第六章蛋白質工程在食品工業(yè)中的應用-wenkub
2023-01-27 09:04:00 本頁面
【正文】 全新的蛋白質，即從頭設計合成新的蛋白質。 雖然蛋白質結構與功能關系的研究，不屬于嚴格意義上的蛋白質工程的研究范圍，但是應該看到它是蛋白質工程研究的基礎，它能為蛋白質的分子改造或分子構建等設計過程提供基本參考數(shù)據(jù)。 對許多蛋白質而言，精確結構以及結構與功能關系均不易明確，我們就不能用嚴格定義的蛋白質工程方法來改造或構建 ， 但有許多蛋白質功能明確，而 且有靈敏、快速、高效、簡便的功能檢測方法。這就可以用小鼠制備單抗，然后轉移給人的抗體，使重組體具有與人的單抗 一致 的效果，這種制備的方法要比直接制備方法簡單方便。在研究過程中 不必對整體蛋白質的一級結構及高級結構的關系過于苛求，只要了解這些元件的結構 和 功能關系就能夠滿足需要了，這樣 就 大大簡化了蛋白質工程的難度，使其操作的可行性增加。蛋白質工程技術針對這一 問題 ，對天然蛋白質進行改造改良或全新設計模擬，使目的蛋白質具有特殊的結構和性質，能夠抵御外界的不良環(huán)境，即使在極端惡劣條件下也能 繼續(xù)發(fā)揮作用，因而蛋白質工程具有廣闊的應用前景。 一、蛋白質工程的概念 天然蛋白質經(jīng)歷了自然界長期的進化過程，已經(jīng)能夠很好的適應生物所處的內(nèi)外環(huán)境，有序而協(xié)調的 發(fā)揮其功能。 蛋白質工程是繼基因工程以后又一個可根據(jù)人們自己的意愿改造天然生物大分子，甚至可以設計和創(chuàng)造全新的非天然的生物大分子的生物技術。生物科學理論和技術的迅速 發(fā)展 ，使人們在相關方面的技術能力 上 達到了一個新的水平，分子遺傳學、基因工程、蛋白質結構與功能以及計算機技術的發(fā)展，為這一目標的實現(xiàn)打下了堅實的基礎。作為生物最基本的功能大分子之一的“蛋白質”，它是幾乎所有生物功能的體現(xiàn)者，弄清蛋白質的結構、功能及其兩者相互關系的規(guī)律， 并且定向的改良蛋白質，甚至構建全 新的蛋白質分子已成為客觀的迫切 需要。蛋白質工程可賦予蛋白質特殊的性質和功能，滿足人們在某些特定條件下的特殊需要。可以說天然的正常構象是蛋白質的最佳狀態(tài)，它既能高效的發(fā)揮功能，又便于機體的正常調控，因而極易失活而中止作用。 二、蛋白質工程的研究內(nèi)容和技術方法 （一）蛋白質工程的研究內(nèi)容 （二）蛋白質工程的主要研究方法 （一）蛋白質工程的研究內(nèi)容 1．建立蛋白質工程的研究方法系統(tǒng) 2．隨機誘變基因庫的定向篩選 3．研究蛋白質結構與功能的關系 4．嚴格意義上的蛋白質工程 1．建立蛋白質工程的研究方法系統(tǒng) 這是指在研究某些蛋白質 一 級結構及其與結構功能元件相互關系的基礎上建立起應用蛋白質工程 技術 的系統(tǒng)。實際上，蛋白質在自然界的進化過程也極有可能就是采用這一方式進行的 ， 因為這種方式可以在較短的時間內(nèi)獲得具有新性狀蛋白質分子，同時也節(jié)約使用有限的遺傳信息資源，具有較強的適應能力。有些蛋白 質的功能特性與特定的氨基酸側鏈有關，這類蛋白質的改造，一般來說 不 需要以完整的空間結構為基礎進行分子設計，只要改變相應的氨基酸種類即可，但是如何進行改變，換成哪種氨基酸，置換后將會對蛋白質結構功能有何影響，則要仔細研究和篩選了。如果我們對目的蛋白質基因或基因上某個區(qū)域在體內(nèi)或體外進行隨機誘變，建立突變型基因庫，并通過載體系統(tǒng)表達突變蛋白質，用高效檢測系統(tǒng)在預定條件下篩選，就可能獲得預期的突變蛋白質。