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。《功能蛋白质研究（第二版）》是《功能蛋白质研究》的第二版，在前一版的基础上，针对近年来蛋白质研究技术的发展和研究重点，对相关内容进行了更新和补充。《功能蛋白质研究（第二版）》分为12章，**至四章主要介绍功能蛋白质研究范式、蛋白质组、蛋白质的生成及质量控制，第五章和第六章介绍蛋白质的定位研究及功能调节，第七章和第八章介绍蛋白质相互作用研究及其与核酸的相互作用，第九至十一章介绍蛋白质结构和功能的研究方法，第十二章作为《功能蛋白质研究（第二版）》*终章以实例的方式介绍功能蛋白质研究技术在生物医药研究中的应用。

**章绪论
　　在生命与健康研究领域，蛋白质（protein）作为多学科交叉研究的核心，己确定其不可替代的学术地位。蛋白质之所以能够成为交叉领域的关键节点，是因为它不仅是生命的承载者，还是*复杂的化学物质之一。早期的观点认为，蛋白质是食物链中能量传递的载体，而现代科学则揭示，每种蛋白质都发挥着特定且不可替代的生物学功能。功能蛋白质研究，正是以蛋白质在生命与健康中的生物学功能为导向，探索其在生物体内的作用。
　　蛋白质是生物体的基本组成成分之一，占细胞干重的50%～70%，是细胞内丰度*高的高分子物质。蛋白质由荷兰科学家格里特（Gemtt）于1838年发现的，他观察到，生命体一旦失去蛋白质就无法存活，几乎所有组织和器官都含有大量的蛋白质。随着近代生物化学与分子生物学的发展，我们逐渐认识到蛋白质在众多的大分子中具有*特性，它们不仅结构和功能高度多样，还能对环境做出自发响应，是复杂而神奇的生命大分子（Reynolds　and　Tanford，2001）。蛋白质是生命活动的直接执行者，参与了生长、遗传、发育、代谢、繁殖、应激、信号转导、思维与记忆等多种生物过程，这些过程均由特定的蛋白质群体完成。深入研究蛋白质的复杂结构、功能、相互作用及其动态变化，将帮助我们全面揭示生命现象的本质。尽管蛋白质研究己有重要进展，但仍有许多科学问题待解，如特定蛋白质在生物体内的具体功能、其分子机制、功能调节机制，以及蛋白质的结构基础等。此外，功能各异的蛋白质分子是如何在进化中产生的，也是功能蛋白质研究的核心内容。
　　**节功能蛋白质研究的历史回顾
　　蛋白质主要由氨基酸组成，因氨基酸的不同排列组合，形成了多种类型的蛋白质，人体中估计有超过10万种的蛋白质。自蛋白质被发现以来，这种生物大分子逐渐被人们深入研究，相关的知识不断被完善。随着人们对蛋白质认识的深入，其在生命活动中的重要性愈加凸显，蛋白质功能和结构的研究也因此日益受到关注。许多科学家在这一领域取得了卓越成就，为功能蛋白质研究奠定了基础。表1-1列出了自1900年以来诺贝尔化学、物理学、生理学或医学奖的相关成果对蛋白质结构与功能研究领域的贡献从获奖情况可以看出，蛋白质研究的认识过程随着研究技术的发展逐渐深入，反映了功能蛋白质研究在过去百年间始终是一个重要的科研热点。
　　―、早期蛋白质研究（19世纪至1940年代）
　　蛋白质作为生物体内的重要分子之一，其结构和功能的研究起步较早。1838年，荷兰化学家米德尔（Mulder）认为蛋白质的基本成分是C、H、O和N元素，并发现所有蛋白质几乎都存在类似的化学式。瑞典化学家约恩斯？贝尔塞柳斯（J6ns　Berzelius），*终以希腊词语“proteios”[意为“*要的（primary），，]命名了“蛋白质（protein）”一词，并随后鉴定出蛋白质的降解产物之一一亮氨酸。后来研究人员发现，蛋白质是由20多种氨基酸通过脱水缩合形成多肽链，并进一步折叠成具有一定空间结构的物质。
