第三节 蛋白质与蛋白质组学
蛋白质是生命的物质基础，是生物体中含量最丰富、功能最复杂的一类高分子物质。生物体结构越复杂，其蛋白质种类和功能也越繁多。人体中约有十万余种不同的蛋白质，它们不仅作为细胞和组织的结构成分，而且参与生物体的几乎所有生理生化过程，如物质代谢与调节、血液凝固、物质的运输、肌肉收缩、机体防御、细胞信号转导、基因的表达与调控等各种重要的生命过程。
一 、蛋白质的合成与加工
蛋白质生物合成是指DNA结构基因中储存的遗传信息通过转录（transcription）生成mRNA，再指导多肽链合成的过程，也称为翻译（translation）。核糖体是蛋白质合成的场所，mRNA是指导多肽链合成的模板，mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为一个密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子AUG开始，沿mRNA5’→3’的方向连续阅读，由tRNA运载各种所需氨基酸，直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。此外，蛋白质的合成还需多种蛋白质因子、其他蛋白质、酶类以及ATP、GTP等供能物质与必要的无机离子等。
从核糖体刚合成释放出的新生多肽链一般不具备蛋白质生物活性，必须经过分子折叠及不同的加工修饰过程才转变为具有天然构象的成熟蛋白，该过程称为翻译后加工（post-translation processing）。蛋白质的空间构象由一级结构所决定，虽然线性多肽链折叠成天然空间构象是自发过程，但实际细胞中大多数天数蛋白质可折叠都是需要其他酶和蛋白质的协助，如分子伴侣、蛋白质二硫键异构酶、肽-脯氨酰顺反异构酶等。蛋白质一级结构的修饰主要包括肽链N端Met或fMet的切除、个别氨基酸的共价修饰、多蛋白的加工以及不必要肽段的切除等。此外还需要经过某些其他的空间结构的修饰，如亚基聚合、辅基连接以及脂酰化等。
成熟的蛋白质被定向输送到最终发挥生物学功能的目标地点。真核生物蛋白不外有三种去向：保留在胞液；进入细胞核、线粒体或其他细胞器；分泌到体液。研究表明，所有靶向输送的蛋白质结构中均存在分选信号，主要为N末端特异的氨基酸序列，可引导蛋白质转移到细胞的特定靶部位发挥功能。
案例6-3
[病例摘要]
1985年4月，医学家们在英国首先发现了牛患的一种新病，初期表现行为反常，烦躁不安，步态不稳，经常乱踢以至摔倒、抽搐等中枢神经系统错乱的变化。后期出现强直性痉挛，两耳对称性活动因难，体重下降，极度消瘦，痴呆，不久牛即死亡。然后，专家们对这一世界始发病例进行组织病理学检查，发现病牛中枢神经系统的脑灰质部分形成海绵状空泡，脑干灰质两侧呈对称性病变，神经纤维网有中等数量的不连续的卵形和球形空洞，神经细胞肿胀成气球状。另外，还有明显的神经细胞变性、坏死及淀粉样沉积物。因此于1986年11月，科学家们将该病定名为牛海绵状脑病（bovine spongiform encephalopathy,BSE），又称“疯牛病”，并首次在英国报刊上报道。十多年来，这种病迅速蔓延，不仅在英国，世界上许多国家如法国、爱尔兰、加拿大、丹麦、葡萄牙、瑞士、德国和美国等先后都有BSE病例发现。对病牛进行免疫组织化学及免疫印迹法检查Prpsc均为阳性。
[问题]
1.何谓BSE？是由什么原因引起的？
2.何谓Prp？其组成、空间结构特征及性质如何？
3.Prp致病的分子机制如何？
二 、蛋白质组学
蛋白质组（proteome）的概念是由澳大利亚学者M.Wilkins 和K.Williams 于1994年首先提出的。是指一个细胞或一个组织或一种生物体的基因组所表达的全部蛋白质。需要指出的是，一个生物体的基因组是相对稳定的，而蛋白质组则是一个动态的概念，即蛋白质组具有时、空差别。
基因是遗传信息的携带者，而基因的表达产物蛋白质才是各种生物功能的执行者。因此功能基因组学的研究如果仅从基因的角度出发是远远不够的，必须从基因转录和蛋白质翻译的全过程着手，才能真正提示基因的功能与生命的活动规律。蛋白质鉴定技术的发展和HGP的实施与相继完成，使得“蛋白质学”（proteomics）这一全新的研究领域得以诞生和发展。2001年，国际人类蛋白质组组织成立，同时提出了人类蛋白质组计划，并相继启动了人类血浆蛋白质组计划、人类肝脏蛋白质组计划、人类脑蛋白质组计划等几个重大国际合作项目上。
蛋白质组学是研究和阐述在不同条件下，一个细胞或生物体中全部蛋白质的组成、结构、性质、与功能及其活动规律的科学。研究内容包括以下几个方面：1.蛋白质组作用、成分鉴定、数据库构建、新型蛋白质的发现、同源蛋白持比较、蛋白质加工和修饰分析。2.基因产物识别、基因功能鉴定、基因调控机制分析。此外，对蛋白质表达后在细胞内的定位研究也是了解蛋白质功能的重要方面。3.重要生命活动的分子机制研究。如细胞周期、细胞分化、与发育、环境反应与调节等。4.对人类而言，蛋白质组学的研究最终要服务于人类健康，主要促进分子医学的发展。如医药靶分子的寻找和分析，包括新药靶分子、肿瘤分子标记、人体病理介导分子等。
蛋白质组学的研究程序主要包括：蛋白质分离；蛋白质鉴定；鉴定结果的存储、处理、对比和分析。其研究的技术方法有：样品制备；双向凝胶电泳；蛋白质染色；凝胶图像分析；蛋白质分析；蛋白质数据库等。其中双向凝胶电泳技术（图6）、质谱技术、计算机图像分析数据处理与蛋白质数据库是三大基本支撑技术。
现阶段蛋白质学的研究主要用于疾病诊断、研究发病机制，以及药物开发研究等方面。随着功能基因组学研究的进一步拓展，蛋白质研究数据的不断积累，新方法、新技术的突破和生物信息学工具的完善，蛋白质组学的研究一定能在医学及生命科学的各个领域发挥越来越重要的作用，并为人类疾病的研究、防治带来新的思维方式和技术革命。
