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我们不知道答案的125个科学问题(59)蛋白质的种类 精选

已有 5455 次阅读 2023-10-22 09:52 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦

59. 人体内有多少种蛋白质?How many proteins are there in humans?

根据上一个科学问题的科普介绍,我们知道蛋白质在人体内处于核心重要的位置,本质上所有的生物体都可以看成是一团“充满水的蛋白质结构”,而蛋白质主要是由20种基本的氨基酸通过肽键顺次连接而成的长分子链,目前已知最长的蛋白质分子链就是包含了26,926个氨基酸的连接蛋白。

蛋白质.png

图1 几种典型的蛋白质结构示意图

这些具有不同氨基酸序列的长分子链由于其特殊的氨基酸侧链结构,分子链会通过非共价键的作用弯曲缠绕或折叠成为某种具有一定空间构型的大分子团(如图1所示)。蛋白质折叠形成的不同空间结构对应其不同的生物功能,它们会根据自己的生物活性在人体的各类生命过程中担负不同的“任务和职责”,比如各种生物酶,它们是在各类生物化学反应中担负着大分子的降解和合成的蛋白质,对人体在37°C的环境中顺利和快速地进行各类化学反应提供保障,其任务就是化学催化;又比如胰岛素,它是在人体中调节血糖程度的蛋白质,它们是一类在人体中起生物化学调节作用的蛋白质,其任务就是调节;又比如各类激素,它是一种在人体内细胞之间传递信号以协调细胞、组织和器官之间生物过程的蛋白质,其“职责”就是充当信使(Messenger)信使蛋白的一个常见例子就是生长素,它可以促进某组织器官的细胞同步分裂和生长;又比如免疫球蛋白或抗体,它在人体中承担保护身体免受病毒和细菌等外来颗粒侵害的任务,是人体免疫系统的重要组成;另外还有结构蛋白,它们可以使细胞保持其形状和组织结构,在更大的层面上构成结缔组织(如骨和软骨)和纤维骨架,以及在人体传递氧气、营养物质、各种离子和氨基酸等的各类输运蛋白,产生运动响应的各类肌肉蛋白等等,无法枚举。据目前的研究估计,人体可能含有超过200万种蛋白质,这些蛋白质及其变体在人体的组织和器官中不分昼夜地“工作”,而在人类生物有机体中发现的蛋白质的总数有可能会超过1000万种,以至于具体的数字目前没有人能够确切知道。

在人体这至少200多万种不同的蛋白质中,目前也只有100多万种蛋白质具有详细的数据,这主要来自于已经完全测序的100基因组的信息。我们知道人体的蛋白质都是由固化于DNA分子中2.0-2.5万个基因的编码所决定的,因为蛋白质在生物细胞中的合成过程,有着非常规范和准确的流程。在所有生命体中(除了一些非常罕见的例外),每个决定氨基酸的密码子(codon)在任何给定的细胞中都具有相同的“意义”。例如密码子AGA就代表向蛋白质链上添加“精氨酸”的指令,无论该蛋白质链的合成是在细菌细胞内还是在人类细胞内。换句话说,每个细胞都遵循相同的规则来制造蛋白质,所以不同的蛋白质基本上都对应唯一的一种氨基酸序列,而这个蛋白质序列是由人体不同基因上的遗传信息所决定和编码的,通过基因信息的转录(transcription)合成(translation)来制造蛋白质的过程可以参照图2所示。

图2-合成.jpg

图2 蛋白质分子链的合成过程示意图

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人体蛋白质的分子链上氨基酸的平均个数大概为300个,假如组成蛋白质的20种氨基酸可以以任意顺序连接起来而形成不同的蛋白质,那么人体能形成的蛋白质的总数为:20300,这是一个非常巨大的数字。在这个巨大的蛋白质序列中,当然可能隐藏着可以治疗一切疾病的蛋白质序列,然而对于人类细胞而言,人类通过对这2.5万个基因的剪切组合只能合成特定的蛋白质。由于人体DNA内有哪些基因可以通过怎样的剪切过程产生为蛋白质编码从而可以合成多少种蛋白质,这个问题本身就非常复杂,而这些蛋白质又会通过变异、剪接或剪切、修饰等过程发生改变,所以到目前为止人体中究竟存在多少种蛋白质依然还没有完全认识清楚。

然而人类可以通过提取或分离人体内的蛋白质从而对其进行逐步分析,从而有效地对人体中存在的蛋白质进行整理和分类,最终完成对人体蛋白质种类的全面认识。而这个研究领域现在被称为蛋白质组学(proteomics),其目的就是要详尽地描述人体中所有蛋白质的特征。许多人认为,人类基因组计划完成后的下一个必然步骤就是启动人类蛋白质组计划(the Human proteome Project),而人类蛋白质组组织(The Human Proteome Organization)就是为了实现这一目标而成立的科学机构。所以,随着人类蛋白组计划的实施,人类最终会找到这个问题的确切答案。



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