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1、蛋 白 质 化 学 教 程,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300-50
2、0AA。 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。,生物体蛋白质的种类 从理论上讲，蛋白质由20种氨基酸（AA）组成，n个氨基酸 构成的肽，就有20n种
3、肽，假定蛋白质都是由100个氨基酸残基组 成，侧可能有20100种。 然而，人类基因组研究提示，人类约3-4万个功能基因，因 此，理论与实际相差2096种，表明,在2096种序列中绝大部分可能 是不稳定的，不具有特定的结构和功能，即使其中的一部分具有 某些活性，但在进化过程中的作用很小。(DNA,RNA,Proteins),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
4、细胞贫血：镰刀型血红蛋白(链第6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
5、糖。,二、蛋白质研究的历程 1、蛋白质的发现 “蛋白质” 的概念出现在德文里，Eiweisskoerper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 http:/www.ancientegypt.co.uk/menu.htm,宴会情景，以面包、 啤酒宴客 http:/www.ancientegypt.co.uk/life/story/main.html,金字塔中的面包 http:/www.ancientegypt.co.uk/life
6、/story/main.html 制作面包的模型 http:/www.ancientegypt.co.uk/life/story/main.html,1779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1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（Matthi
7、as Jakob Schleiden 18041881）和德国生理 学家（Theodor Schwann 1810-1882， 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 von Liebig，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（Will
8、y Khne，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。,2、蛋白质的分离及结构分析 1864年 F.Hoppe-Seyler（1825-1895）Tbingen Uni(建于1477年)教授（Miescher的导师），首先结 晶血红蛋白。 1945年Frederick Sanger及同事发展了二硝基苯法
9、。 接着发展了N-末端鉴定的异硫氰酸苯酯。1953年完成了 胰岛素A、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 Sanger Institute,1950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)。 1962年，英国化学家肯德鲁（John Cowdery Kendrew 利用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。,蛋白质研究中获得若贝尔
10、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。,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 & Proteomics “Proteins are central to our understanding of cellular function and disease processes“ Nature 409, 747 (2001),1蛋白
11、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。,2、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
12、-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。,3、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 protein electro
13、phoresis）双向蛋白质电泳 ESIMS（electrospray ionizationmass spectrometry）电喷雾电离质谱 IPG（ immobilized pH gradient）固定pH梯度 MALDI-TOF-MS （ Matrix assisted laser desorption ionisation 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( mass spectrometry)质谱 ICAT（同位素亲和标签 ）等灵敏的生物检测技术 PTM( post-translational m
14、odification)翻译后修饰 SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel 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
15、进展十分迅速，理论和方法不断完善。 通用数据库 MIPS - Protein sequences and complete genomic sequences PDB - Protein Data Bank PIR-international - Protein sequence database co-developed by NBRF, MIPS and JIPID SWISS-PROT - SWISS-PROT annotated protein sequence database,蛋白多肽相关数据库 BioImage - European biological image databa
16、se (contains microelectroscopic imaging data on macromolecules) BioMagResBank - Repository for data on proteins, peptides, and nucleic acids from NMR spectroscopy BLOCKS - BLOCKS database DOMO - Protein domain database (Automatically generated) Pfam - Protein families database (HMM derived),2D与3D结构数
17、据库 BMM Domain Server - Biomolecular Modelling Laboratory (ICRF) protein domain server CATH - Univ College London BSM structuralclassification of proteins CCDC - Cambridge Crystallographic Data Center(Cambridge Stuctural Database (CSD) NHGRI Homeodomain Resource - A prototype database for a large pro
18、tein family SCOP - Structural classification of proteins PROTOMAP - An automatic hierarchical classification of SWISS-PROT proteins SWISS-3DIMAGE - 3D images of proteins and other biological macromolecules SWISS-MODEL Repository - Automatically generated protein models database TOPS - Topology carto
19、ons diagrams The Molecules of Life,生物大分子数据库 ESTHER - Esterases, alpha/beta hydrolase enzyme and relatives The Ion Channel Network (ICN) NHGRI/NCBI Histone Sequence Database LIGAND Mol_R_Us - Molecule R Us, browser for PDB MPW - Metabolic pathways PROLYSIS A protease and protease inhibitor Web server
20、,酶代谢数据库 a protease and protease inhibitor Web server GenLink Multimedia Telomere ResourceMEROPS The MEROPS database provides a wealth of information on proteases. REBASE - restriction enzymes and methylases Telomere & Telomerase Reseach Information,受体与信息传递数据库 G-Protein Coupled Receptor DatabaseOlfac
21、tory Receptor DataBase ReLiBase - Receptor/ligand complexes database SENTRA: A Database of Sensory Signal Transduction Proteins SMART - Protein signalling and extracellular domain patterns,蛋白种类关系数据库 DIP - Database of Interacting Proteins,遗传变异数据库 Andogen Receptor Mutations Database Ataxia-Telangiecta
22、sia Mutation Database - Virginia Mason Research Center ATbase - A registry of patients with ataxia-telangiectasia ALPSbase - Autoimmune Lymphoproliferative Syndrome Database,a database of mutations causing human ALPS Fanconi Anemia Mutation Database IL2RGbase: Database of Mutations Causing Human X-L
23、inked SCID (XSCID/X-SCID) Immunodeficiency Databases (IDbases) Keio mutation database for human disease gene mutations Mutation Databases - University of Tampere OMIM - Online Mendelian Inheritance in Man PMD - Protein Mutation database p53 DatabaseTetrahydrobiopterin - BH4,其它蛋白质数据库 DExH/PROTEIN DATABASE PRINTS - Protein Motif fingerprint database PRESAGE - Collaborative Database of experimental data on proteins ProDom - Protein domain database (Automatically generated) PROSITE - PROSITE dictionary of protein sites and patterns,