生物學]第十章酶學和酶工程研究今后的方向、進展、熱點問題(編輯修改稿)
2025-01-31 14:21 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 基因 DNA的序列并不能提供上述全部信息，僅用核酸的語言還不能描述整個生命活動的規(guī)律。 在基因表達過程中，還存在基因剪接、蛋白質(zhì)翻譯后修飾及蛋白質(zhì)剪接，使基因遺傳信息的表達規(guī)律更加復雜。一個基因?qū)粋€蛋白質(zhì)的經(jīng)典理論已經(jīng)被實踐所否定。已發(fā)現(xiàn)，一個基因可以表達的蛋白質(zhì)的數(shù)目可能遠大于 l。對細菌而言，可能表達的蛋白質(zhì)數(shù)目為 。對酵母而言，則為 3。而對于人，則可以高達 I0。 即人類 35萬。在基因編碼的蛋白質(zhì)中，酶占了大約為 60%。因此，后基因組研究，亦即功能基因組研究中，酶蛋白質(zhì)組研究的任務極為繁重。 七 .酶的定向固定化問題 酶固定化以后活性部分失去 ， 甚至全部失去 。 一般認為酶活性的失去是由于酶蛋白通過幾種氨基酸殘基在固定化載體上的附著造成的 ， 這些氨基酸殘基主要有 :賴氨酸的 (ε 氨基和 N末端氨基 ,疏基 ， 天門冬氨酸和谷氨酸的羧基等 ） 。 由于酶蛋白多點附著在載體上用起了固定化酶蛋白 無序的定向和結(jié)構(gòu)變形 的增加。這種增加直接導致酶活性下降或者丟失。 近來，國外的研究者們在探索酶蛋白質(zhì)的固定化技術(shù)方面，己經(jīng)尋找到幾條不同途徑，使酶蛋白能夠以有序方式附著在載體上，有一定的定向作用，而使酶活性的損失降低到最小程度。 酶蛋白的固定化技術(shù)具有以下一些優(yōu)點 : a. 每個酶分子通過其一個特定的位點以可重復的方式進行固定化 ， c. 這種固定化技術(shù)可以借助一個與酶蛋白的酶活性無關(guān)或影響很小的氨基酸來實現(xiàn) 。 目前所用的方法： 1) 借助化學方法的位點專一性固定化 。 2) 磷蛋白的位點專一性固定化 。 3) 糖蛋蛋白的位點專一性固定化 。 4) 抗體 (免疫球蛋白 )的位點專一性固定化 。 5) 利用基因工程的位點專一性固定化。 以及共價固定化、氨基酸置換、疏水定向固定化等 這種有序的 、 定向固定化技術(shù)己經(jīng)用于生物芯片 、生物傳感器 、 生物反應器 、 臨床診斷藥物設(shè)計 、 親和層析及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究 。 八 雜交酶 所謂雜交酶是指由來自兩種或兩種以上的酶的不同結(jié)構(gòu)片段構(gòu)建成的新酶 。 雜交酶的出現(xiàn)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 ， 為酶工程的研究和應用開創(chuàng)了一個新的領(lǐng)域 。 1 是人們可以 利用高度同源的酶之間的雜交 ， 將一種酶的耐熱性、穩(wěn)定性等非催化特性 “ 轉(zhuǎn)接 ” 給另一種酶。這種雜交是通過 相關(guān)酶同源區(qū)間殘基或結(jié)構(gòu)的交換 來實現(xiàn)的， 雜交酶的特性通常介于其雙親酶的特性之間 。 例如 ， 利用根癌土壤桿菌和淡黃色纖維弧菌的 β 葡萄糖苷酶進行雜交 ， 構(gòu)建成的雜交 β 葡萄糖 苷酶 ， 其最佳反應條件和對各種多糖的 Km值都介 于雙親酶之間 。 