該研究內(nèi)容包括：蛋白質活性中心 ( 催化中心和調節(jié)中心 ) 的鑒定、蛋白質中各個關鍵氨基酸殘基在結構和功能中的作用和貢獻、蛋白質的折疊過程及其折疊中間體的能量狀態(tài)和穩(wěn)定性、蛋白質與蛋白質之間 以及蛋白質與其他生物大分子之間的相互作用和相互識別等。對于局部重建的大改和從頭設計的構建來說，只有當我們已經(jīng)基本掌握了蛋白質一級結構與高級機構之間的關系，掌握了蛋白質結構與功能之間相互關系的規(guī)律以后，才能真正地把握這一過程。如已有實驗獲得了幾種降鈣素的類似物；合成模擬胰凝乳蛋白酶，一個具有分支四螺旋多肽結構，其酶的催化活性與天然蛋白質相比僅相差兩個數(shù)量級；另外，人工合成鈣選擇性離子通道也有報道，這些都是類似蛋白質全新合成的產(chǎn)物。另一方面，蛋白質和多肽的化學合成，無論是從合成的長度方面，還是從合成的精度方面，都有了很大的突破，并且已經(jīng)拼接兩個肽片段，使蛋白質的肽鏈合成擺脫了必須線性單向延長的單一模式，向多元化合成方式發(fā)展。這不僅會對生命科學領域產(chǎn)生深刻的影響，最終將徹底改變傳統(tǒng)工業(yè)的高溫、高壓、高能耗的局面，使之成為節(jié)省能源，但卻更為高效的生產(chǎn)方式。 三、蛋白質工程技術的發(fā)展歷史 蛋白質工程的研究和發(fā)展是與對蛋白質結構的深入了解密不可分的。 80 年代以來，由于基因工程技術能夠讓大腸桿菌大量產(chǎn)生人們感興趣的蛋白質，科學家可以方便地 對那些在機體內(nèi)含量極微卻又難以提取的蛋白質進行結構研究。 四、蛋白質工程技術的展望 蛋白質工程作為一種新型的強有力的研究手段，對一些基本生物學問題的研究和解決發(fā)揮了重要作用。它已經(jīng)在蛋白質藥物改造、酶工程、抗體工程、分子電子器件和新型醫(yī)學生物材料研制中獲得越來越廣泛的應用。迄今為止，從基因到蛋白質結構再到生物功能，是分子生物學的中心和主流，它的成就對現(xiàn)代生物學的發(fā)展起了巨大 的 作用。蛋白質工程是希望與挑戰(zhàn)并存、艱辛與碩果同在的嶄新研究領域。又如，利用高溫均質對醇法大豆?jié)饪s蛋白進行改性處理，可使其溶解度、乳化性和起泡性提高（表 6 1 ）。近年來，對濃堿高溫下可能生成賴氨酰丙氨酸的毒性問題也提及過，在堿性試劑作用下，氨基酸由 L 型轉 D 型可能性增加，成品的發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性均很高，色澤呈乳白。酸堿處理可催化多種反應，從而使蛋白質的分子結構及功能特性發(fā)生重大變化，這反應包括肽鍵水解 、 酰胺基水解 、 精氨酸側鏈水解 等 某些氨基酸被破壞。 （ 4）乙?；饔? 將醋酸酐引入到蛋白質結構的氨基上即成為乙?；鞍?，把這種反應叫做乙酰化作用，乙?；饔媚苁拐被x子轉移到帶電的中性殘基上，從而得到一個凈負電荷，反應過程 為： 蛋白質 NH2和乙酸酐在 pH7 . 2 ～ 7 . 8 作用下，生成乙酰化蛋白。 無毒和可消化性是把酰化蛋白質應用到食品制造中所必不可少的條件， Fr an jen 指出，琥珀酰化和乙?；牡鞍踪|可以說是最理想的，因為琥珀酸和醋酸存在于人體內(nèi)三羧酸循環(huán)中，和它們的其他同系物相比它們的衍生物是無毒的。 如， 磷酸化大豆分離蛋白 的 制取 把大豆分離蛋白粉以 3 ％濃度溶解到水里 ，pH 值控制在 8 .0 ，加入 STP 的量為 3 ％，反應溫度控制在 35 ℃，反應時間 3 . 5h ，反應結束后，把樣品的 p H 值調到 4 . 0 ，攪拌 30 min ， 2023r p min 下離心 15min ，取沉淀部分冷凍干燥，大豆蛋白功能特性水溶性、發(fā)泡能力、乳化能力、擇水能力有了明顯提高，蛋白溶液 粘 度也提高了 , 見表 6
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