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功能性蛋白及一例分析自19世纪中叶荷兰化学家Gerardus Mul-der从动物组织和植物体中提取出蛋白质以来,人们发现了越来越多的蛋白质,据估计生物界中蛋白质的种类可达1010~1012之多;在这如此众多的蛋白质中,功能性蛋白发挥着极其重要的生理功能 。功能性蛋白也有人称其为活性蛋白。它们的特点是都有识别功能,能与其他分子特异性结合.完成各种复杂的生命活动:在结构上主要是一些球状蛋白质。1 功能性蛋白的种类按其作用方式不同可分为酶蛋白、运输蛋白、运动蛋白、免疫球蛋白、毒蛋白、激素蛋白(1)酶蛋白: 细胞的生长和繁殖、代谢物的合成和分解、能量的产生和利用,这些过程所需要的物质都是通过无数的生物化学反应来提供的.而这些反应又都是在一类特殊蛋白质—酶蛋白的催化下完成的。酶的催化效率极高,且具有高度的专一性,也正是这种高度的专一性使一种特定的酶只能作用于一种或少数几种结构相似的化合物,这就要求有各种不同的酶去作用于不同的化合物。在酶的作用下,生物细胞才得以合成各种复杂的化合物,也才能使各种大分子物质被分解、吸收和利用.且这些反应都要在适合于生物体本身的温度、压力和pH值等非常温和的条件下进行,能使生物细胞按照这种方式进行化学变化是蛋白质最重要的功能之一。常见的酶蛋白如淀粉酶使淀粉分解形成葡萄糖,蛋白酶、肽酶使蛋白质分解为氨基酸;溶菌酶使细菌细胞壁中的肤聚糖被破坏;凝血系统酶的有序作用使凝血过程得以有条不紊地进行.合成酶能合成多种体内所需要的大分子物质。应用举例:由于近年来鱼粉资源价格上涨,冷向军等人通过向鱼粉含量较低(10﹪)的饲料个添加蛋白酶AG使鱼的前肠蛋白酶有显著提高。同样有实验证明在玉米-豆粕型粮食中添加蛋白酶可以改善肉鸡的生长性能,提高蛋白质的消化率。(2)运输蛋白:有些蛋白质起载体的作用可以运输特定的物质到达必须的部位,使其完成特定的功能,这种蛋白质称为运输蛋白。如哺乳动物的血红蛋白能将氧从氧气充裕的肺内运送到各个组织中去:血清蛋白能与游离脂肪酶等多种物质结合,并将这些物质在脂肪组织与身体的其他部位间运送(最典型的β1-脂蛋白可随血流运输脂肪),铁传递蛋白能传递血液中的铁。无脊椎动物体内的血蓝蛋白,大豆根瘤中的豆血红蛋白也起着输送氧气的作用。另外还有一些能携带物质通过细胞膜进出细胞的蛋白质,如细菌过膜运输中的载体蛋白等,它们都属于运输蛋白。(3)运动蛋白:参与运动功能的蛋白质种类较多如脊椎动物中骨骼肌的主要成分就是肌动蛋白和肌球蛋白,肌肉的收缩就是靠着这两种互相联系的平行丝状蛋白相对滑动来完成的;细菌的运动器官——鞭毛也是由鞭毛蛋白组成的;绿藻的运动也离不开蛋白质;有丝分裂的完成,精子的运动等都与运动蛋白有关,所以绝大多数生物的运动和收缩过程都是运动蛋白参与的结果。应用举例:邱永忠等人在研究烟草花叶病毒(TMV)在植物细胞间的运动时发现用体外定位突变引起L株上,被点突变的DNA体外转录成RNA后感染感病烟草,结果定位突变的L株表型30kD蛋白基因四种位点不同的移码突变和一种基因中间大部分缺失的突变体均使病毒不能感染植株。这证明TMV 30kD蛋白与病毒运动有关,而与病毒复制无关。同时因为胞间连丝一般只能让小于1kD的分子通过,其通透范围远小于病毒颗粒,也小于折叠的病毒核酸分子,Wolf等实验证明正时因为30kD蛋白才使得植株分子半径扩散了三倍多。(4)免疫球蛋白:指具有抗体活性的动物蛋白。主要存在于血浆中,也见于其他体液、组织和一些分泌液中。脊椎动物的免疫系统能抵抗外来的入侵物质,如病毒、细菌以及其他机体的细胞,当外来的这些入侵物质(抗原)进入机体后就会激发机体的免疫系统而产生特异性的免疫球蛋白(抗体),通常每一种抗体对于相应的某一特定抗原具有高度的专一性,抗原与抗体结合形成抗原-抗体复合物.使入侵物质——抗原失活而排出体外,从而消除外来物质对机体的干扰。由此看来蛋白质不仅参与了高等动物的免疫反应,而且起着重要的作用,由于抗原和抗体结合的高度专一性,必然有数量众多的抗体作用于不同的抗原物质,据估计抗体的类型可能有10O万种,即免疫球蛋白可能有100万种之多。(5)毒蛋白:动物、植物和微生物都可以产生某些特殊的物质来防御敌害,这些物质中绝大多数是蛋白质类物质,由于它们对高等动物具有毒性,故称为毒蛋白。蝎类能产生毒性很强的蝎毒蛋白.