蛋白质科学进展与展望-

Part1•Introductiontoproteinscience1WhatareProteins?•ProteinsequencesareencodedinDNAwhichisitselfalinearmoleculecomposedoffourtypesofbases”.每一种蛋白质都有自己独特的氨基酸序列，而氨基酸序列的组成信息则由编码对应蛋白质的基因的核苷酸序列所决定。遗传密码是一套由三个核苷酸组成的密码子，每一种三个核苷酸的组合可以编码一种特定氨基酸，如mRNA上的AUG（在DNA中为ATG）编码甲硫氨酸。由于DNA含有四种核苷酸（A、T、C、G），所以对应的可能的密码子有4×4×4=64种；而标准氨基酸只有20种，因此有部分密码子是冗余的，即部分氨基酸可以由多个不同的密码子所编码。DNA中的基因首先在RNA聚合酶等蛋白质的作用下被转录为前mRNA。在大多数生物体中，前mRNA（或初始转录产物）要经过转录后修饰以形成成熟的mRNA，随后mRNA就可以经由核糖体被用作蛋白质合成的模板。在原核生物中，mRNA可能可以在生成后被直接用于蛋白质合成，或者在离开类核后就结合核糖体。而在真核生物中，mRNA在细胞核中被合成，然后通过核膜被转运到细胞质中；在细胞质中，mRNA才可以被用于蛋白质合成。原核生物的蛋白质合成速率可以达到每秒20个氨基酸，要高于真核生物。从一个mRNA模板合成一个蛋白质的过程被称为翻译。在翻译过程中，mRNA被一些蛋白质携带到核糖体上；然后核糖体在mRNA上从5'端到3'端寻找起始密码子（大多数情况下为AUG）；找到起始密码子后，即核糖体上起始tRNA的反密码子与起始密码子配对后，翻译就可以开始进行；在起始密码子后，核糖体每一次阅读三个核苷酸（或一个密码子），同样是通过携带对应氨基酸的tRNA上反密码子与密码子配对。其中，氨酰tRNA合成酶可以将tRNA分子与正确的氨基酸连接到一起。不断延长的多肽链通常被称为“新生链”。生物体中的蛋白质合成总是从N-端到C-端。•Proteinsarelinearchainsofvariedlengthofbuildingblocks,i.e.20typesofaminoacids.Sequencedeterminesthefunctionandstructure！•Thelinearchainsofproteinsfoldintospecificthree-dimensionalstructures.•Onlywhentheproteinfoldsintoaspecific,stable3Dstructuredoesitbecomeactiveorfunctional.大多数的蛋白质都自然折叠为一个特定的三维结构，这一特定结构被称为天然状态。虽然多数蛋白可以通过本身氨基酸序列的性质进行自我折叠，但还是有许多蛋白质需要分子伴侣的帮助来进行正确的折叠。在高温或极端pH条件下，大多数蛋白质会失去它的天然状态，这一现象就称为变性。生物化学家常常用以下四个方面来表示蛋白质的结构：一级结构：组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。二级结构：依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α螺旋和β折叠。三级结构：通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维结构，是单个蛋白质分子的整体形状。蛋白质的三级结构大都有一个疏水核心来稳定结构，同时具有稳定作用的还有盐桥、氢键和二硫键等。常常可以用“折叠”一词来表示“三级结构”。四级结构：用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子的形态。蛋白质并不完全是刚性分子。许多蛋白质在执行生物学功能时可以在多个相关结构中相互转换。在进行功能型结构重排时，这些相关的三级或四级结构通常被定义为不同“构象”，而这些结构之间的转换就被称为“构象变换”。