蛋白质的发现与研究发展

1、科学技术史史论文蛋白质的发发现与研研究发展展系 别 生物物与环境境工程学学院 专业班级 TT08生生物工程程 姓 名 孟孟云 学 号 T088431121 日 期 20110年112月9日 蛋白质的发发现与研研究发展展摘要蛋白质是一一种复杂杂的有机机化合物物，旧称称“朊（rrunn)”。氨氨基酸是是组成蛋蛋白质的的基本单单位，氨氨基酸通通过脱水水缩合连连成肽链链。蛋白白质是由由一条或或多条多多肽链组组成的生生物大分分子，每每一条多多肽链有有二十至至数百个个氨基酸酸残基（-R）不不等；各各种氨基基酸残基基按一定定的顺序序排列。蛋蛋白质的的氨基酸酸序列是是由对应应基因所所编码。除除了遗传传密码所所

2、编码的的20种种基本氨氨基酸，在在蛋白质质中，某某些氨基基酸残基基还可以以被翻译译后修饰饰而发生生化学结结构的变变化，从从而对蛋蛋白质进进行激活活或调控控。多个个蛋白质质可以一一起，往往往是通通过结合合在一起起形成稳稳定的蛋蛋白质复复合物，折折叠或螺螺旋构成成一定的的空间结结构，从从而发挥挥某一特特定功能能。合成成多肽的的细胞器器是细胞胞质中糙糙面型内内质网上上的核糖糖体。 食入的蛋白白质在体体内经过过消化被被水解成成氨基酸酸被吸收收后，重重新合成成人体所所需蛋白白质，同同时新的的蛋白质质又在不不断代谢谢与分解解，时刻刻处于动动态平衡衡中。因因此，食食物蛋白白质的质质和量、各各种氨基基酸的比比

3、例，关关系到人人体蛋白白质合成成的量，尤尤其是青青少年的的生长发发育、孕孕产妇的的优生优优育、老老年人的的健康长长寿，都都与膳食食中蛋白白质的量量有着密密切的关关系。 关键词：蛋蛋白质 氨基基酸 生长长发育 目录录序言11一、蛋白质质的结构构22二、蛋白质质的性质质2三、蛋白质质的发现现33四、蛋白质质的折叠叠过程4五、蛋白质质的研究究和意义义5科学技术史论文 序言随着人类基基因组计计划的实实施和推推进，生生命科学学研究已已进入了了后基因因组时代代。在这这个时代代，生命命科学的的主要研研究对象象是功能能基因组组学，包包括结构构基因组组研究和和蛋白质质组研究究等。尽尽管现在在已有多多个物种种的基

4、因因组被测测序，但但在这些些基因组组中通常常有一半半以上基基因的功功能是未未知的。虽然蛋白质质的可变变性和多多样性等等特殊性性质导致致了蛋白白质研究究技术远远远比核核酸技术术要复杂杂和困难难得多，但但正是这这些特性性参与和和影响着着整个生生命过程程。 一：蛋白质质的结构构蛋白质是以以氨基酸酸为基本本单位构构成的生生物大分分子。一一级结构构：蛋白白质多肽肽链中氨氨基酸的的排列顺顺序，以以及二硫硫键的位位置。二二级结构构：蛋白白质分子子局区域域内，多多肽链沿沿一定方方向盘绕绕和折叠叠的方式式。三级级结构：蛋白质质的二级级结构基基础上借借助各种种次级键键卷曲折折叠成特特定的球球状分子子结构的的空间构

