蛋白质工程的研究与进展

1、第1页共8页蛋白质工程的研究与进展蛋白质工程的研究与进展摘要：蛋白质是生命的体现者离开了蛋白质生命将不复存在。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。它所取得的进展向人们展示出诱人的前景。关键词：蛋白质工程；研究；进展；蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。1、蛋白质工程 1.1蛋白质工程的定义所谓蛋白质工程就是利用基因工程手段包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造以期获得性质和

2、功能更加完善的蛋白质分子。1.2蛋白质工程的由来蛋白质工程是在基因工程冲击下应运而生的。基因工程的研究与开发是以遗传基因即脱氧核糖核酸为内容的。这种生物大分子的研究与开发诱发了另一个生物大分子蛋白质的研究与开发。这就是蛋白质工程的由来。它是以蛋白质的结构及其功能为基础通过基因修饰和基因合成对现存蛋白质加以改造组建成新型蛋白质的现代生物技术。这种新型蛋白质必须第2页共8页是更符合人类的需要。因此有学者称蛋白质工程是第二代基因工程。其基本实施目标是运用基因工程的dn a 重组技术将克隆后的基因编码加以改造或者人工组装成新的基因再将上述基因通过载体引入挑选的宿主系统内进行表达从而产生符合人类设计需要

3、的“突变型”蛋白质分子。这种蛋白质分子只有表达了人类需要的性状才算是实现了蛋白质工程的目标。1.3蛋白质工程的原理由于基因工程的发展人们已经可以运用基因重组等理论和方法去设计并制造出预想的各种性能的蛋白质。这种改变蛋白质的操作可以在蛋白质水平上也可以在基因水平上。如基因水平的改变是在功能基因开发的基础上对编码蛋白质的基因进行改造小到可改变一个核昔酸大到可以加入或消除某一结构的编码序列。蛋白质水平的改变则主要是对制造出的蛋白质进行加工、修饰如磷酸化、糖基化等。蛋白质的化学修饰条件剧烈无专一性而基因操作则比较方便在实施基因操作时必须预先知道是哪个氨基酸或哪几个氨基酸影响着蛋白质的性状。就现代生物技

4、术发展水平看大量新蛋白质通过检测来确定改变的蛋白质是否具有预期的性状技术上已是可行的。1. 4蛋白质工程的基本途径目前在蛋白质工程中最常采用的技术是定点诱变技术即在特定的位点改变基因上核昔酸的笫3页共8页种类从而达到改变蛋白质性状的目的。蛋白质工程发展至当代利用专一改变基因中某个或某些特定核昔酸的技术可以产生具有工业上和医药上所需性状的蛋白质。一般来讲对蛋白质所作的改造包括增强酶蛋白的催化能力、稳定性、专一性以及改善酶蛋白质的反应条件等几个方面已为其大规模的应用创造了条件。其基本途径如下：预期的蛋白质功能出发f 设计预期的蛋白质结构 f 推测应有的氨基酸序列- 找到相对应的核糖核昔酸序列(rn

5、a) - 找到相对应的脱氧核糖核昔酸序列(dna)2、蛋白质工程的研究蛋白质工程修饰、改造的蛋白质为数不算多但进展较快。随着基因组测序的国际联合行动的快速进展也带来并已出现了蛋白质髙速发展的新阶段。2.1在医药方面许多蛋白质工程的目标是设法提高蛋白质的稳定性。在酶反应器中可酶的半衰期或增强其热稳定性也可以延疗用蛋白质的贮存寿命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在这个领域已取得了一些重要研究成果。用蛋白质工程来改造特殊蛋白质为制造特效抗癌药物开辟了新途径。如人的b-干扰素和白细胞- 2是两种抗癌作用的蛋白质。但在它们的分子结构中有一个不成对的基因是游离的因而很不稳定会使蛋白质失去活性。当通过蛋白质工

6、程修饰这种不稳定的结构就可以提高这两种抗癌物质的生物活性。美国的c e t u s 公司成功地修饰了这两种治疗癌瘤的蛋白质大大提高了它们的稳定性已用于临床试验并取得了良好第4页共8页的效果。具有抗癌作用的蛋白质工程产品免疫球蛋白质是一种高效治癌药物它能成为征服癌症的“生物导弹”即具有对准目标杀死特定癌细胞而不伤害正常细胞的特效。近年来澳大利亚医学科学研究所的一个微生物研究课题组经过多年的研究后发现了激发基因开始或停止产生癌细胞的蛋白质。这种蛋白质在癌细胞生长过程中对癌基因起着开通或关闭的作用。这个发现对于通过蛋白质工程研制鉴别与控制多种类型的血液癌、固体癌的蛋白质有很好的作用并为诊断和治疗癌症