例如，酶的构象变换常常是由底物结合到活性位点所导致。在溶液中，所有的蛋白质都会发生结构上的动态变化，主要表现为热振动和与其他分子之间碰撞所导致的运动。蛋白质可以由三级结构的不同大致分为三个主要类别：球蛋白、纤维蛋白和膜蛋白。几乎所有的球蛋白都是水溶性的，许多酶都是球蛋白；纤维蛋白多为结构蛋白；膜蛋白常常作为受体或分子通道，是细胞与外界联系的重要介质。•Proteinsareabundantinallorganismsandaretheworkermoleculesthatmakepossibleeveryactivityinourbody.蛋白质是细胞中的主要功能分子。除了特定类别的RNA，大多数的其他生物分子都需要蛋白质来调控。蛋白质也是细胞中含量最为丰富的分子之一；例如，蛋白质占大肠杆菌细胞干重的一半，而其他大分子如DNA和RNA则只分别占3%和20%。在一个特定细胞或细胞类型中表达的所有蛋白被称为对应细胞的蛋白质组。蛋白质能够在细胞中发挥多种多样的功能，涵盖了细胞生命活动的各个方面：发挥催化作用的酶；参与生物体内的新陈代谢的调剂作用，如胰岛素；一些蛋白质具有运输代谢物质的作用，如离子泵和血红蛋白；发挥储存作用，如植物种子中的大量蛋白质，就是用来萌发时的储备；许多结构蛋白被用于细胞骨架等的形成，如肌球蛋白；还有免疫、细胞分化、细胞凋亡等过程中都有大量蛋白质参与。蛋白质功能发挥的关键在于能够特异性地并且以不同的亲和力与其他各类分子，包括蛋白质分子结合。蛋白质结合其他分子的区域被称为结合位点，而结合位点常常是从蛋白质分子表面下陷的一个“口袋”；而结合能力与蛋白质的三级结构密切相关，因为结构决定了结合位点的形状和化学性质（即结合位点周围的氨基酸残基的侧链的化学性质）。蛋白质结合的紧密性和特异性可以非常高；例如，核糖核酸酶抑制蛋白可以与人的血管促生蛋白angiogenin以亚飞摩尔（sub-femtomolar，即10-15M）量级的解离常数进行结合，[17]但却完全不结合（解离常数1M）angiogenin在两栖动物中的同源蛋白抗肿瘤核糖核酸酶（onconase）。非常微小的化学结构变化，如在结合位点的某一残基侧链上添加一个甲基基团，有时就可以几乎完全破坏结合；例如，氨酰tRNA合成酶可以分辨侧链结构非常类似的缬氨酸和异亮氨酸，而这两种氨基酸的差别就在于异亮氨酸的侧链多出一个甲基。相同的蛋白质分子结合在一起就可形成同源寡聚体或多聚体，有些多聚体可以形成纤维；而这些形成纤维的蛋白质往往是结构蛋白，它们在单体状态下是球蛋白，通过自结合来形成刚性的纤维。蛋白-蛋白相互作用可以调控酶的活性和细胞周期中的各种进程，并可以使大型的蛋白质复合物得以形成，这样可以将参与同一生物学功能的分子结合到一起，从而提高其工作效率；而结合所诱导的蛋白构象变化对于复杂的信号传导网络的构建也是必不可少的。还有一些蛋白质（如膜蛋白）可以结合或者插入到细胞膜中。•Introductiontostructuralbiology结构生物学是一门以生物物理学和生物化学手段来研究生物大分子（如蛋白质分子和核酸分子）的三维结构（包括构架和形态），并研究结构与对应功能的关系的学科。由于结构生物学能够解释生物大分子的构象和相互作用的方式，而所有的生命活动都是通过各种生物大分子的相互作用来实现；因此，对于生物学家们来说，这是一个非常有吸引力的领域。研究方法由于生物大分子的直径一般为数个纳米到数百个纳米，即使用最先进的光学显微镜也无法进行观测，因此结构生物学家发展了各种方法来研究生物大分子的结构。目前用于研究生物大分子三维结构常用的实验手段有X射线晶体学、核磁共振、电子显微学、原子力显微镜以及X射线小角散射等。所有的这些研究方法都有其优点和缺陷，不同的研究对象需要采用不同的方法。如核磁共振光谱学比较适合研究小分子量（通常小于20kDa）的蛋白和蛋白相互作用位点的信息，而电子显微学比较适合研究超大分子量蛋白复合物（通常远大于100kDa）甚至亚细胞器的结构；因此往往需要通过结合不同的方法来互补。