蛋白質(zhì)工程的研究與進(jìn)展

1、第1頁共8頁蛋白質(zhì)工程的研究與進(jìn)展蛋白質(zhì)工程的研究與進(jìn)展摘要：蛋白質(zhì)是生命的體現(xiàn)者離開了蛋白質(zhì)生命將不復(fù)存在。蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造、創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時期。它所取得的進(jìn)展向人們展示出誘人的前景。關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)工程；研究；進(jìn)展；蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進(jìn)到嶄新的時代為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用開拓了誘人的前景。1、蛋白質(zhì)工程 1.1蛋白質(zhì)工程的定義所謂蛋白質(zhì)工程就是利用基因工程手段包括基因的定點突變和基因表達(dá)對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造以期獲得性質(zhì)和

2、功能更加完善的蛋白質(zhì)分子。1.2蛋白質(zhì)工程的由來蛋白質(zhì)工程是在基因工程沖擊下應(yīng)運而生的。基因工程的研究與開發(fā)是以遺傳基因即脫氧核糖核酸為內(nèi)容的。這種生物大分子的研究與開發(fā)誘發(fā)了另一個生物大分子蛋白質(zhì)的研究與開發(fā)。這就是蛋白質(zhì)工程的由來。它是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其功能為基礎(chǔ)通過基因修飾和基因合成對現(xiàn)存蛋白質(zhì)加以改造組建成新型蛋白質(zhì)的現(xiàn)代生物技術(shù)。這種新型蛋白質(zhì)必須第2頁共8頁是更符合人類的需要。因此有學(xué)者稱蛋白質(zhì)工程是第二代基因工程。其基本實施目標(biāo)是運用基因工程的dn a 重組技術(shù)將克隆后的基因編碼加以改造或者人工組裝成新的基因再將上述基因通過載體引入挑選的宿主系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行表達(dá)從而產(chǎn)生符合人類設(shè)計需要

3、的“突變型”蛋白質(zhì)分子。這種蛋白質(zhì)分子只有表達(dá)了人類需要的性狀才算是實現(xiàn)了蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)。1.3蛋白質(zhì)工程的原理由于基因工程的發(fā)展人們已經(jīng)可以運用基因重組等理論和方法去設(shè)計并制造出預(yù)想的各種性能的蛋白質(zhì)。這種改變蛋白質(zhì)的操作可以在蛋白質(zhì)水平上也可以在基因水平上。如基因水平的改變是在功能基因開發(fā)的基礎(chǔ)上對編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造小到可改變一個核昔酸大到可以加入或消除某一結(jié)構(gòu)的編碼序列。蛋白質(zhì)水平的改變則主要是對制造出的蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、修飾如磷酸化、糖基化等。蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾條件劇烈無專一性而基因操作則比較方便在實施基因操作時必須預(yù)先知道是哪個氨基酸或哪幾個氨基酸影響著蛋白質(zhì)的性狀。就現(xiàn)代生物技

4、術(shù)發(fā)展水平看大量新蛋白質(zhì)通過檢測來確定改變的蛋白質(zhì)是否具有預(yù)期的性狀技術(shù)上已是可行的。1. 4蛋白質(zhì)工程的基本途徑目前在蛋白質(zhì)工程中最常采用的技術(shù)是定點誘變技術(shù)即在特定的位點改變基因上核昔酸的笫3頁共8頁種類從而達(dá)到改變蛋白質(zhì)性狀的目的。蛋白質(zhì)工程發(fā)展至當(dāng)代利用專一改變基因中某個或某些特定核昔酸的技術(shù)可以產(chǎn)生具有工業(yè)上和醫(yī)藥上所需性狀的蛋白質(zhì)。一般來講對蛋白質(zhì)所作的改造包括增強酶蛋白的催化能力、穩(wěn)定性、專一性以及改善酶蛋白質(zhì)的反應(yīng)條件等幾個方面已為其大規(guī)模的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。其基本途徑如下：預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)f 設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) f 推測應(yīng)有的氨基酸序列- 找到相對應(yīng)的核糖核昔酸序列(rn

