功能蛋白质研究

定　　价：88 元

丛书名：生命科学前沿“十二五”国家重点图书出版规划项目

• 作者：何庆瑜等编著
• 出版时间：2012/3/1
• ISBN：9787030335845
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：Q51 
• 页码：429
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16K

内容简介

　　蛋白质是生命的承载者，同时又是组成最为复杂的化学物质之一。功能蛋白质研究是指以蛋白质在生命与健康中的生物学功能为导向和核心内容的科学研究。随着组学概念和各种新技术的引入，功能蛋白质研究也从传统的针对单一蛋白质的表征发展到全景式系统化的诠释。

　　本书在介绍传统蛋白质研究方法的基础上对功能蛋白质研究的最新进展作一概述。全书分为10章，第1～3章主要介绍蛋白质的基本概念和功能特征，第4、5章介绍蛋白质体外研究方法，第6、7章介绍蛋白质相互作用研究，第8～10章介绍蛋白质组学及与之紧密相关的生物信息学方法。

　　本书可作为高等院校及科研院所相关专业研究生和高年级本科生的教科书或参考书，也可供一线科研工作者参考。

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编辑推荐

       本书在介绍传统蛋白质研究方法的基础上对功能蛋白质研究的最新进展作一概述。全书分为10章, 第1-3章主要介绍蛋白质的基本概念和功能特征, 第4、5章介绍蛋白质体外研究方法, 第6、7章介绍蛋白质相互作用研究, 第8-10章介绍蛋白质组学及与之紧密相关的生物信息学方法。