相关的诺贝尔奖佛朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森在DNA分子的结构研究上的贡献而获得了1962年诺贝尔生理学和医学奖；马克斯·佩鲁茨和约翰·肯德鲁因为利用X射线晶体学研究了肌红蛋白的三维结构而获得了1962年诺贝尔化学奖；多萝西·克劳福特·霍奇金因为通过X射线晶体学确定了一些重要生化物质的结构而获得了1964年诺贝尔化学奖；亚伦·克拉格因为在利用电子晶体学测定生物物质的结构方面的贡献而获得了1982年诺贝尔化学奖；赫伯特·豪普特曼和杰罗姆·卡尔勒因为在测定晶体结构的直接方法上的贡献而获得了1985年诺贝尔化学奖；约翰·戴森霍费尔、罗伯特·胡贝尔和哈特姆特·米歇尔因为在解析光合作用中心的三维结构上的贡献而获得了1988年诺贝尔化学奖；库尔特·维特里希因为发明了利用多维核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法而获得了2002年诺贝尔化学奖；罗德里克·麦金农由于在细胞膜离子通道的结构和机理研究方面的贡献而获得了2003年诺贝尔化学奖；罗杰·科恩伯格因为在真核转录的分子基础研究上的贡献而获得了2006年诺贝尔化学奖；美国科学家罗伯特.勒夫科维兹(RobertJ.Lefkowitz)与布莱恩·K·卡比尔卡(BrianK.Kobilka)因在G蛋白偶联受体方面的研究获得2012年诺贝尔化学奖。•Maintechniquesinstructuralbiology•X-raymacromolecularcrystallographyX射线晶体学是一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科。更准确地说，利用电子对X射线的散射作用，X射线晶体学可以获得晶体中电子密度的分布情况，再从中分析获得原子的位置信息，即晶体结构。（以下论述以高分子材料的X射线晶体学为主）由于所有的原子都含有电子，并且X射线的波长范围为0.001－10纳米（即0.01－100埃），其波长与成键原子之间的距离（1－2埃附近）可比，因此X射线可用于研究各类分子的结构。但是，到目前为止还不能用X射线对单个的分子成像，因为没有X射线透镜可以聚焦X射线，而且X射线对单个分子的衍射能力非常弱，无法被探测。[1]而晶体（一般为单晶）中含有数量巨大的方位相同的分子，X射线对这些分子的衍射叠加在一起就能够产生足以被探测的信号。从这个意义上说，晶体就是一个X射线的信号放大器。[1]X射线晶体学将X射线与晶体学联系在一起，从而可以对各类晶体结构进行研究，特别是蛋白质晶体结构。研究方法晶体生长显微镜下的蛋白质晶体。用于X射线晶体学研究的晶体通常边长小于一个毫米。为了获得可供衍射的单晶，就需要将纯化后的生物样品进行晶体生长。晶体生长的方法有很多，如气相扩散法、液相扩散法、温度渐变法、真空升华法、对流法等等，而目前应用最广泛的晶体生长方法是气相扩散法。气相扩散法又可以分为悬滴法、坐滴法、三明治法、油滴法和微量透析法。其中，悬滴法的使用频率最高。（以上方法都属于化学方法，通常，研究凝聚态物理的用得最多的是区熔法，以多晶材料为基础通过局部施加高温使其部分熔化后再结晶，从而逐渐得到大块的晶体，高分子材料通常不能承受过高温度，所以无法使用这种方法）在获得初步的晶体生长条件后，往往需要对晶体生长条件进行优化，包括调整沉淀剂浓度、pH值、样品浓度、温度、离子强度等。衍射数据收集在获得单晶之后，就需要进行衍射实验，即用X射线打到晶体上，产生衍射，并记录衍射数据。X射线的来源主要有两种，一种是在常用X射线仪上使用的，通过高能电子流轰击铜靶（或钼靶），产生多个特征波长的X射线，其中使用的CuKα的波长为1.5418Å；另一种就是利用同步辐射所产生的X射线，其波长可以变化。同步辐射X射线可以分为角散同步辐射（ADXD）和能散同步辐射（EDXRD）两种，角散同步辐射的实验原理与通常的X射线衍射仪是一样的，不过波长更低（如0.6199Å），能量更高；而能散使用白光入射，即入射光具有连续波长，收集的衍射信号是在固定角度进行的，它的分辩率较角散同步辐射低，技术要求也较低。现在中国的北京同步辐射装置（B