5、a) - 找到相對應(yīng)的脫氧核糖核昔酸序列(dna)2、蛋白質(zhì)工程的研究蛋白質(zhì)工程修飾、改造的蛋白質(zhì)為數(shù)不算多但進(jìn)展較快。隨著基因組測序的國際聯(lián)合行動的快速進(jìn)展也帶來并已出現(xiàn)了蛋白質(zhì)髙速發(fā)展的新階段。2.1在醫(yī)藥方面許多蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是設(shè)法提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。在酶反應(yīng)器中可酶的半衰期或增強其熱穩(wěn)定性也可以延療用蛋白質(zhì)的貯存壽命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在這個領(lǐng)域已取得了一些重要研究成果。用蛋白質(zhì)工程來改造特殊蛋白質(zhì)為制造特效抗癌藥物開辟了新途徑。如人的b-干擾素和白細(xì)胞- 2是兩種抗癌作用的蛋白質(zhì)。但在它們的分子結(jié)構(gòu)中有一個不成對的基因是游離的因而很不穩(wěn)定會使蛋白質(zhì)失去活性。當(dāng)通過蛋白質(zhì)工

6、程修飾這種不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)就可以提高這兩種抗癌物質(zhì)的生物活性。美國的c e t u s 公司成功地修飾了這兩種治療癌瘤的蛋白質(zhì)大大提高了它們的穩(wěn)定性已用于臨床試驗并取得了良好第4頁共8頁的效果。具有抗癌作用的蛋白質(zhì)工程產(chǎn)品免疫球蛋白質(zhì)是一種高效治癌藥物它能成為征服癌癥的“生物導(dǎo)彈”即具有對準(zhǔn)目標(biāo)殺死特定癌細(xì)胞而不傷害正常細(xì)胞的特效。近年來澳大利亞醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所的一個微生物研究課題組經(jīng)過多年的研究后發(fā)現(xiàn)了激發(fā)基因開始或停止產(chǎn)生癌細(xì)胞的蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)在癌細(xì)胞生長過程中對癌基因起著開通或關(guān)閉的作用。這個發(fā)現(xiàn)對于通過蛋白質(zhì)工程研制鑒別與控制多種類型的血液癌、固體癌的蛋白質(zhì)有很好的作用并為診斷和治療癌癥

7、提供了新的方法。目前應(yīng)用蛋白質(zhì)工程研究開發(fā)抗癌及抗艾滋病等重大疑難病癥等方面均取得了重大進(jìn)展。另據(jù)實驗蛋白質(zhì)工程還可以改變a 1抗胰蛋白（att ）。運 用此工程技術(shù)在att 的 me t 3 5 8 和 ser359之間切開后可以與嗜中性白細(xì)胞彈性蛋白酶迅速結(jié)合而引發(fā)抑制作用。在病理學(xué)的氧化條件下可導(dǎo)致me t 3 5 8 變成蛋氨酸硫氧化物使 att 不可能與彈性蛋白酶的彈性位點相結(jié)合。通過位點直接誘變 m e t 3 5 8 被 v a 1 代替就成為抗氧化療法的aat 突變體。含 aat 突變體的血漿靜脈替代療法已經(jīng)用于aat 產(chǎn)物基因缺陷疾病患者的治療并已取得明顯療效。2. 2 在農(nóng)

8、業(yè)方面蛋白質(zhì)工程正在成為改造農(nóng)業(yè)大幅度提高糧食產(chǎn)量的新途徑。如植物光合作用是利用白光能將二氧化碳轉(zhuǎn)化成貯成能量淀粉在植物葉片中普遍存在著一種重要的起催化作用的酶它能固定住二氧化碳這種酶叫核酮糖-1?5-二 磷酸竣化酶。第5頁共8頁而這種酶具有雙重性：它既能固定二氧化碳又會使二氧化碳在光照條件下通過光呼吸作用損失一半即光合效率只有 5 0 % 。現(xiàn)在。這種酶的三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)搞清楚了。參與研究的工作人員認(rèn)為可以通過蛋白質(zhì)工程改造這種酶控制其不利于人需要的一面從而大大提髙其光合作用效率增加糧食產(chǎn)量。近年來美國坎布里奇的雷普里根公司的科研人員立題以蛋白質(zhì)工程作為設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥的新思路他們實施對微生物

9、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改僅此一舉使微生物農(nóng)藥的殺蟲率提高了10 倍。2. 3 在工業(yè)方面蛋白質(zhì)工程在工業(yè)上的應(yīng)用取得的成果亦是很多?，F(xiàn)以改變酶的動力學(xué)特性研制出高效除污酶為例說明其應(yīng)用價值。酶的動力學(xué)基本規(guī)律為：酶（e）底物（s ）=酶一底物復(fù)合物（es）=酶（e） +產(chǎn)物（p） 在這個反應(yīng)過程中有 4 個速率常數(shù)： es=es=e+p 在穩(wěn)態(tài)階段 e s形成速率與分解速率相等這個速率就是km（m i c h a e 1 i s 常數(shù)）。在數(shù)值上km 等于達(dá)到最大速率一半時的底物濃度。 vma_常在反應(yīng)的初始階段測定反應(yīng)進(jìn)行中產(chǎn)物濃度將增加 k 4 則不可忽視髙濃度的底物會抑制酶活性。在底物低濃度時

