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
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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
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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(RNA)-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
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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。
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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：E—S=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
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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1982—1985年间对酪氨酰一t—RNA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(Perry) 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 ()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
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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。
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