蛋白质工程

蛋白质工程的应用与发展前景

摘要：蛋白质工程是生物工程中五大工程之一，本文对蛋白质工程作了简要概述，介绍了蛋白质工程的特点，并从蛋白质结构分析结构、功能的设计和预测、蛋白的创造和改造等方面对蛋白质工程研究内容进行详细论述，并以实力作了蛋白工程应用。

关键词：蛋白质工程研究内容应用

蛋白质是一切生命的基础，是生命的几乎体现着，离开了蛋白质，生命将不复存在。在一切生物学过程中都起着关键的作用。1983年，美国生物学家厄尔默首先提出了“蛋白质工程”的概念n]，随即被广泛接受和采用。蛋白质工程是以蛋白质结构与功能关系的知识为基础，通过周密的分子设计，把蛋白质改造为舍乎人类需要的新的蛋白质。人们利用分子遗传学的知识和对蛋白质结构的了解，在实验室条件下，设计出垒新的优良蛋白质。实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化，蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其它手段改造或创造蛋白质。从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质。

目前，蛋白质工程尚未有统一的定义。一般认为蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质。实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化，蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其它手段改造或创造蛋白质。从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造蛋白

质或设计合成具有特定功能的新蛋白质。

1、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ＤＮＡ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。

２蛋白质工程原理和基本操作

２.１分子设计

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，小到可改变一个核苷酸，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。２.２定点突变技术

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苷酸的种类，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苷酸的技术，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。

3 蛋白质工程的应用

３、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。在酶反应器中可延长酶的半衰期或增强其热稳定性，也可以延长治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β-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Ｃｅｔｕｓ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。

3、2 酶方面的应用

酶是蛋白质工程研究的最佳对象之一，因为对酶的结构与功能的蓑系了解得较清楚，而且酶具有广泛的实际应用。近年来，枯草杆菌蛋白酶、胰蛋白酶和葡萄糖异构酶的蛋白质工程取得了巨大的进展，包括改造酶的活性、结合专～性、摄适pH值和稳定性等涉及实际应用的性能，使其具有符合人们需要的多方面的优点。

在食品中的应用，随着科学技术的发展，食品加工的精度越来越高，食品加工的方法越来越多，人们对食品的要求也越来越高。酶，作为具有高效性、专一性而且有非常安全的生物催化剂，在食品的加工和生产中备受关注。蛋白酶是水解肽键的专一酶类。蛋白酶广泛的存在于动物、植物以及微生物体内。蛋白酶主要来源于高等植物的种子和果实动物的内脏和腺体, 以及某些微生物如酵母、霉菌和杆菌等。目

前已商品化的酶制剂中植物来源的蛋白酶有木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶和生姜蛋白酶等。动物来源的蛋白酶有从家畜胰脏和胃中提取的胰蛋白酶和胃蛋白酶等。微生物来源的蛋白酶是商品化酶的主体。

3、3蛋白质工程在农牧中的应用

酶是生物体内一种具有催化能力的蛋白质，它可加快化学反应的速度。作为一种生物催化剂，能在常温常压下高效地催化专一的底物是其最突出的特点。酶工程目前在农业中主要应用在饲料加工领域。植物饲料中的营养物质大多是由生物多聚体组成，动物在其消化道利用这些物质之前必须消化它们，而动物本身的内源消化酶往往分泌不足或缺乏一些专一性酶，如果将一些酶作为添加剂混入饲料中，就可以帮助机体有效地将一些大分子多聚体消化成可直接供肠道吸收的营养物质，或分解成为小片段，供其它酶进一步消化。例如加入淀粉酶可提高饲养动物对淀粉的利用率。加入蛋白酶可提高动物对蛋白质的吸收率。除将饲料分解为可消化吸收的小分子物质，直接提高饲料的利用率外，加入酶制剂，还可以去除抗营养因子，改善消化机能，间接地提高饲料的利用率。在玉米、大麦、小麦等饲料中含有较多的非淀粉多糖(NSP)，NSP能通过多种方式影响动物对饲料的消化吸收作用。而将聚糖酶添加到饲料中分解NSP，可提高动物的消化吸收能力。植物中的磷大量以植酸的形式存在，极难被单胃动物消化吸收，同时植酸极易与钙、锌、铜、锰等离子结合形成不易吸收的络合物，大大降低了这些矿物元素的吸收利用率。如果利用植酸酶将植酸分解，不仅可提高单胃动物对磷的利用，而且可提高其它矿质元素的利