10、酶的km 是關(guān)鍵的參數(shù)。如在枯草桿菌蛋白酶的活性位點內(nèi)有一個 m e t 殘基作為去污劑的一種組分該酶要置于氧化條件下使用。利用位點直接誘變用其他1 9 種 氨基酸的任何一種取代這個 m e t 這些突變酶在活性方面大不相同除了c y s 代替 m 第6頁共8頁e t的突變酶外其他突變酶的活性都下降而 k m 值提高。含不可氧化氨基酸 ( 如 ce r a 1 a或 le n )的突變酶在 1 m o 1 /l ii 2 0 中不失活而 ne t 和 c ys 酶則迅速失活。研究者正是根據(jù)突變酶的動力學(xué)特性來確定枯草蛋白酶在去污劑中的應(yīng)用以提髙其除污效率加強去污作用。美國、日本等國家的科學(xué)工作

11、者利用蛋白質(zhì)工程研制生物元件來取代“硅芯片”研制生物計算機開發(fā)生物傳感器的蛋白質(zhì)都取得了重大進(jìn)展。還有利用蛋白質(zhì)( 酶)生產(chǎn)模仿羊毛、蠶絲、蜘蛛絲其強度高、質(zhì)量輕均是蛋白質(zhì)工程取得的應(yīng)用性研究成果。3、酶工程的進(jìn)展當(dāng)前蛋白質(zhì)工程是發(fā)展較好、較快的分子工程。這是因為在進(jìn)行蛋白質(zhì)分子設(shè)計后已可應(yīng)用髙效的基因工程來進(jìn)行蛋白的合成。最早的蛋白工程是福什特(forsht)等在19821985年間對酪氨酰一trna 合成酶的分子改造工作。他根據(jù)_rd (射線衍射 ) 實測該酶與底物結(jié)合部位結(jié)構(gòu)用定位突變技術(shù)改變與底物結(jié)合的氨基酸殘基并用動力學(xué)方法測量所得變體酶的活性深入探討了酶與底物的作用機制。佩里 (p

12、erry) 1984 年通過將溶菌酶中ile(3)改成 cys(3) 并進(jìn)一步氧化生成cys(3)-cys (97)二硫鍵使酶熱穩(wěn)定性提高顯著改進(jìn)了這種食品工業(yè)用酶的應(yīng)用價值。 1987年福什特通過將枯草桿菌蛋白酶分子表面的asp (99)和 glu (156)改 成 lys 而導(dǎo)致了活性中心his (64)質(zhì)子 pka 從7 下降到 6 使 酶在 ph = 6 時的活力提高10倍。工業(yè)用酶最佳ph第7頁共8頁的改變預(yù)示可帶來巨大經(jīng)濟效益。蛋白工程還可對酶的催化活性、底物專一性、抗氧化性、熱變性、堿變性等加以改變。由此可以看出蛋白工程的威力及其光輝前景。上述各例是通過對關(guān)鍵氨基酸殘基的置換與增

13、刪進(jìn)行蛋白工程的一類方法。另一類是以某個 典型的折疊進(jìn)行“從頭設(shè)計”的方法。1988年杜邦公司宣布 成功設(shè)計并合成了由四段反平行q螺旋組成為 73個氨基殘基的成果。這顯示按人們預(yù)期要求通過從頭設(shè)計以折疊成新蛋白的目標(biāo)已是可望又可及了。預(yù)測結(jié)構(gòu)的模型法在奠定分子生物學(xué)基礎(chǔ)時起過重大作用。蛋白的一級結(jié)構(gòu)包含著關(guān)于髙級結(jié)構(gòu)的信息這一點已日益明確。結(jié)合模型法通過分子工程來預(yù)測高級結(jié)構(gòu)已成為人們所矚目的問題了。蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進(jìn)到嶄新的時代為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用開拓了誘人的前景。蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造、創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時期。參考文獻(xiàn) 1穆小民吳顯榮 . 酶的開發(fā)利用與酶工程j 生物技術(shù)， 1995,(04). 2陳紅霞 . 酶工程研究及應(yīng)用 j化學(xué)工程師， 20