7、提供了新的方法。目前应用蛋白质工程研究开发抗癌及抗艾滋病等重大疑难病症等方面均取得了重大进展。另据实验蛋白质工程还可以改变a 1抗胰蛋白（att ）。运 用此工程技术在att 的 me t 3 5 8 和 ser359之间切开后可以与嗜中性白细胞弹性蛋白酶迅速结合而引发抑制作用。在病理学的氧化条件下可导致me t 3 5 8 变成蛋氨酸硫氧化物使 att 不可能与弹性蛋白酶的弹性位点相结合。通过位点直接诱变 m e t 3 5 8 被 v a 1 代替就成为抗氧化疗法的aat 突变体。含 aat 突变体的血浆静脉替代疗法已经用于aat 产物基因缺陷疾病患者的治疗并已取得明显疗效。2. 2 在农

8、业方面蛋白质工程正在成为改造农业大幅度提高粮食产量的新途径。如植物光合作用是利用白光能将二氧化碳转化成贮成能量淀粉在植物叶片中普遍存在着一种重要的起催化作用的酶它能固定住二氧化碳这种酶叫核酮糖-1?5-二 磷酸竣化酶。第5页共8页而这种酶具有双重性：它既能固定二氧化碳又会使二氧化碳在光照条件下通过光呼吸作用损失一半即光合效率只有 5 0 % 。现在。这种酶的三维结构已经搞清楚了。参与研究的工作人员认为可以通过蛋白质工程改造这种酶控制其不利于人需要的一面从而大大提髙其光合作用效率增加粮食产量。近年来美国坎布里奇的雷普里根公司的科研人员立题以蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路他们实施对微生物

9、蛋白质结构进行修改仅此一举使微生物农药的杀虫率提高了10 倍。2. 3 在工业方面蛋白质工程在工业上的应用取得的成果亦是很多。现以改变酶的动力学特性研制出高效除污酶为例说明其应用价值。酶的动力学基本规律为：酶（e）底物（s ）=酶一底物复合物（es）=酶（e） +产物（p） 在这个反应过程中有 4 个速率常数： es=es=e+p 在稳态阶段 e s形成速率与分解速率相等这个速率就是km（m i c h a e 1 i s 常数）。在数值上km 等于达到最大速率一半时的底物浓度。 vma_常在反应的初始阶段测定反应进行中产物浓度将增加 k 4 则不可忽视髙浓度的底物会抑制酶活性。在底物低浓度时

10、酶的km 是关键的参数。如在枯草杆菌蛋白酶的活性位点内有一个 m e t 残基作为去污剂的一种组分该酶要置于氧化条件下使用。利用位点直接诱变用其他1 9 种 氨基酸的任何一种取代这个 m e t 这些突变酶在活性方面大不相同除了c y s 代替 m 第6页共8页e t的突变酶外其他突变酶的活性都下降而 k m 值提高。含不可氧化氨基酸 ( 如 ce r a 1 a或 le n )的突变酶在 1 m o 1 /l ii 2 0 中不失活而 ne t 和 c ys 酶则迅速失活。研究者正是根据突变酶的动力学特性来确定枯草蛋白酶在去污剂中的应用以提髙其除污效率加强去污作用。美国、日本等国家的科学工作

11、者利用蛋白质工程研制生物元件来取代“硅芯片”研制生物计算机开发生物传感器的蛋白质都取得了重大进展。还有利用蛋白质( 酶)生产模仿羊毛、蚕丝、蜘蛛丝其强度高、质量轻均是蛋白质工程取得的应用性研究成果。3、酶工程的进展当前蛋白质工程是发展较好、较快的分子工程。这是因为在进行蛋白质分子设计后已可应用髙效的基因工程来进行蛋白的合成。最早的蛋白工程是福什特(forsht)等在19821985年间对酪氨酰一trna 合成酶的分子改造工作。他根据_rd (射线衍射 ) 实测该酶与底物结合部位结构用定位突变技术改变与底物结合的氨基酸残基并用动力学方法测量所得变体酶的活性深入探讨了酶与底物的作用机制。佩里 (p

12、erry) 1984 年通过将溶菌酶中ile(3)改成 cys(3) 并进一步氧化生成cys(3)-cys (97)二硫键使酶热稳定性提高显著改进了这种食品工业用酶的应用价值。 1987年福什特通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的asp (99)和 glu (156)改 成 lys 而导致了活性中心his (64)质子 pka 从7 下降到 6 使 酶在 ph = 6 时的活力提高10倍。工业用酶最佳ph第7页共8页的改变预示可带来巨大经济效益。蛋白工程还可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变。由此可以看出蛋白工程的威力及其光辉前景。上述各例是通过对关键氨基酸残基的置换与增

13、删进行蛋白工程的一类方法。另一类是以某个 典型的折叠进行“从头设计”的方法。1988年杜邦公司宣布 成功设计并合成了由四段反平行q螺旋组成为 73个氨基残基的成果。这显示按人们预期要求通过从头设计以折叠成新蛋白的目标已是可望又可及了。预测结构的模型法在奠定分子生物学基础时起过重大作用。蛋白的一级结构包含着关于髙级结构的信息这一点已日益明确。结合模型法通过分子工程来预测高级结构已成为人们所瞩目的问题了。蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代为蛋白质和酶在工业、 农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。参考文献 1穆小民吴显荣 . 酶的开发利用与酶工程j 生物技术， 1995,(04). 2陈红霞 . 酶工程研究及应用 j化学工程师， 20