD)NHGRI 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SMART-Protein signallingand extracellulardomain patterns蛋白种