5、构象。四四级结构构：多亚亚基蛋白白质分子子中各个个具有三三级结构构的多肽肽链，以以适当的的方式聚聚合所形形成的蛋蛋白质的的三维结结构。用用约200种氨基基酸作原原料，在在细胞质质中的核核糖体上上，将氨氨基酸分分子互相相连接成成肽链。一一个氨基基酸分子子的氨基基，脱去去一分子子水而连连接起来来，这种种结合方方式叫做做脱水缩缩合。通通过缩合合反应，在在羧基和和氨基之之间形成成的连接接两个氨氨基酸分分子的那那个键叫叫做肽键键。由肽肽键连接接形成的的化合物物称为肽肽。二：蛋白质质的性质质具有两性性 蛋白质质是由-氨基基酸通过过肽键构构成的高高分子化化合物，在在蛋白质质分子中中存在着着氨基和和羧基，因因

6、此跟氨氨基酸相相似，蛋蛋白质也也是两性性物质。 可发发生水解解反应 蛋白质质在酸、碱碱或酶的的作用下下发生水水解反应应，经过过多肽，最最后得到到多种-氨基基酸。 蛋白质质水解时时，应找找准结构构中键的的“断裂裂点”，水水解时肽肽键 如：蛋蛋白质 nH22NCCH2COOOH 找到“断断裂点”就就可以确确定蛋白白质水解解的产物物 例如某某蛋白质质水解 可得三三种-氨基酸酸，为HH2NCH22COOOH、 溶水水具有胶胶体的性性质 有些蛋蛋白质能能够溶解解在水里里（例如如鸡蛋白白能溶解解在水里里）形成成溶液。具具有胶体体性质。 蛋白质质的分子子直径达达到了胶胶体微粒粒的大小小（1009107m）时

7、时，所以以蛋白质质具有胶胶体的性性质。 加入入电解质质可产生生盐析作作用 少量的的盐（如如硫酸铵铵、硫酸酸钠等）能能促进蛋蛋白质的的溶解，如如向蛋白白质水溶溶液中加加入浓的的无机盐盐溶液，可可使蛋白白质的溶溶解度降降低，而而从溶液液中析出出，这种种作用叫叫做盐析析 这样盐盐析出的的蛋白质质仍旧可可以溶解解在水中中，而不不影响原原来蛋白白质的性性质，因因此盐析析是个可可逆过程程利用用这个性性质，采采用盐析析方法可可以分离离提纯蛋蛋白质 蛋白白质的变变性 在热、酸酸、碱、重重金属盐盐、紫外外线等作作作用下下，蛋白白质会发发生性质质上的改改变而凝凝结起来来这种种凝结是是不可逆逆的，不不能再使使它们恢

8、恢复成原原来的蛋蛋白质蛋白质质的这种种变化叫叫做变性性 蛋白质质变性后后，就失失去了原原有的可可溶性，也也就失去去了它们们生理上上的作用用因此此蛋白质质的变性性凝固是是个不可可逆过程程 造成蛋蛋白质变变性的原原因 物理因因素包括括：加热热、加压压、搅拌拌、振荡荡、紫外外线照射射、超声声波等： 化学因因素包括括：强酸酸、强碱碱、重金金属盐、三三氯乙酸酸、乙醇醇、丙酮酮等。 颜色色反应 蛋白质质可以跟跟许多试试剂发生生颜色反反应例例如在鸡鸡蛋白溶溶液中滴滴入浓硝硝酸，则则鸡蛋白白溶液呈呈黄色这是由由于蛋白白质（含含苯环结结构）与与浓硝酸酸发生了了颜色反反应的缘缘故还还可以用用双缩脲脲试剂对对其进行

9、行检验,该试剂剂遇蛋白白质变紫紫. 蛋白白质在灼灼烧分解解时，可可以产生生一种烧烧焦羽毛毛的特殊殊气味 利用这一性性质可以以鉴别蛋蛋白质三：蛋白质质的发现现蛋白质是荷荷兰 HYPERLINK /view/66827.htm 科学学家格里里特在118388年发现现的。他他观察到到有生命命的东西西离开了了蛋白质质就不能能生存。蛋蛋白质是是生物体体内一种种极重要要的高分分子有机机物，占占人体干干重的554%。蛋蛋白质主主要由氨氨基酸组组成，因因氨基酸酸的组合合排列不不同而组组成各种种类型的的蛋白质质。人体体中估计计有100万种以以上的蛋蛋白质。生生命是物物质运动动的高级级形式，这这种运动动方式是是通

