蛋白质合成

蛋白质合成

--化学与生命科学的联系（综述）作为人体所需的六大营养素之一的蛋白质在各项生命活动中都发挥着它不可或缺的作用。早在19世纪末20世纪初，人们就已收集到了大量有关蛋白质物理和化学特性的信息。科学家们深知证明一种分子实际结构的最直接方法就是在实验室里直接合成这一物质，为了进一步了解蛋白质，他们踏上了人工合成蛋白质这一漫漫征程。

从合成多肽起步的化学合成

1907年，费舍尔合成了一个由甘氨酸和亮氨酸组成的18肽，从而总结出了人工合成肽链的方法。1932年，德国化学家马克斯·伯格曼和列奥尼达·泽瓦斯采用苄氧羰基保护α-氨基的办法，合成各种氨基酸构成的多肽，完善了多肽合成方法。

20世纪40年代早期，英国蛋白质学家阿切尔·J·P·马丁和理查德·L·M·辛格利用层析法分离并定量测出蛋白质中各种氨基酸的含量, 为氨基酸排列顺序的揭晓奠定基础。直至20世纪中期，佛雷德里克·桑格领导的一个化学家小组经过不懈努力，终于弄清楚了胰岛素的全部氨基酸顺序。人们第一次知晓蛋白质的氨基酸顺序。1953年美国科学家文森特·迪维尼奥成功合成含有八个氨基酸的催产素，这是人类历史上首次成功合成天然多肽。

1963年，梅里菲尔德创立了多肽固相合成法，将多肽羧基端的氨基酸固定在不溶性树脂上，然后用活化剂活化下一个氨基酸的羧基，使其与树脂上的氨基酸的氨基反应交联形成肽键，逐步形成肽链。之后，将多肽链从柱上洗脱下来，并洗去保护暂不参与形成酰胺键的氨基和羧基以及氨基酸侧链上的活性基团的保护基团。固相合成法克服了液相合成法中每步产物都要纯化的缺陷，这一发明在蛋白质合成的研究道路上无疑有着里程碑的意义。

中国科学家于1965年成功合成了结晶牛胰岛素。这是世界上首次成功人工合成蛋白质。

中心法则诠释的生物合成

1957年，克里克提出中心法则，揭示了生物将遗传信息经过转录、翻译进而转化为蛋白质的过程。

1973年，在成功分离出第一个基因后的第四年，科学家们实现体外DNA重组，为基因工程的发展奠定了基础。1978年，Genentech公司便利用大肠杆菌中表达出生长激素抑制素。

动物细胞融合或植物体细胞杂交技术，也可以获得含有目的基因的细胞并得到相应的表达产物。

1966年科学家们破译出了64个或是对应20种氨基酸或是代表起始信号或终止信号的密码子。这使得应用基因工程、细胞工程生产自然界不存在的蛋白质成为可能，蛋白质工程由此蓬勃发展，展开了改造蛋白质的历史新篇章。

马太和尼伦伯格用以破译密码子的无细胞体外合成蛋白质的实验方法开辟了无细胞合成蛋白质的全新道路。1985年PCR技术的发明促进了无细胞蛋白质合成技术的发展。

当今的蛋白质合成

多肽固相相合成技术的发明同时促进了肽合成的自动化。多肽固相合成具有自动化操作，产物易分离的优点，但是也具有反应不完全，保护基脱落，产物纯度低于液相法的缺点。故固相合成法多用于合成30个氨基酸以内的多肽。

目前化学合成蛋白质多限于小分子多肽的合成，大分子蛋白质仍以生物合成为主。

基因工程不仅实现了大批量生产蛋白质，大大降低了生产成本，还能大量生产突变蛋白，实现蛋白质的体外定向进化。但它也有不足之处：重组DNA合成实现的概率较低，大多数的蛋白质合成后需要进一步加工，在合成表达产物的同时合成了细胞自身生命活动所需的物质，这不仅浪费原料而且使得产物的提纯变得困难。

相比之下，无细胞合成蛋白质能弥补基因工程的一些缺陷。由于是处于非生命体系中，它可用于表达对细胞有毒害作用的蛋白质，避免毒性蛋白对宿主细胞的致死作用；能够减少内源蛋白酶对目标蛋白质的攻击；能使大部分的代谢能源集中用于合成目标蛋白质 ,而不会消耗在细胞生长等其他过程……同时，无细胞合成蛋白质和蛋白质工程一样能修改蛋白质的构造，生产更稳定、活性更高的蛋白质。但是由于供能物质体系无法自身合成，该方法存在着表达量不高的弊端。

此外，从动物体内提取相应蛋白质，再利用酶的特异性催化作用将动物体内的蛋白质修改为目标蛋白质也是当今生产蛋白质的一种方法。这种方法具有反应效率高，条件简单，易操作的特点。随着固定化酶技术的发展，反应中酶的稳定性得到提高，用量减少，步骤简化，为规模化生产创造了有利条件。

从古至今已有无数科学家为蛋白质的合成倾注了毕生的心血。在蛋白质合成的道路上，我们可以看见化学家的身影，也可以看见生物学家的身影，他们共同努力让蛋白质合成的道路越来越宽广。在看见前人的累累硕果的同时，我们也看见了那些等待我们去完善的细节，那些等待我们去探索的路途。

参考文献

1．《现代生物学》胡玉佳主编高等教育出版社

2．《20世纪的生命科学史》加兰·E·艾伦著复旦大学出版社

3．《现代生命科学概论》焦炳华主编科学出版社

4.《无细胞蛋白质合成系统的研究进展》---------《中国生物化学与分子生物学报》

作者：巴德年医学实验班韩泉