论蛋白质在生命体研究中的作用

论蛋白质在生命体研究中的作用摘要：蛋白质是生物体中广泛存在的一类生物大分子，具有特定立体结构的和生物活性以及诸多功能，根据这些功能我们可以将其应用于蛋白质的分子设计、蛋白质功能的改造、疾病的基因治疗以及新型耐抗药性药物的开发与设计甚至是发现生物进化的规律等先进科研领域上。因此，蛋白质在生命体研究中具有极其重要的作用。蛋白质是生物体中广泛存在的一类生物大分子，是由核酸编码的氨基酸之间通过氨基和羧基形成的肽键连接而成的肽链，经翻译后加工而生成的产物。具有特定立体结构的和生物活性。蛋白质在体内是构成多种重要生理活性物质的成分，参与调节生理功能。如核蛋白构成细胞核并影响细胞功能；酶蛋白具有促进物质消化、吸收和利用的作用；免疫蛋白具有维持机体免疫功能的作用。下面具体介绍蛋白质的一些功能：①催化：蛋白质的一个最重要的生理功能是作为生物体新陈代谢的催化剂——酶，酶是蛋白质中最大的一类，生物体内的各种化学反应几乎都是在相应的酶的参与下进行的。酶的催化效率远大于合成的催化剂。②调节：许多蛋白质能调节其他蛋白质执行其生理功能的能力，这些蛋白质称为调节蛋白，最著名的例子是胰腺兰氏小岛的β细胞分泌的胰岛素，它是调节动物体内血糖代谢的一种激素。另一类调节蛋白参与基因表达的调控，它们激活或是抑制遗传信息转录为RNA。③转运：第三类是转运蛋白，其功能是从一地到另一地转运特定的物质。一类转运蛋白如血红蛋白，血清清蛋白，是通过血流转运物质的，另一类转运蛋白是膜转运蛋白，它们能通过渗透性屏障（细胞膜）转运代谢物和养分（葡萄糖、氨基酸等），如葡糖转运蛋白。④贮存：另一类蛋白质是氨基酸的聚合物，又因氮素通常是生长的限制性养分，所以生物体必要时就利用蛋白质作为提供充足氮素的一种方式，蛋白质除为生物体发育提供C、H、O、N、S元素外，像铁蛋白还能贮存Fe，用于含铁的蛋白质如血红蛋白的合成。⑤运动：某些蛋白质赋予细胞以运动的能力，肌肉收缩和细胞游动是细胞具有这种能力的代表。作为运动基础的收缩和游动蛋白具有共同的性质：它们都是丝状分子或丝状聚集体。另一类参与运动的蛋白质称发动机蛋白质，如动力蛋白和驱动蛋白，它们可驱使小泡、颗粒和细胞器沿微管轨道移动。⑥结构成分：蛋白质另一重要功能是建造和维持生物体的结构。这类蛋白质称为结构蛋白，它们给细胞和组织提供强度和保护。这类蛋白质多数是不溶性纤维状蛋白质，如胶原蛋白。胶原蛋白还和蛋白聚糖等构成动物的胞外基质，后者是细胞的保护性屏障。⑦支架作用：新近发现某些蛋白质在细胞应答激素和生长因子的复杂途径中起作用，这类蛋白质称支架蛋白或接头蛋白，支架蛋白都有一个组件组织，蛋白质结构的特定部分（组件）通过蛋白——蛋白相互作用能识别并结合其他蛋白中的某些结构元件。⑧防御和进攻：与一些结构蛋白的被动性防护不同，一类确切的称为保护或开发蛋白的蛋白质在细胞防御、保护、开发方面的作用是主动的。保护蛋白中最突出的是脊椎动物体内的免疫球蛋白或称抗体。抗体是在外来的蛋白质或其他高分子化合物即所谓抗原的影响下由淋巴细胞产生，并能与相应的抗原结合而排除外来物质对生物体的干扰。另一类保护蛋白是血液凝固蛋白，如凝血酶原和血纤蛋白原等。此外起防卫和开发作用的一些蛋白，包括蛇毒和蜂毒的溶血蛋白和神经毒蛋白以及植物毒蛋白和细菌毒素。⑨异常蛋白：某些蛋白质具有上述以外的功能，如应乐果甜蛋白有着极高的甜度，昆虫翅膀的铰合部存在一种具有特殊弹性的蛋白质，称节肢弹性蛋白，某些海洋生物如贝类分泌一类胶质蛋白，能将贝壳牢固的黏在岩石或其他硬表面上。正因为蛋白质有如此之多的功能，因此对生命生理、心理等各个方面都能产生不可忽视的影响，了解蛋白质结构和蛋白质的结构与功能的关系，有助于发现蛋白质是如何发挥其生物学功能的，这对生命体的研究具有极其重要的意义。现依据我自身理解，仅列出其中的两个方面如下：一、通过对蛋白质结构、功能关系的深入了解，将其应用在蛋白质的分子设计、蛋白质功能的改造、疾病的基因治疗以及新型耐抗药性药物的开发与设计等方面。蛋白质除了可以自身合成外，还有一些必需要从机体外摄取，且对于摄取量有一定的限定范围，过多或过少都不好。《中国居民膳食营养素参考摄入量》中推荐每人每天蛋白质的摄入量是65～90克。2000年，中国营养学会调查显示，中国人均每天蛋白质的摄入量远低于推荐摄入量。对于生长阶段的儿童而言，蛋白质的缺乏常见症状是代谢率下降，对疾病抵抗力减退，免疫力下降易患病，长期缺乏蛋白质会造成器官的损害，常见的是儿童的生长发育迟缓、体质量下降、淡漠、易激怒、贫血以及干瘦病或水肿，并因此易感染其他疾病。可是对蛋白质的摄入过多，不仅会造成浪费，而且对人体健康也是有危害的，因为蛋白质在体内的分解产物聚积会影响正常的肝肾功能和免疫力低下，其中动物性蛋白质摄入过多还会诱发心脏病。