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蛋白质工程与食品（第1页）

蛋白质工程与食品

蛋白质工程是20世纪80年代在基因工程基础上发展起来的第二代基因工程。蛋白质工程的涵义是利用X-射线结品学和电子计算机图像显示技术，确定天然蛋白质的立体空间三维构象和活性部位，分析设计需要改变或替换的氨基酸残基，然后采用定位突变基因等方法，直接修饰或人工合成基因，有目的地按照设计来改变蛋白质分子中的任何一个氨基酸残基，以达到改造天然蛋白质或酶，提高其应用价值的目的。蛋白质工程包括蛋白质结品学（结构分析）和基因修饰技术，是基因工程的深化和发展，也是生物技术中最富有发展前景的高新技术领域之一。

蛋白质结品学

20世纪初，物理学家马克斯·冯·劳埃（MaxVonloue）发现X-射线通过品体时产生的衍射现象，后来劳·布拉格（L·Bragg）等认为这是个重大的发现，而且指出这种衍射现象表明各种品体不同结构性质，是研究品体结构的有力手段。X-射线是波长很短的电磁波，约0．01～10nm。由X-射线管产生各种波长的射线，经过滤波器得到单色X-射线，通过品体产生衍射线，在照相底片得到衍射图谱。通过对衍射图谱中的衍射斑点的位置与强度的测定和计算，便可确定品体结构。这种方法是测定物质结构的一种有效的方法，特别在研究蛋白质三维空间结构方面显得特别重要，所以说，蛋白质结品学是蛋白质工程的设计基础。

20世纪50年代末，自X-射线结品学方法测定了第一个蛋白质一肌红蛋白的结构以来，已有200~300个蛋白质的三维空间结构已被测定，包括各种酶、激素、抗体等。70年代以来，由于基因工程的发展，使那些在机体内含量极微而难以提取的蛋白质的结构也得到了充分研究。

1、基因修饰技术

蛋白质的分子改造有许多方法，如化学修饰、诱发突变和基因修饰技术等。在基因工程取得巨大成就的今天，人们设想通过对编码蛋白质的基因进行定位改造，人为改造蛋白质分子，为蛋白质工程奠定了科学基础，由此发展了两个行之有效的基因修饰技术：定位突变和盒子突变。

2、定位突变

天然蛋白质分子多肽链氨基酸排列顺序是由mRNA密码链上“三联体”密码所决定的。在“三联体”密码中第一或第二个碱基决定了氨基酸的性质，只需改变第一或第二个碱基，就可以将蛋白质分子中一种氨基酸残基改变为另一种氨基酸残基所取代，称为定位突变（sitedirectedmutagenesis）。

3、盒式突变

1985年，Wells提出盒式突变技术。特点是可经过一次性修饰，在一个位点上产生20种不同氨基酸的突变体，从而可以对蛋白质分子中某些重要氨基酸进行“饱和性”分析，大大地缩短了“误试”分析的时间，加快了蛋白质工程的研究速度。

除了上述两种基因修饰技术外，尚有硫代负链法、生物筛选法、双引物法、缺日双链法和质粒上直接突变法等，均已有所应用。

蛋白质工程的应用

自1973年美国科学家和Boyer揭开了第一代基因工程发展的序幕开始，至1977年化学合成的生长激素释放抑制因子（somatostin）基因在E．coli中实现表达以来，人胰岛素、人生长激素、干扰素、尿激酶、乙型肝炎病毒表面抗原和核心抗原等医用人体蛋白都已在细菌或真菌中表达或生产，有些产品已投入生产和提供临床应用。但是，基因工程尚不能理想地解决天然蛋白酶中半衰期短的问题。人们试图创造自然界不存在的蛋白质或酶。

例如，溶菌酶是一个广泛应用于食品、医药工业的酶，由于其催化速率随温度升高而升高，热稳定性的提高是工业用酶的关键。T4溶菌酶的品体结构研究表明，其分子含1条肽链，并折叠形成2个在空间上相对独立的单元（结构域）。活性中心位于两个结构之间，该分子含97位和54位两个未形成二硫键的半胱氨酸。二硫键是稳定蛋白质分子空间结构最重要的一种共价键，它能将分子牢固地联结在一起。因此，它能提高酶的热稳定性。Perry对溶菌酶空间结构进行了仔细分析，提出了对其热稳定性改善设计的方案，采取通过定位突变溶菌酶，使其半衰期由原来1lmin提高到6h。如果同时用碘乙酸封闭余下的第54位Cys或将其突变为Thr或Val，则可同时提高该酶的抗氧化活力。新引入的“工程二硫键”稳定了两个结构域的相对位置，从而稳定了由两个结构域所形成的活性中心。

蛋白质工程在医学上应用的一个重要例子是“抗体工程”。体内注射动物（主要是鼠类）单抗体，它们本身可视作外源蛋白引起人体产生抗体，限制了其应用前景。人们预期通过蛋白质工程实现鼠单抗体“人类化”，形成所谓嵌合抗体。目前已在实验室制备了数种联合抗体，保持了对原抗原的亲和力，可以选择核配具有不发酵功能保守区，通过拼接构成完全新的功能分子是蛋白质工程引人注目的发展方向。