目 录

目录
前言
第1章 功能蛋白质研究绪论 1
1.1 功能蛋白质研究的历史回顾 1
1.2 功能蛋白质研究的主要内容及方法 5
1.2.1 功能蛋白质研究的主要内容 5
1.2.2 功能蛋白质研究的方法 8
1.3 功能蛋白质研究的挑战与展望 8
参考文献 9
第2章 蛋白质功能调节 11
2.1 pH和水环境对蛋白质功能的调节 11
2.1.1 蛋白质和其周边复杂的水环境 11
2.1.2 水环境中的离子和有机物分子对蛋白质的影响 12
2.1.3 pH对蛋白质的影响 12
2.1.4 氧化还原环境对蛋白质的影响 13
2.1.5 蛋白质在环境条件中的存在方式和结构分类 14
2.2 温度对蛋白质功能的调节 17
2.2.1 温度对蛋白质结构的影响 17
2.2.2 嗜极温的蛋白质 18
2.2.3 温度的生理作用和细胞学机理 19
2.2.4 温度对植物的影响 20
2.3 蛋白质的翻译后修饰 25
2.3.1 蛋白质翻译后修饰的概述 25
2.3.2 蛋白质翻译后修饰的种类 25
2.3.3 蛋白质翻译后修饰的生理意义 26
2.3.4 蛋白质翻译后修饰的研究 28
2.4 磷酸化修饰对蛋白质功能的调节 29
2.4.1 蛋白质憐酸化修饰的概述 29
2.4.2 蛋白质磷酸化修饰过程 29
2.4.3 蛋白质磷酸化修饰的分类 30
2.4.4 蛋白激酶 32
2.4.5 蛋白质磷酸化修饰对蛋白质结构的改变 38
2.4.6 蛋白质磷酸化修饰的生理功能 38
2.4.7 蛋白质的异常憐酸化修饰和人类疾病 41
2.4.8 蛋白质磷酸化研究是一门综合研究 42
2.5 糖基化修饰对蛋白质功能的调节 44
2.5.1 蛋白质糖基化修饰的概述 44
2.5.2 蛋白质糖基化修饰的分类 45
2.5.3 蛋白质糖基化修饰过程 48
2.5.4 糖基化修饰对蛋白质结构的改变 48
2.5.5 糖基化工程 49
2.5.6 蛋白质糖基化修饰的生理作用 50
2.5.7 蛋白质糖基化修饰的研究 51
2.6 泛素化修饰对蛋白质功能的调节 52
2.6.1 蛋白质泛素化修饰的概述 52
2.6.2 泛素化修饰的底物蛋白质的特点 53
2.6.3 蛋白质泛素化修饰的过程和相关酶 53
2.6.4 泛素化修饰蛋白质的降解过程 54
2.6.5 泛素化修饰和人类疾病 56
2.6.6 蛋白质泛素化修饰的研究和注意问题 56
2.7 小泛素相关修饰物对蛋白质功能的调节 57
2.7.1 小泛素相关修饰物的概述 57
2.7.2 SUMO 结构 57
2.7.3 SUMO化修饰过程 58
2.7.4 SUMO化修饰的生理功能 60
2.7.5 SUMO化修饰与疾病 61
2.7.6 蛋白质发生SUMO化飾的鉴定 61
2.8 蛋白质前体激活 63
2.8.1 蛋白质前体激活的概述 63
2.8.2 蛋白质前体激活的过程 63
2.8.3 蛋白质信号肽 64
2.8.4 胰岛素激活 65
2.8.5 前体阿片促黑激素皮质素原的激活 66
2.8.6 蛋白质内含肽的自剪接 67
参考文献 70
第3章 蛋白质的质量控制 74
3.1 分子伴侣撕叠酶 76
3.1.1 蛋白质的疏水性域和分子伴侣 76
3.1.2 分子伴侣家族 76
3.1.3 HsP70的反应循环 78
3.1.4 蛋白质二硫键异构酶 80
3.2 蛋白质质量控制——内质网 82
3.2.1 真核细胞的未折叠蛋白应答 82
3.2.2 内质网相关的蛋白质降解 90
3.3 蛋白质质量控制——线粒体 98
3.3.1 线粒体的内膜蛋白质量控制 99
3.3.2 线粒体基质的蛋白质质量控制 101
3.3.3 细胞死亡前的最后挽救措施一线粒体自噬 101
3.3.4 线粒体蛋白质质量控制和衰老 101
3.4 蛋白质质量控制——自噬 102
3.5 几种典型蛋白折叠相关疾病及其分子病理 103
3.5.1 HIV-1感染和艾滋病 103
3.5.2 几种癌症与蛋白质质量控制 104
3.5.3 几种退行性神经病变与蛋白质折叠 105
参考文献 106
第4章 功能蛋白质的分离纯化 110
4.1 蛋白质的物理化学性质 110
4.1.1 蛋白质的两性电离和等电点 110
4.1.2 蛋白质的胶体性质 110