　　1873年，海因里希？奥托？威兰（Heinrich　Otto　Wieland）和约瑟夫？哈伯曼（JosefHabermann）分析了蛋白质的组成和结构，发现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。1883年，丹麦化学家凯耶达尔（Kjedahl）发明了凯氏定氮法，能准确测定含氮量，进而得到蛋白质的含量。1902年，德国化学家埃米尔？费歇尔（Emil　Fischer）准确测定了氨基酸的化学结构和肽键的性质。随后，科学家进一步发现，蛋白质不仅是细胞结构的重要组成部分，也是细胞内进行生物化学反应的关键物质。20世纪初，随着生物化学技术的不断进步，蛋白质的研究逐步展开。1910年代，阿尔布雷希特？科塞尔（Albrecht　Kossel）提出了“蛋白质是生命的主要组成物质”的理论，为蛋白质作为生命活动的核心角色提供了理论基础。尽管那个时期的技术无法揭示蛋白质的复杂性，但己有的化学实验方法为后来的研究奠定了基础。
　　1921年，加拿大科学家弗雷德里克？班廷（Frederick　Banting）发现了胰岛素（一种蛋白质），能够稳定治疗糖尿病，1923年获得诺贝尔奖。1926年，詹姆斯？萨姆纳（James　Sumner）从刀豆中提纯了脲酶，通过结晶和活性测定揭示了具有生物催化功能的酶分子的化学本质是蛋白质，这是一次对蛋白质功能认识的飞跃。
　　二、蛋白质功能的初步揭示（1940年代至1957年代）
　　1940年代至1960年代，随着生物化学和分子生物学的兴起，科学家们逐渐认识到蛋白质不仅是细胞的重要构成部分，还具备了复杂的生物学功能。在这一时期，科学家证明蛋白质是生命活动的催化剂。酶促反应的发现证明了蛋白质在代谢和免疫等重要生命活动中的关键作用。多位科学家共同提出酶如何降低化学反应的活化能，并且通过酶的作用，使得细胞内反应能够在常温和常压下进行，从而使生命活动得以高效进行。酶催化反应的发现奠定了蛋白质在代谢中的核心作用，这一理论推动了整个生物化学领域的研究。
　　同时，科学家也开始研究蛋白质在免疫系统中的作用。20世纪40年代，科学家发现，抗体的化学本质就是蛋白质，它们能够识别并中和外来病原体（如细菌和病毒）。免疫球蛋白的发现和结构解析表明，蛋白质不仅可以直接与病原体结合，还能通过复杂的免疫反应机制保护机体免受感染。蛋白质在免疫系统中的作用为后来的疫苗研发、免疫治疗等生物医学应用提供了基础。
　　1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）提出DNA双螺旋结构的模型后，分子生物学迎来了革命性的突破。科学家逐渐认识到，蛋白质在基因表达的调控中发挥着至关重要的作用，并开始深入研究蛋白质如何从基因信息中“解码”功能。研究表明，蛋白质不仅仅是DNA信息的产物，它们还通过复杂的网络机制调节基因的功能，实现生命体内各种生理过程的协调。
　　蛋白质不仅仅是参与酶催化或免疫反应的一种结构物质，它们在细胞内的作用是多种多样的，并且在许多重要的生物学过程中都扮演着不可或缺的角色。例如，某些蛋白质具有结构功能，如细胞骨架蛋白；有些蛋白质则参与细胞间的信号传递，调节细胞的生长和分裂过程。1955年，科学家通过对肌动蛋白和肌球蛋白的研究，进一步揭示了蛋白质在细胞运动和肌肉收缩过程中的关键作用。蛋白质在细胞周期的调控中也起到至关重要的作用，它们通过调节细胞分裂和增殖过程确保生物体的正常发育。蛋白质的突变或表达异常往往与癌症、遗传病等疾病密切相关，因此研究蛋白质功能对于理解疾病机制具有重要意义。
　　三、分子生物学革命（1958年代至1980年代）
　　1958年代至1980年代，随着分子生物学和基因组学的飞速发展，科学家们逐步揭示了基因、RNA和蛋白质之间的关系，为理解生命活动的分子机制提供了全新的视角。在这一时期，蛋白质的结构、功能及其与基因之间的相互作用得到了深刻的阐明，标志着蛋白质功能研究进入了一个新的阶段。
　　1958年，法国科学家弗朗西斯？克里克（Francis　Crick）提出了遗传学的中心法则（central　dogma）。这一法则阐明了遗传信息的流动方式：DNA转录生成RNA，RNA翻译生成蛋白质。这一发现为分子生物学奠定了理论基础，揭示了基因表达的基本过程，表明蛋白质不仅仅是细胞内的结构分子，它们在基因信息的传递中扮演了关键角色。遗传学中心法则的提出极大地推动了后续对蛋白质功能和调控机制的深入研究。随后，科学家揭示了RNA转录过程的基本原理：DNA的特定序列通过RNA聚合酶转录为信使RNA（mRNA）。随后，mRNA经过一系列的处理，如剪接和加帽等，进入细胞质并参与蛋白质的合成。与此同时，科学家还深入探讨了RNA翻译成蛋白质的机制：mRNA通过核糖体的“翻译”过程，指导氨基酸按特定顺序连接形成蛋白质。