2 是人們可以 創(chuàng)造具有新活性的雜交酶 。 其最便捷的途徑就是 調(diào)節(jié)現(xiàn)有酶的專一性或 催化活性 。 現(xiàn)在所有雜交酶大都屬于這類酶 。 有時單個 氨基酸殘基的變化就能夠改變酶的催化活性 。 如： 發(fā)酵氨基酸球菌的戊烯二酸輔酶 A轉(zhuǎn)移酶 點突變后， 可以轉(zhuǎn)化成酚基輔酶 A烴化酶。 采用循環(huán)點突變和篩選技術(shù)，經(jīng) 3輪的突變，可構(gòu)建出高活性的能夠?qū)⒓谆锼釋ο趸锦ミM行手性拆分的雜交脂酶。其酶活性可以從野生型的 2%上升到 81%。 ` 創(chuàng)造新雜交酶還可以利用功能性結(jié)構(gòu)域的交換，以及向合適的蛋白質(zhì)骨架引入底物專一性和催化特性的活性位點等技術(shù)。 雜交酶技術(shù)還可以用于研究酶的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系 。 例如 ， 可以用來確定相關(guān)酶之間的差異 。 當某個酶的特性在同源酶中缺失時 ， 人們可以用雜交酶技術(shù)分析研究與該特性有關(guān)的殘基或片段等 。 近年來 ， 雜交酶的發(fā)展非常迅速 ， 1998年就有 14個利用雜交酶技術(shù)改良的酶 ， 獲得了美國專利 。 可以預期 ， 雜交酶技術(shù)必將為酶工程的研究和應用發(fā)揮更大的作用 。 九．極端環(huán)境微生物和不可培養(yǎng)微生物的新酶種研究 自然界蘊藏著巨大的微生物資源 ． 據(jù)測算 1g土壤中含有 l億個微生物 。 美國華盛頓大學的 James Staley教授說過 ， 未知的微生物世界或許是地球上最大的未開發(fā)的自然資源 ， 能夠利用這個微生物資源的國家 ， 勢必會取得技術(shù)上的優(yōu)勢 。 自有酶一詞以來，隨著研究工作的深入，酶的種類在不斷增加。到目前為止，還不知道自然界究竟有多少種酶。同樣，也不清楚，每個細胞內(nèi)究竟有多少種酶。 有人估計 大腸桿菌細胞中有 “ 3000種蛋白質(zhì)， 而真核細胞中有 50000種蛋白質(zhì)． 這些蛋白質(zhì)中的大多數(shù)是酶 。 如果估計可靠，酶的種類將達到幾萬種。近來，人們從生產(chǎn)實踐的需要出發(fā)，非常重視開發(fā)新的酶種。 現(xiàn)在人們對極端環(huán)境微生物和不可培養(yǎng)微生 物研究還很不夠．這兩個資源寶庫值得人們?nèi)ラ_發(fā)。 人們首先注意從極端環(huán)境條件下生長的微生 物內(nèi)篩選新的酶種。 其中主要研究 嗜熱微生物、 嗜冷微生物、 嗜鹽微生物、 嗜酸微生物、 嗜堿微生物、 嗜壓微生物 等。 目前，人們己經(jīng)發(fā)現(xiàn)能夠在 250350 ℃ 條件下生長的嗜熱微生物，能夠在 100 ℃ 條件下生長的嗜冷微生物，能夠在 ，能夠在 pH10以上條件下生長的嗜堿微生物，能夠在飽和食鹽溶液 (含鹽 32%或 ，能夠在 1000個大氣壓條件下生長的嗜壓微生物，以及在高溫 (105 ℃) 和高壓 (400個大氣壓 )條件下生長的嗜熱嗜壓微生物等。這就為新酶種和酶的新功能的開發(fā)，提供了廣闊的空間。 其中人們對嗜熱微生物的研究最多，有大量文章涌現(xiàn)。耐高溫的 α 淀粉酶和 DNA聚合酶等也獲得廣
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