4.1.3 蛋白质的变性 111
4.1.4 蛋白质的紫外吸收 112
4.1.5 蛋白质的呈色反应 112
4.2 蛋白质的分离方法 113
4.2.1 以溶解度为基础的分离方法 113
4.2.2 以分子大小为基础的分离方法 114
4.2.3 以静电作用为基础的分离方法 115
4.2.4 以疏水作用为基础的分离方法 117
4.2.5 以生物活性为基础的蛋白质分离方法 118
参考文献 120
第5章 蛋白质体外研究——结构与功能研究 121
5.1 核磁共振谱 121
5.1.1 适用于核磁共振研究的蛋白质样品制备 122
5.1.2 用于蛋白质溶液三维结构测定的同核二维实验 124
5.1.3 用于蛋白质溶液三维结构测定的异核多维实验 125
5.2 晶体X射线衍射 140
5.2.1 晶体及晶体中的对称性 140
5.2.2 X射线衍射方程 143
5.2.3 晶体结构测定 145
5.2.4 X射线衍射技术在研究蛋白质结构功能中的应用 147
5.3 X射线吸收光谱 153
5.3.1 X射线吸收光谱方法原理 154
5.3.2 X射线吸收光谱方法的优势和局限 155
5.3.3 生物体系X射线吸收光谱方法研究现状 156
5.3.4 X射线吸收光谱在金属蛋白质研究中的应用 158
5.4 穆斯鲍尔谱 159
5.4.1 穆斯鲍尔效应 159
5.4.2 穆斯鲍尔谱学及其特点 159
5.4.3 铁蛋白的穆斯鲍尔谱 160
5.5 电子顺磁共振谱 161
5.5.1 电子顺磁共振基本原理 161
5.5.2 电子顺磁共振自旋标记 162
5.5.3 氮氧自由基侧链易趋性在蛋白质研究中的应用 164
5.5.4 氮氧自由基侧链动力学在蛋白质研究中的应用 164
5.5.5 残基间距离的研究 164
5.5.6 结构改变的时间分辨分析 165
5.5.7 电子顺磁共振研究金属离子与蛋白质的相互作用 165
5.6 圆二色谱 167
5.6.1 蛋白质的圆二色性 167
5.6.2 远紫外CD预测蛋白质二级结构方法 168
5.6.3 近紫外CD光谱 171
5.6.4 CD在功能蛋白质研究中的应用 171
5.6.5 CD测量样品的准备与条件选择 172
参考文献 172
第6章 细胞内蛋白质的定位研究 180
6.1 细胞内蛋白质的分选信号 180
6.1.1 信号假说 180
6.1.2 细胞内蛋白质转运方式 182
6.1.3 蛋白质分选运输的途径 183
6.2 内质网定位信号和蛋白质运输 187
6.2.1 内质网定位信号 188
6.2.2 可溶性蛋白到内质网腔的转运 190
6.2.3 跨膜蛋白到内质网膜的转运 192
6.3 高尔基体定位信号的研究 194
6.3.1 高尔基体糖基转移酶的定位信号 194
6.3.2 病毒蛋白在高尔基体的定位信号 195
6.3.3 周缘膜蛋白在高尔基体的定位信号 195
6.3.4 高尔基体的其他驻留蛋白定位信号 196
6.4 细胞核的定位信号研究 196
6.4.1 细胞核定位信号 196
6.4.2 细胞核输出信号 197
6.5 蛋白质向线粒体的运输 197
6.6 过氧化物酶体的定位信号 198
6.7 细胞外的蛋白质分选和运输 199
6.7.1 受体介导胞吞 199
6.7.2 从内体到溶酶体的运输 200
6.8 蛋白质定位的研究方法 201
6.8.1 激光扫描共聚焦显微镜研究蛋白质定位 201
6.8.2 免疫电镜技术 225
6.8.3 免疫组织化学技术 227
6.8.4 免疫印迹法和差速离心法研究蛋白质定位 228
6.8.5 生物信息学方法研究蛋白质定位 228
参考文献 230
第7章 蛋白质相互作用研究 239
7.1 蛋白质相互作用的结构学基础 239
7.1.1 蛋白质相互作用的亲和力 239
7.1.2 蛋白质相互作用与蛋白质结构 241
7.1.3 蛋白质相互作用结构基元或结构域 241
7.1.4 蛋白质相互作用研究的发展 245
7.2 酵母双杂交技术 246
7.2.1 酵母双杂交技术的原理 246
7.2.2 酵母双杂交技术的方法 248
7.2.3 酵母双杂交技术的优点与缺点 250
7.2.4 酵母双杂交系统中的假阳性和假阴性 251