　　这一时期的一个重要突破是揭示了转录因子的重要作用。1967年，马克？塔塔姆（MarkPtashne）分离出*个转录因子a噬菌体的阻遏蛋白）1979年，罗伯特？罗德（Robert　Tjian）等发现真核生物转录因子SP1。1980年代，转录因子DNA结合结构域（如锌指、亮氨酸拉链）被解析。转录因子能够与DNA特定区域结合，调控基因的转录，从而影响特定蛋白质的合成。这一发现使得科学家认识到蛋白质的功能不仅与其自身的结构有关，还与基因表达的调控过程密切相关。
　　在此阶段，另一个重要进展是蛋白质三维结构的解析。随着X射线晶体学和电子显微技术的进步，科学家逐渐揭示了许多蛋白质的三维结构，为蛋白质功能研究提供了新的视角。1959年，科学家成功解析了胰岛素的三维结构，成为蛋白质结构解析领域的一个里程碑。
　　随后，蛋白质结构解析的技术进一步完善，蛋白质结构-功能关系逐渐被揭示。例如，1962年，科学家们成功解析了血红蛋白的结构，发现血红蛋白由四个亚基组成，这一结构使其能够高效地与氧气结合。通过对蛋白质结构的解析，科学家们开始认识到蛋白质的功能往往与其空间结构紧密相关，即蛋白质的折叠方式、空间构象等都直接影响其生物学功能。
　　1960年代末，基因克隆技术的诞生为蛋白质研究带来了革命性的影响。科学家能够通过重组DNA技术合成具有特定功能的蛋白质。例如，1973年保罗？伯格和赫尔曼？摩尔等人*次实现了基因重组技术的成功，将来自不同来源的DNA片段连接在一起，创造了**个重组DNA分子。这一技术的出现，为后来的蛋白质工程、基因治疗等领域的发展奠定了基础。此外，1975年乔治？斯诺尔和卡尔？杰姆等科学家发明了单克隆抗体技术，通过克隆单一的免疫球蛋白，获得大量的、具有特定抗原特异性的抗体。这项技术不仅推动了免疫学的发展，也为疾病的早期诊断和靶向治疗提供了新的手段。
　　在1960年代至1980年代，科学家们对基因表达调控机制的理解取得了重大突破。特定蛋白质能够通过调控DNA的转录过程来决定某些基因是否被激活，从而影响细胞功能。例如，1960年代，科学家发现了操控基因表达的启动子（promotor）和增强子（enhancer）序列，它们通过与特定的转录因子相结合，调控基因的活性。这些发现使得我们认识到，基因表达不仅是一个简单的转录过程，而是一个受到复杂调控的多步骤过程。
　　随着分子生物学的发展，科学家逐渐认识到，蛋白质功能和基因表达的调控不仅对基础生物学研究具有重要意义，还在医学领域具有广泛应用。1970年代，随着基因突变、癌基因等概念的提出，蛋白质在疾病，特别是在癌症发生过程中的角色受到了越来越多的关注。癌基因编码的蛋白质（如RAS蛋白）能够通过异常的信号转导途径促进细胞的无限增殖，从而引发肿瘤的形成。
　　四、蛋白质组学的崛起（1990年代至今）
　　1990年代，随着分析化学技术的快速发展，蛋白质组学作为一个新的学科应运而生。蛋白质组学的核心是通过系统性地研究细胞、组织或整个生物体在特定条件下表达的所有蛋白质及其相互关系。蛋白质组学的蓬勃发展离不开分离和检测技术的突破，尤其是在质谱（mass　spectrometry，MS）和液相色谱（liquid　chromatography，LC）领域的进展。
　　质谱技术可以精确测定蛋白质的质量和结构，帮助研究人员鉴定复杂样本中的蛋白质。液相色谱则能够通过分离技术对复杂的蛋白质样本进行处理，从而更好地分析不同条件下的蛋白质表达变化。随着技术的不断进步，蛋白质组学在生物医学领域的应用逐渐深入。研究人员开始使用蛋白质组学技术，研究癌症、神经退行性疾病、免疫系统疾病等各种疾病的机制。例如，在癌症研究中，科学家通过蛋白质组学分析肿瘤组织中的蛋白质差异，识别潜在的生物标志物和药物靶点，进而开发新的诊断方法和治疗策略。
　　另外，蛋白质组学还在药物发现和个性化医学中发挥了重要作用。通过分析个体的蛋白质组特征，科学家能够识别与疾病相关的

