简述蛋白质及酶工程的概念、研究内容及应用。

简述蛋白质及酶工程的概念、研究内容及应用。

蛋白质工程和酶工程是继基因工程之后发展起来的生物学技术，它们是基因工程的一个重要组成部分，或者说是新一代的基因工程。以下简要介绍蛋白质工程和酶工程的原理和应用。



一、蛋白质工程

　



通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业化开发往往不合意，需要加以改造。1983年Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。

　

（一）蛋白质的分子设计与改造

　

蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。特别值得指出的是，计算机科学技术和图象显示的迅猛发展，已使蛋白质结构分析、三维结构预测和模型构建，分子设计和能量计算等理论与技术以及相关软件，正在发展成为一个独立的研究领域，而成为生物信息学的一个分支。它在蛋白质工程定向改造的分子设计中是必不可少的条件和重要手段。

　

蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。采用定位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组，其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。

　

蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标。

　

（二）蛋白质改造工程举例

　

1．水蛭素改造

　

水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。

　

2．生长激素改造

　

生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。

　

3．胰岛素改造

　

天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。

　

4．治癌酶的改造

　

癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。

　

蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。

　



二、酶工程



　

人们早就知道，在催化化学方面，就其经济性、效率以及用途的多样性而言，很难有其它的化学物质能超过生物酶。如今，生物酶已被广泛用于人类生活的许多方面，如食品、饮料、医用药品、化学工业及洗涤剂的生产等。然而，这些由数百个氨基酸按一定的精确顺序连接起来的生物大分子，其用途是有局限性的。因为，天然酶虽然在生物体内能发挥各种功能，但在生物体外，特别是在工业条件（如高温、高压、机械力、重金属离子、有机溶剂、氧化剂、极端pH等）下，则常易遭到破坏。除这些酶的不稳定性因素外，天然酶还有分离纯化难，成本高，价格贵等缺点。因此，尽管已被发现的酶有数千种，但是目前在国际工业上和研究中商品酶的种类也仅数百种。所以，人们很自然地想到能否运用迅速发展的生物技术来改造天然酶，使其能够适应特殊的工业过程；或者设计制造出全新的人工酶或人工蛋白，以生产完全新的医用药品、农业药物、工业用酶和天然酶不能催化的化学催化剂。

酶工程主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分子结构的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等方面的应用。酶工程主要采用两种方法。一是化学酶工程，即通过对酶的化学修饰或固定化处理，改善酶的性质以提高酶的效率和减低成本，甚至通过化学合成法制造人工酶；另一种是生物酶工程，即用基因重组技术生产酶以及对酶基因进行修饰或设计新基因，从而声查性能稳定，具有新的生物活性及催化效率更高的酶。因此酶工程可以说是把酶学基本原理与化学工程技术及重组技术有机结合而形成的新型应用技术。

　

（一）化学酶工程

　

化学酶工程也可称为初级酶工程，是指天然酶、化学修饰酶、固定化酶及人工模拟酶的研究与应用。

　

1．天然酶

　

工业用酶制剂大多是通过微生物发酵而获得的粗酶，价格低，应用方式简单，产品种类少，使用范围窄。例如洗涤剂、皮革生产等用的蛋白酶；纸张制造、棉布退浆等用的淀粉酶；漆生产用的多酚氧化酶；乳制品中的凝乳酶等。天然酶的分离纯化随着各种层析技术及电泳技术的发展，得到长足的进展，目前医药及科研用酶多数是从生物材料中分离纯化得到的。

　

2．化学修饰酶

　

通过对酶分子的化学修饰可以改善酶的性能，以适用于医药的应用及研究工作的要求。化学修饰的途径，可以通过对酶分子表面进行修饰，也可对酶分子内部进行修饰。主要方法有：

　

①酶功能基修饰：通过对酶功能基的化学修饰提高酶的稳定性和活性。例如将α-胰凝乳蛋白酶表面的氨基修饰成亲水性更强的-NHCH2COOH，可使酶抗不可逆热失活的稳定性在60℃时提高了1000倍。

　

②交联反应：用某些双功能试剂能使酶分子间或分子内发生交联反应而改变酶的活性或稳定性。例如将人α-半乳糖苷酶A经交联反应修饰后，其酶活性比天然酶稳定，对热变性与蛋白质水解的稳定性也明显增加。若将两种大小、电荷和生物功能不同的药用酶交联在一起，则有可能在体内将这两种酶同时输送到同一部位，提高药效。

　

③大分子修饰：可溶性高分子化合物如肝素、葡聚糖、聚乙二醇等可修饰酶蛋白侧链，提高酶的稳定性，改变酶的一些重要性质。如α-淀粉酶与葡聚糖结合后热稳定性显著增加，在65℃结合酶的半衰期为63min，而天然酶的半衰期只有2.5min。

　

3．固定化酶

　

固定化酶（immobilized enzyme），是用物理或化学方法处理水溶性的酶使之变成不溶于水或固定于固相载体的但仍具有酶活性的酶衍生物。在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后，容易与水溶性反应物分离，可反复使用。固定化酶不但仍具有酶的高度专一性和高催化效率的特点，且比水溶性酶稳定，可较长期使用，具有较高的经济效益。将酶制成固定化酶，作为生物体内的酶的模拟，可有助于了解微环境对酶功能的影响。

　

固定化酶在文献中曾用水不溶酶、不溶性酶、固相酶、结合酶、固定酶、酶树脂及载体结合酶等名称。

酶的催化反应依赖于它的活性部位的完整性，因此在固定某一酶时必须选择适当条件，使其