此外，食用过多的蛋白质还会增加患癌症的风险。如果我们能将这些人类所需的蛋白质通过人工合成制成药剂定量食用，就可以有效解决因食物匮乏等外因导致的身体疾病。目前我们已经发现有很多疾病与蛋白结构异常变化相关，譬如阿兹海默症、老年痴呆症、亨廷顿舞蹈病、疯牛病等。亨廷顿氏舞蹈症是一种家族显性遗传型疾病。患者由于基因突变或者第四对染色体内DNA（脱氧核糖核酸）基质之CAG三核甘酸重复序列过度扩张，造成脑部神经细胞持续退化，机体细胞错误地制造一种名为“亨廷顿蛋白质”的有害物质。这些异常蛋白质积聚成块，损坏部分脑细胞，特别是那些与肌肉控制有关的细胞，导致患者神经系统逐渐退化，神经冲动弥散，动作失调，出现不可控制的颤搐，并能发展成痴呆，甚至死亡。而重症肌无力是一种影响神经肌肉接头传递的自身免疫性疾病，其确切的发病机理目前仍不明确，但是有关该病的研究还是很多的，且大量的研究发现，重症肌无力患者神经肌肉接头处突触后膜上的乙酰胆碱受体(AchR)数目减少，受体部位存在抗AchR抗体，且突触后膜上有IgG和C3复合物的沉积，并且证明，血清中的抗AchR抗体的增高和突触后膜上的沉积所引起的有效的AchR数目的减少，是本病发生的主要原因，而胸腺是AchR抗体产生的主要场所，因此，本病的发生一般与胸腺有密切的关系，所以，调节人体AchR，使之数目增多，化解突触后膜上的沉积，抑制抗AchR抗体的产生是治愈本病的关键。要想调节人体AchR，从蛋白质的分子设计、蛋白质功能的改造上着手肯定能有很大的突破从而治愈这类绝症。二、通过研究同源蛋白质的序列同源性发现生物进化的规律。在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质称为同源蛋白质，同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性，具有明显序列同源的蛋白质也称同源蛋白质，同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸残基对所以已研究过的物种来说都是相同的，因此称为不变残基，其他位置的氨基酸残基对于不同物种有相当大的变化，因而称为可变残基。细胞色素c是一种含血红素的电子转运蛋白，它存在于所有真核生物的线粒体中。它的序列的研究提供了同源性的最好例证。40多种物种的细胞色素c的分析揭示，多肽链中28个位置上的氨基酸残基对所有已分析过的样品都是相同的。看来这些不变残基对这种蛋白质的生理学功能是至关重要的，因此这些位置不允许被其他氨基酸取代，可变残基可能是一些填充或间隔的区域，氨基酸残基的变幻不影响蛋白质的功能。可变残基提供了另一类信息。细胞色素c和其他同源蛋白质的序列资料分析得出了一个重要的结论：来自任意两个物种的同源蛋白质，其序列间的氨基酸差异数目与这些物种间的系统发生差异是成比例的，也即在进化位置上相差越远，其氨基酸序列之间的差别越大。由此，我们用细胞色素c的氨基酸序列资料核对各个物种之间的分类学关系以及绘制系统【发生】树或称进化树，系统树是用计算机分析细胞色素c序列并找出连接分支的最小突变残基数的方法构建起来的。用其他计算机方法可推论出系统树分支点处的潜在祖先序列。事实证明，这种系统树与根据经典分类学建立起来的系统树非常一致，过去进化树长被认为是可接受的，但如今终于在实践中得到证实。根据系统树不仅可以研究从单细胞生物到多细胞生物的生物进化过程，而且可以粗略估计现存的各类物种的分歧时间，因此对物种起源和进化是有极大帮助的。然而，由于各种各样的原因导致蛋白质的研究进展缓慢且难以达到精确，例如到目前为止，解析蛋白质结构最为有效和可靠的方法，仍是来自于物理学的X射线晶体衍射和核磁共振的方法。然而，X射线晶体衍射解析蛋白质结构的前提是被解析的对象必须要能形成晶体，而要获得一个蛋白质的晶体并非易事，往往需要较长的时间或者有些蛋白质本身就很难形成晶体；核磁共振方法的优点是能在溶液环境中测定蛋白质的结构，但目前只能测定序列小于100个氨基酸残基的蛋白质的结构，而很多蛋白质是由100个以上的氨基酸残基组成，此其一，另外，蛋白质的功能是在特定的时空范围内进行的，脱离了这样的时空，就无功能可言。而目前的许多研究结果，都是体外实验获得的，而这些体外实验的结果是否与体内的真实情况完全吻合，还有待进一步研究验证，此其二，同时蛋白质序列的保守性在很大程度上是受其功能的约束，随着功能的变化，其序列的保守性也会发生明显的改变，此其三。正因为蛋白质的序列、结构、功能之间没有明确的一一对应关系，使得人类对它的认知还相当浅薄，也就是说还有更多的作用未被能发掘和利用。