目录
**章 绪论 1
**节 功能蛋白质研究的历史回顾 1
第二节 功能蛋白质研究的主要内容及方法 7
第三节 功能蛋白质研究的挑战和展望 12
参考文献 13
第二章 蛋白质组：蛋白质的检测 15
**节 蛋白质组学的技术类别 15
第二节 基于质谱的蛋白质鉴定 23
第三节 基于质谱的蛋白质组定量 32
第四节 人类蛋白质组计划 46
第五节 蛋白质生物标志物 61
参考文献 67
第三章 蛋白质的生成 77
**节 翻译过程中各组分的组学测定 77
第二节 蛋白质的翻译中折叠 98
第三节 翻译调控与细胞功能 111
第四节 新蛋白的发现与功能 126
第五节 翻译异常与解救机制 133
参考文献 145
第四章 蛋白质的质量控制 157
**节 分子伴侣系统 159
第二节 蛋白质质量控制--内质网 165
第三节 蛋白质质量控制--线粒体 173
第四节 泛素与蛋白酶体 177
第五节 自噬-溶酶体途径相关的蛋白质降解 185
第六节 蛋白质质量控制相关疾病及分子机制 187
第七节 靶向蛋白质质量控制的*新疗法 190
参考文献 193
第五章 细胞内蛋白质的定位研究 198
**节 细胞内蛋白质的分选信号 198
第二节 内质网定位信号和蛋白质运输 211
第三节 高尔基体定位蛋白的分选和逆向运输 220
第四节 溶酶体相关的定位与功能 229
第五节 细胞外的蛋白质分选和运输 240
第六节 蛋白质定位的研究方法 248
参考文献 259
第六章 蛋白质的功能调节 278
**节 pH和水环境对蛋白质功能的调节 278
第二节 温度对蛋白质功能的调节 283
第三节 蛋白质的翻译后修饰 289
第四节 磷酸化修饰对蛋白质功能的调节 291
第五节 酰化修饰对蛋白质功能的调节 305
第六节 糖基化修饰对蛋白质功能的调节 308
第七节 泛素化修饰对蛋白质功能的调节 317
第八节 类泛素相关修饰物对蛋白质功能的调节 322
第九节 小泛素相关修饰物对蛋白质功能的调节 329
第十节 蛋白质前体激活 334
参考文献 339
第七章 蛋白质相互作用研究 343
**节 蛋白质相互作用的结构学基础 343
第二节 酵母双杂交技术 353
第三节 免疫共沉淀技术 361
第四节 GST融合蛋白沉降技术 365
第五节 串联亲和纯化 371
第六节 荧光共振能量转移技术 379
第七节 交联技术 387
第八节 预测蛋白质相互作用的生物信息学方法 397
第九节 蛋白质相互作用功能意义的研究策略 410
参考文献 411
第八章 蛋白质与核酸的互作 420
**节 核酸结合蛋白的功能与分类 420
第二节 DNA结合蛋白的结构 422
第三节 RNA识别的一般方式 427
第四节 序列特异性结合 430
第五节 蛋白质与核酸相互作用的研究技术 431
参考文献 443
第九章 基因编辑技术及其在功能蛋白质研究中的应用 446
**节 基因编辑技术概述及开发现状 446
第二节 锌指核酸酶 450
第三节 转录激活因子样效应物核酸酶 455
第四节 成簇规律间隔短回文重复序列及其相关核酸酶 458
第五节 碱基编辑 470
第六节 基因编辑技术面临的挑战及发展 477
参考文献 485
第十章 蛋白质功能的生物信息学分析 497
**节 蛋白质功能预测 498
第二节 蛋白质功能注释 523
第三节 蛋白质翻译后修饰的鉴定 541
参考文献 573
第十一章 蛋白质结构的研究方法 585
**节 核磁共振谱 585
第二节 X射线晶体衍射 607
第三节 X射线吸收光谱 617
第四节 电子顺磁共振谱 623
第五节 冷冻电子显微镜 629
第六节 圆二色光谱 637
第七节 AlphaFold预测蛋白结构 647
第八节 分子对接和动力学模拟 664
参考文献 679
第十二章 功能蛋白质研究技术在生物医药研究中的应用实例 691
**节 全基因组规模筛选鉴定肺癌抑癌蛋白质 691
第二节 基于新型邻近标记技术的卵巢癌突变TP53蛋白质相互作用组学研究 703
第三节 基于蛋白质组学的抗肿瘤药物靶标发现 720
参考文献 727