10、过蛋蛋白质来来实现的的，所以以蛋白质质有极其其重要的的生物学学意义。人人体的生生长、发发育、运运动、遗遗传、繁繁殖等一一切生命命活动都都离不开开蛋白质质。生命命运动需需要蛋白白质，也也离不开开蛋白质质。 人体内的一一些生理理活性物物质如胺胺类、神神经递质质多肽类类激素、抗抗体、酶酶、核蛋蛋白以及及细胞膜膜上、血血液中起起“载体体”作用用的蛋白白都离不不开蛋白白质，它它对调节节生理功功能，维维持新陈陈代谢起起着极其其重要的的作用。人人体运动动系统中中肌肉的的成分以以及肌肉肉在收缩缩、作功功、完成成动作过过程中的的代谢无无不与蛋蛋白质有有关，离离开了蛋蛋白质，体体育锻炼炼就无从从谈起。 在生物物学

11、中，蛋蛋白质被被解释为为是由氨氨基酸借借肽键联联接起来来形成的的多 HYPERLINK /view/64661.htm 肽，然后后由多肽肽连接起起来形成成的物质质。通俗俗易懂些些说，它它就是构构成人体体组织器器官的支支架和主主要物质质，在人人体生命命活动中中，起着着重要作作用，可可以说没没有蛋白白质就没没有生命命活动的的存在。每每天的饮饮食中蛋蛋白质主主要存在在于瘦肉肉、蛋类类、豆类类及鱼类类中。 蛋白质缺乏乏：成年年人：肌肌肉消瘦瘦、肌体体免疫力力下降、贫贫血，严严重者将将产生水水肿。未未成年人人：生长长发育停停滞、贫贫血、智智力发育育差，视视觉差。蛋蛋白质过过量：蛋蛋白质在在体内不不能贮存

12、存，多了了肌体无无法吸收收，过量量摄入蛋蛋白质，将将会因代代谢障碍碍产生蛋蛋白质中中毒甚至至于死亡亡。在18世纪纪，安东东尼奥弗朗索索瓦（AAntooinee Foourccroyy）和其其他一些些研究者者发现蛋蛋白质是是一类独独特的生生物分子子，他们们发现用用酸处理理一些分分子能够够使其凝凝结或絮絮凝。当当时他们们注意到到的例子子有来自自蛋清、血血液、血血清白蛋蛋白、纤纤维素和和小麦面面筋里的的蛋白质质。荷兰兰化学家家Gerrharrduss Joohannness Muuldeer对一一般的蛋蛋白质进进行元素素分析发发现几乎乎所有的的蛋白质质都有相相同的实实验公式式。用“蛋蛋白质”这这一名

13、词词来描述述这类分分子是由由Mullderr的合作作者永斯斯贝采采利乌斯斯于18838年年提出。MMuldder随随后鉴定定出蛋白白质的降降解产物物，并发发现其中中含有为为氨基酸酸的亮氨氨酸，并并且得到到它（非非常接近近正确值值）的分分子量为为1311Da。 对于早早期的生生物化学学家来说说，研究究蛋白质质的困难难在于难难以纯化化大量的的蛋白质质以用于于研究。因因此，早早期的研研究工作作集中于于能够容容易地纯纯化的蛋蛋白质，如如血液、蛋蛋清、各各种毒素素中的蛋蛋白质以以及消化化性和代代谢酶（获获取自屠屠宰场）。119500年代后后期，AArmoour Hott Doog CCo.公公司纯化化了