7.2.5 酵母双杂交系统的衍生（扩展）技术 251
7.3 免疫共沉淀技术 255
7.3.1 免疫共沉淀技术的基本原理 255
7.3.2 A蛋白和G蛋白 256
7.3.3 免疫共沉淀实验结果的特异性与真实性 257
7.3.4 免疫共沉淀实验的关键注意事项 258
7.3.5 免疫共沉淀技术的优点与不足 259
7.4 GST融合蛋白沉降技术 260
7.4.1 GST融合蛋白沉降技术原理 260
7.4.2 GST融合蛋白沉降技术中的关键技术 261
7.4.3 GST融合蛋白沉降技术的优点与缺点 266
7.5 突光共振能量转移技术 266
7.5.1 突光共振能量的原理 267
7.5.2 FRET探针 268
7.5.3 荧光共振能量转移效率的检测方法 2H
7.6 蛋白质相互作用功能意义的研究策略 274
参考文献 274
第8章 蛋白质组学 277
8.1 蛋白质组学概论与研究龙法 277
8.1.1 蛋白质的高通量分离策略 277
8.1.2 蛋白质的高通量鉴定策略 281
8.2 定量蛋白质组学原理与方法 282
8.2.1 基于2DE胶的定量分析策略 283
8.2.2 基于非胶的定量分析策略 291
8.3 蛋白质组学与蛋白质翻译后修饰鉴定 304
8.3.1 磷酸化 305
8.3.2 泛素化 309
8.3.3 小泛素相关修饰化 312
8.3.4 糖基化 313
8.4 蛋白质组学在生物医学研究中的应用 316
8.4.1 蛋白质组学在信号转导通路研究上的应用 317
8.4.2 蛋白质组在筛选疾病标记物中的应用 318
8.4.3 蛋白质组学在发现药物祀标上的应用 320
8.4.4 蛋白质组学在药物作用机理研究上的应用 322
8.4.5 蛋白质组学在分析蛋白质一蛋白质相互作用上的应用 323
参考文献 325
第9章 生物信息学一 329
9.1 蛋白质序列分析 329
9.1.1 蛋白质的物化性质分析及在线工具 329
9.1.2 序列相似性比对 330
9.1.3 蛋白质序列功能域分析 332
9.1.4 跨膜区与卷曲螺旋预测 335
9.1.5 信号肽的预测 338
9.1.6 蛋白质亚细胞定位预测 340
9.2 蛋白质二级结构预测 342
9.2.1 二级结构预测算法 343
9.2.2 二级结构预测工具 347
9.3 蛋白质三级结构预测 350
9.3.1 蛋白质三级结构预测理论基础及发展过程 350
9.3.2 同源建模方法 351
9.3.3 同源建模网络工具 354
9.4 基于生物质谱的蛋白质鉴定 358
9.4.1 蛋白质鉴定基本知识简介 358
9.4.2 数据库搜索原理及软件使用介绍 369
9.4.3 搜索结果的质量控制 373
9.4.4 翻译后修饰的鉴定 378
参考文献 380
第10章 生物信息学二 385
10.1 2DE图像的生物信息学分析 386
10.1.1 简介 386
10.1.2 图像获取 386
10.1.3 分析软件 387
10.1.4 传统的分析方法一点的检测和匹配 387
10.1.5 基于图像分析一胶匹配与一致性建模 388
10.1.6 差异性分析 388
10.1.7 展望 389
10.2 基于质谱技术的定量蛋白质组生物信息学分析 389
10.2.1 简介 389
10.2.2 同位素标记蛋白质定量分析 390
10.2.3 同重标记蛋白质定量分析 396
10.2.4 非同位素标记的定量蛋白质组 399
10.2.5 展望 403
10.3 差异表达蛋白质鉴定 403
10.3.1 简介 403
10.3.2 PLGEM模型 403
10.3.3 数据可视化 404
10.3.4 展望 405
10.4 GO分析 406
10.4.1 简介 406
10.4.2 GO分类 407
10.4.3 GO富集性分析 407
10.4.4 GO语义相似性度量 410
10.4.5 展望 414
10.5 网络撕 414
10.5.1 简介 414
10.5.2 蛋白质相互作用数据库 415
10.5.3 网络分析软件 416
10.5.4 分析实例 417
10.5.5 展望 419
参考文献 420
缩略图 426