用来攻击敌害,保护自己;蛇类产生的神经毒素和心赃毒素其主要成分也是小分子量的蛋白质;毒蘑菇中的相当一部分蘑菇毒素也是蛋白质;细菌产生的毒素,毒性极强的肉毒梭菌毒素(人的致死量小于19m)和破伤风痉挛毒素、白喉杆菌毒素等外毒素均是蛋白质。应用举例:王峰等人研究核糖体失活蛋白(RIPS)是一类能够抑制细胞核糖体合成蛋白质,从而导致宿主死亡的毒蛋白,广泛存在于植物、细菌中。发现其在在细胞内的转运途径研究很多,目前较为清楚的是逆向转运途径,其中以蓖麻毒素、志贺菌毒素、霍乱毒素为代表,大体过程为:内吞一内吞小体一高尔基体一内质网一胞液。(6)激素蛋白:是由特殊细胞所产生的一类物质,它们通过与靶细胞或系统内其它器官的相互作用来发挥其代谢上的功能,其实许多激素本身就是蛋白质,这样的蛋白质称为激素蛋白,它们在生物合成上具有重要的功能。如胰高血糖素、胰岛素、胃泌素、生长激素、促甲状腺激素、促肾上腺皮质激素和促脂解激素等均是蛋白
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文章来源:科学网 时间:2012.05.21 在近期公布的美国国家科学院增选院士名单中,一位著名的华裔女科学家入选,这位青年科学家毕业于中国科技大学少年班,19岁考取全额奖学金赴美攻读博士学位,2003年荣获美国麦克阿瑟基金会评选出的“天才奖”,独得奖金50万美元。之后在她34岁的时候就成为了哈佛大学正教授。 她就是庄小威教授,今天她当选美国国家科学院院士,年仅40岁,这也是目前为止最年轻的华人院士,这位女科学家主要从事显微成像方面的研究,曾研发了一种比传统光学显微镜高10倍以上的分辨率的显微技术,并将这种技术命名为随机光学重建显微法(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)。 今年庄小威研究组又在之前研究的基础上,改进了STORM,通过双物镜STORM,揭示了肌动蛋白骨架纤维组织的三维结构,这篇题为“Dual-objective STORM reveals three-dimensional filament organization in the actin cytoskeleton”的文章,公布在Nature Methods杂志上。 随机光学重建显微镜(STORM)是一种高级的光学显微术,通过这一技术能够表现组织或细胞更加细微的结构。之前广泛应用于生物医学领域的光学显微技术由于受到衍射极限的限制,分辨率通常为几百个纳米左右。这要比细胞内典型的分子结构大,这样很多生物学的研究都无法用光学显微镜实现。 而STORM采用光转换荧光探针,在时间上分离相互重叠发光的荧光分子,然后重构得到高分辨率图像。应用这一想法,分子复合物,细胞及组织的二维,三维多色荧光成像的分辨率可达到数十纳米。这一技术可以记录纳米尺度的细胞内分子间相互作用及组织内细胞间的相互作用。 在这一基础上,庄小威等人又进行了改进,他们将散光成像(astigmatism imaging)与双物镜构架相结合,提高了随机光学重建显微镜STORM的成像分辨率,在生物成像中获得了小于10纳米的横向分辨率,以及小于20纳米的纵向分辨率。 采用这种方法,研究人员对细胞中的微丝进行了成像,揭示了这种重要细胞骨架的超微结构——微丝是由肌动蛋白(Actin)组成的直径约为7nm的纤维结构。肌动蛋白单体(全称为“球状肌动蛋白”,简称“G肌动蛋白”)表面上有一个ATP结合位点。肌动蛋白单体可一个接一个连成一串肌动蛋白链,而微丝则由两串这样的肌动蛋白链互相缠绕扭曲成而成。微丝对于细胞贴附、铺展、运动、内吞、细胞分裂等许多细胞功能具有重要作用。 从这一结构中,研究人员观察到在片状细胞突起中,有两个不同结构组织,垂直分层的肌动蛋白网络。这对于进一步解析微丝结构功能具有重要意义。 庄小威研究组利用STORM等技术获得了不少关键分子的结构,比如DNA模式样品和哺乳动物细胞的多色成像;对HIV病毒逆转录酶RT与核酸底物之间的相互关系进行了实时监控,获得了相关的动力学数据,对于艾滋病的治疗意义重大。 去年她还与另外一位华人科学家利用超分辨率荧光显微镜结合染色体构象捕获分析法对活体大肠杆菌细胞内的拟核相关蛋白(nucleoid-associated proteins ,NAPs)进行了跟踪观察,并由此揭示了细菌遗传物质组织机制。