14、一公公斤纯的的牛胰腺腺中的核核糖核酸酸酶A，并并免费提提供给全全世界科科学家使使用。目目前，科科学家可可以从生生物公司司购买越越来越多多的各类类纯蛋白白质。 著名化学家家莱纳斯斯鲍林林成功地地预测了了基于氢氢键的规规则蛋白白质二级级结构，而而这一构构想最早早是由威威廉阿阿斯特伯伯里于119333年提出出。随后后，Waalteer KKauzzmann在总结结自己对对变性的的研究成成果和之之前Kaaj LLinddersstroom-LLangg的研究究工作的的基础上上，提出出了蛋白白质折叠叠是由疏疏水相互互作用所所介导的的。19949年年，弗雷雷德里克克桑格格首次正正确地测测定了胰胰岛素的的氨

15、基酸酸序列，并并验证了了蛋白质质是由氨氨基酸所所形成的的线性（不不具有分分叉或其其他形式式）多聚聚体。原原子分辨辨率的蛋蛋白质结结构首先先在19960年年代通过过X射线线晶体学学获得解解析；到到了19980年年代，NNMR也也被应用用于蛋白白质结构构的解析析；近年年来，冷冷冻电子子显微学学被广泛泛用于对对于超大大分子复复合体的的结构进进行解析析。截至至到20008年年2月，蛋蛋白质数数据库中中已存有有接近550,0000个个原子分分辨率的的蛋白质质及其相相关复合合物的三三维结构构的坐标标。四：蛋白质质的折叠叠过程对蛋白质折折叠机理理的研究究，对保保留蛋白白质活性性，维持持蛋白质质稳定性性和包涵

16、涵体蛋白白质折叠叠复性都都具有重重要的意意义。早早在上世世纪300年代，我我国生化化界先驱驱吴宪教教授就对对蛋白质质的变性性作用进进行了阐阐释，330年后后，Annfinnsenn通过对对核糖核核酸酶AA的经典典研究表表明去折折叠的蛋蛋白质在在体外可可以自发发的进行行再折叠叠，仅仅仅是序列列本身已已经包括括了蛋白白质正确确折叠的的所有信信息，并并提出蛋蛋白质折折叠的热热力学假假说，为为此Annfinnsenn获得119722年诺贝贝尔化学学奖。这这一理论论有两个个关键点点：1蛋蛋白质的的状态处处于去折折叠和天天然构象象的平衡衡中；22 天然然构象的的蛋白质质处于热热力学最最低的能能量状态态。尽

17、管管蛋白质质的氨基基酸序列列在蛋白白质的正正确折叠叠中起着着核心的的作用，各各种各样样的因素素，包括括信号序序列，辅辅助因子子，分子子伴侣，环环境条件件，均会会影响蛋蛋白质的的折叠，新新生蛋白白质折叠叠并组装装成有功功能的蛋蛋白质，并并非都是是自发的的，在多多数情况况下是需需要其它它蛋白质质的帮助助，已经经鉴定了了许多参参与蛋白白质折叠叠的折叠叠酶和分分子伴侣侣，蛋白白质“自自发折叠叠”的经经典概念念发生了了转变和和更新，但但这并不不与折叠叠的热力力学假说说相矛盾盾，而是是在动力力学上完完善了热热力学观观点。在在蛋白质质的折叠叠过程中中，有许许多作用用力参与与，包括括一些构构象的空空间阻碍碍，

18、范德德华力，氢氢键的相相互作用用，疏水水效应，离离子相互互作用，多多肽和周周围溶剂剂相互作作用产生生的熵驱驱动的折折叠，但但对于蛋蛋白质获获得天然然结构这这一复杂杂过程的的特异性性，我们们还知之之甚少，许许多实验验和理论论的工作作都在加加深我们们对折叠叠的认识识，但是是问题仍仍然没有有解决。 在折叠叠的机制制研究上上早期的的理论认认为，折折叠是从从变性状状态通过过中间状状态到天天然状态态的一个个逐步的的过程，并并对折叠叠中间体体进行了了深入研研究，认认为折叠叠是在热热力学驱驱动下按按单一的的途径进进行的。后后来的研研究表明明折叠过过程存在在实验可可测的多多种中间间体，折折叠通过过有限的的路径进