文 摘

第1 章　功能蛋白质研究绪论
　　
　　在生命与健康这一科学主题上，存在一个包括生物学、医学、物理学、化学、数学、信息学等多学科共同的研究对象，即蛋白质。它之所以能够成为这些学科交叉研究的节点，是因为蛋白质既是生命的承载者， 也是组成最为复杂的化学物质。启蒙时期的观点认为，蛋白质是食物链传递的承载者。现代的知识告诉我们，每种蛋白质都发挥着一定的、或者说不可替代的生物学功能；而这些功能的同义词就是生命现象的机制，这正是当代和未来科学研究的永恒主题之一。据此， 从概念上看，功能蛋白质研究（functional proteinresearch）就是指以蛋白质在生命与健康中的生物学功能为导向和核心内容的科学研究。
　　
　　蛋白质是生物体的基本组成成分之一， 约占细胞干重的50 % ， 是细胞内丰度最高的高分子物质。蛋白质是荷兰科学家格里特在1838年发现的，他观察到有生命的东西离开了蛋白质就不能生存，几乎所有组织、器官都含有大量的蛋白质。近代生物化学与分子生物学的研究使我们认识到，蛋白质在众多的大分子中是很独特的，它们是一类在结构和功能上具有高度多样性， 并能对环境做出自发响应的、复杂而神奇的生命大分子（Tanford and Reynolds ， 2001） 。蛋白质是生命活动的直接执行者，参与生物体系中发生的各种反应过程，如生长、遗传、发育、代谢、繁殖、应激、信号转导、思维和记忆，等等，这都是由蛋白质的特定群体来执行的。对蛋白质复杂多样的结构功能、相互作用和动态变化的深入研究，将在分子、细胞和生物体等多个层次上全面揭示生命现象的本质。昌增益教授及其同事对蛋白质研究有一个简明的讨论，并概括了多个有待解决的蛋白质科学问题，即特定的蛋白质分子在生物体内的生物学功能到底是什么？ 发挥特定功能的分子机制是怎样的？蛋白质功能是如何被调节的？是什么样的结构基础使特定的蛋白质分子能够发挥特定的生物学功能？具有这些形形色色功能的蛋白质分子各自又是如何进化产生的？这些问题就是功能蛋白质研究的主要内容。
　　
　　1.1 　功能蛋白质研究的历史回顾
　　
　　蛋白质（protein） 这一术语诞生于约170 年前， 衍生于拉丁语Primarius 和希腊神话人物Proteus。早期的观点认为， 蛋白质仅是食物的一部分，是食物链传递的重要组成。随着人们对蛋白质认识的深入，蛋白质在生命活动中的重要性越来越受到关注，对蛋白质功能和结构的研究也因此越来越受到重视。许多科学家在蛋白质科学研究领域做出了杰出成就，为功能蛋白质研究奠定了基础。表1-1 列出了自1900年以来在蛋白质结构与功能研究领域被授予的诺贝尔化学、物理学、生理学或医学奖；从获奖情况可以看出人们对蛋白质从浅到深的认识过程，也显示了功能蛋白质研究一百年来一直是一个热点领域。
　　
　　1839 年Mulder 在研究动物白蛋白、纤维和明胶的过程中对蛋白质进行了描述，显示它含有碳、氢、氧和氮，并且发现硫和磷有时也存在于“动物成分” 中。
　　
　　1873 年左右， Hlasiwetz 和Habermann分析了蛋白质的组成和结构，认识到蛋白质是由被称为氨基酸的更小单位组成的， 他们用强酸或强碱水解酪蛋白，得到了谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸、酪氨酸和氨等。
　　
　　1819 ～ 1936 年， 一系列的研究成果发现这类普遍存在于所有生物中的物质的基本结构单位是20种氨基酸，氨基酸之间通过酰胺键共价连接在一起形成多肽链（ Hofmeister ， 1902），多肽链进而折叠组装成具有特定三维空间结构的分子。
　　
　　1926 年， Sumner 从刀豆中提纯了脲酶，通过结晶和活性测定研究揭示了具有生物催化功能的酶分子的化学本质是蛋白质，这对蛋白质功能的认识是一次飞跃。到目前为止，已经被正式命名的酶类蛋白质已经有3000 多种。
　　
　　1953 年Watson 、Crick 、Franklin 和Wilkins 对DNA双螺旋结构的阐明为揭示遗传信息传递规律奠定了基础，是生物化学发展进入分子生物学时期的重要标志。它利用分子结构的特征，解释了生命现象最基本的问题之一―― 核酸复制规律，从而真正开始了从分子水平研究生命的活动。
　　
　　1954 年， Gamow 提出遗传信息是由DNA 分子以含氮碱基非重叠三联体密码携带，并被Crick 在1961 年通过T4噬菌体实验验证； Kornberg 于1956 年在大肠杆菌的无细胞提取液中实现了DNA 的合成； 1958 年， Meselson和Stahl 利用15 N 同位素标记及密度梯度超速离心证实了DNA 在复制时DNA分子的两股链先行分开，是一种半保留复制。如今我们对DNA 复制、转录成RNA ，蛋白质合成/翻译的各种细节已经有了更多的了解，并认为所有的细胞都是利用基因来编码蛋白质的信息。
　　
　　1957 年Kendrew 、1959 年Perutz 分别获得了肌红蛋白和血红蛋白的低分辨率结构， 第一个以0.2nm分辨率的X 射线衍射结构分析法揭示了肌红蛋白的二、三级结构，第一次证实了蛋白质具有α螺旋结构，为蛋白质空间结构的研究开辟了一条新途径。
　　
　　1957 ～ 1967 年的10 年中， 溶菌酶结构被发现，这是继获得肌红蛋白结构和血红蛋白结构之后的第三个蛋白质结构；同时也获得了胰凝乳蛋白A 、核糖核酸酶、核糖核酸酶S和羧肽酶等比较高分辨率的晶体结构。这一重要进展将人们对蛋白质的理解从1900 年左右的原子组成提升到20 世纪60年代的蛋白质三维结构的确定， 反映了现代生物化学中的一个重要进步。
　　
　　20 世纪80 年代， 核磁共振（ NMR） 被应用于对蛋白质结构的解析；近年来，冷冻电子显微学也被广泛用于对超大分子复合体的结构进行解析。截止2008 年2 月， 蛋白质数据库中已存有接近50 000个原子分辨率的蛋白质及其相关复合物的三维结构的坐标。
　　
　　1997 年诺贝尔生理学或医学奖得主Prusiner 发现了朊病毒（prion） ，它是一种具有传染性的蛋白质颗粒，其不正确的三维结构是引发疯牛病和一系列致死性神经变性疾病的病因，这一发现向传统观点提出了强有力的挑战。
　　
　　2001 年， 中国、美国、日本、德国、法国、英国6 国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱和初步分析结果； 2003年， 美国联邦国家人类基因组研究项目负责人Collins 博士在华盛顿宣布： 美国、英国、日本、法国、德国和中国科学家经过13年努力共同绘制完成了人类基因组序列图， 标志着“人类基因组计划”的初步完成，蛋白质研究开始进入后基因组时代。后基因组时代的核心问题是研究基因组多样性、遗传疾病产生的原因、基因表达调控的协调作用及蛋白质产物的功能。