19、进行。新新的理论论强调在在折叠的的初始阶阶段存在在多样性性，蛋白白质通过过许多的的途径进进入折叠叠漏斗（ffolddingg fuunneel），从从而折叠叠在整体体上被描描述成一一个漏斗斗样的图图像，折折叠的动动力学过过程被认认为是部部分折叠叠的蛋白白质整体体上的进进行性装装配，并并且伴随随有自由由能和熵熵的变化化，蛋白白质最终终寻找到到自己的的正确的的折叠结结构，这这一理论论称为能能量图景景（ennerggy llanddscaape），如如图3所所示，漏漏斗下方方的凹凸凸反映蛋蛋白质构构象瞬间间进入局局部自由由能最小小区域。 能量图图景（TThe eneergyy laandsscapp

20、e）的的示意图图，高度度代表能能量尺度度，宽度度代表构构象尺度度，在漏漏斗（ffunnnel）的的下方存存在别的的低能量量状态，共共存的不不同能量量状态的的蛋白质质种类也也降到最最小。 这一理论认认为结构构同源的的蛋白质质可以通通过不同同的折叠叠途径形形成相似似的天然然构象，人人酸性成成纤维生生长因子子（hFFGF-1）和和蝾螈酸酸性成纤纤维生长长因子（nnFGFF-1）氨氨基酸序序列具有有约800%同源源性，并并且具有有结构同同源性（112个折叠反反向平行行排列形形成折折叠桶），在在盐酸胍胍诱导去去折叠的的过程中中，hFFGF-1可以以监测到到具有熔熔球体样样的折叠叠中间体体，而nnFGFF

21、-1经经由两态态（天然然状态到到变性状状态）去去折叠，没没有检测测到中间间体的存存在，折折叠的动动力学研研究也表表明两种种蛋白采采用不同同的折叠叠机。对对于同一一蛋白质质，采用用的渗透透压调节节剂（oosmoolyttes）不不同，蛋蛋白质叠叠的途径径也不相相同，说说明不同同的渗透透压调节节剂对蛋蛋白质的的稳定效效应不同同。这两两个例子子都说明明折叠机机制的复复杂性，也也与上面面所介绍绍的理论论相吻合合。五：蛋白质质的研究究和意义义1蛋白质质组学研研究的研研究意义义和背景景 随着人人类基因因组计划划的实施施和推进进，生命命科学研研究已进进入了后后基因组组时代。在在这个时时代，生生命科学学的主要

22、要研究对对象是功功能基因因组学，包包括结构构基因组组研究和和蛋白质质组研究究等。尽尽管现在在已有多多个物种种的基因因组被测测序，但但在这些些基因组组中通常常有一半半以上基基因的功功能是未未知的。目目前功能能基因组组中所采采用的策策略，如如基因芯芯片、基基因表达达序列分分析(SSeriial anaalyssis of genne eexprresssionn, SSAGEE)等，都都是从细细胞中mmRNAA的角度度来考虑虑的，其其前提是是细胞中中mRNNA的水水平反映映了蛋白白质表达达的水平平。但事事实并不不完全如如此，从从DNAA mRRNA 蛋白质质，存在在三个层层次的调调控，即即转录水水

23、平调控控(Trransscriiptiionaal cconttroll )，翻翻译水平平调控(Traansllatiionaal cconttroll)，翻翻译后水水平调控控(Poost-traansllatiionaal cconttroll )。从从mRNNA角度度考虑，实实际上仅仅包括了了转录水水平调控控，并不不能全面面代表蛋蛋白质表表达水平平。实验验也证明明，组织织中mRRNA丰丰度与蛋蛋白质丰丰度的相相关性并并不好，尤尤其对于于低丰度度蛋白质质来说，相相关性更更差。更更重要的的是，蛋蛋白质复复杂的翻翻译后修修饰、蛋蛋白质的的亚细胞胞定位或或迁移、蛋蛋白质蛋白质质相互作作用等则则几乎

24、无无法从mmRNAA水平来来判断。毋毋庸置疑疑，蛋白白质是生生理功能能的执行行者，是是生命现现象的直直接体现现者，对对蛋白质质结构和和功能的的研究将将直接阐阐明生命命在生理理或病理理条件下下的变化化机制。蛋蛋白质本本身的存存在形式式和活动动规律，如如翻译后后修饰、蛋蛋白质间间相互作作用以及及蛋白质质构象等等问题，仍仍依赖于于直接对对蛋白质质的研究究来解决决。虽然然蛋白质质的可变变性和多多样性等等特殊性性质导致致了蛋白白质研究究技术远远远比核核酸技术术要复杂杂和困难难得多，但但正是这这些特性性参与和和影响着着整个生生命过程程。 2蛋蛋白质组组学研究究的策略略和范围围 蛋白质质组学一一经出现现，就

25、有有两种研研究策略略。一种种可称为为“竭泽泽法”，即即采用高高通量的的蛋白质质组研究究技术分分析生物物体内尽尽可能多多乃至接接近所有有的蛋白白质，这这种观点点从大规规模、系系统性的的角度来来看待蛋蛋白质组组学，也也更符合合蛋白质质组学的的本质。但但是，由由于蛋白白质表达达随空间间和时间间不断变变化，要要分析生生物体内内所有的的蛋白质质是一个个难以实实现的目目标。另另一种策策略可称称为“功功能法”，即即研究不不同时期期细胞蛋蛋白质组组成的变变化，如如蛋白质质在不同同环境下下的差异异表达，以以发现有有差异的的蛋白质质种类为为主要目目标。这这种观点点更倾向向于把蛋蛋白质组组学作为为研究生生命现象象的

26、手段段和方法法。 早期蛋蛋白质组组学的研研究范围围主要是是指蛋白白质的表表达模式式（Exxpreessiion proofille）, 随着着学科的的发展，蛋蛋白质组组学的研研究范围围也在不不断完善善和扩充充。蛋白白质翻译译后修饰饰研究已已成为蛋蛋白质组组研究中中的重要要部分和和巨大挑挑战。蛋蛋白质-蛋白质质相互作作用的研研究也已已被纳入入蛋白质质组学的的研究范范畴。而而蛋白质质高级结结构的解解析即传传统的结结构生物物学，虽虽也有人人试图将将其纳入入蛋白质质组学研研究范围围，但目目前仍独独树一帜帜。 3蛋蛋白质组组学研究究技术 可以说说，蛋白白质组学学的发展展既是技技术所推推动的也也是受技技术

27、限制制的。蛋蛋白质组组学研究究成功与与否，很很大程度度上取决决于其技技术方法法水平的的高低。蛋蛋白质研研究技术术远比基基因技术术复杂和和困难。不不仅氨基基酸残基基种类远远多于核核苷酸残残基（220/ 4）, 而且且蛋白质质有着复复杂的翻翻译后修修饰，如如磷酸化化和糖基基化等，给给分离和和分析蛋蛋白质带带来很多多困难。此此外，通通过表达达载体进进行蛋白白质的体体外扩增增和纯化化也并非非易事，从从而难以以制备大大量的蛋蛋白质。蛋蛋白质组组学的兴兴起对技技术有了了新的需需求和挑挑战。蛋蛋白质组组的研究究实质上上是在细细胞水平平上对蛋蛋白质进进行大规规模的平平行分离离和分析析，往往往要同时时处理成成千上万万种蛋白白质。因因此，发发展高通通量、高高灵敏度度、高准准确性的的研