工业蛋白质

蛋白质工程在医药工业中的应用

蛋白质工程是基因工程同蛋白质物理化学、蛋白

质生物化学研究的现代进展相结合产生的一个科学

领域，广义地说这门学科所要解决的问题应该是创造

和修饰蛋白质，使其具有更高的活性，更好的特异

性、稳定性，乃至产生新的特性。要想达到此目的，

其前提是要对蛋白质的结构功能的关系有非常透彻

的了解，也就是说，要使蛋白质工程很好地运转，关

键之处在于了解是什么决定了蛋白质分子的正确的

空间结构、如何形成蛋白质正确的空间结构以及蛋

白质的结构和功能是如何相关的。上述这些关键问题

的解决，需要多学科间相关技术的相互渗透和密切

协作。

蛋白质分子的结构分析包括一级结构、二级结

构、三级结构及四级结构的分析。对于蛋白质结构

和功能关系研究得到的大量实验结果指出，蛋白质的

生物活性不仅依赖于自身的氨基酸顺序，也依赖于

其精细的构象。因此，对蛋白质工程的实施而言，尽

可能详尽地获得蛋白质分子的结构信息，以便将蛋

白质分子的结构特性同其特定的功能有效地联系起

来，对于蛋白质分子的结构设计和预测以及其后利用

基因工程的技术构建和表达新的蛋白质分子是至

关重要的。可以这样说，对蛋白质分子三维结构的获

得是蛋白质工程的限速步骤。蛋白质分子的结构分

析不仅对天然蛋白质分子是重要的；当要测定结构设

计是否合理，对已经工程化的蛋白质的结构信息也

是需要的，因为这样可以发现新的结构和功能的关

系，使蛋白质分子结构和功能研究进入更深的层次。

然而，无论是用X射线衍射所进行的晶体结构分析，

还是用核磁共振所进行的溶液构象分析，有时都存

在某些技术和材料上的限制，使得人们不可能快速

完成对蛋白质空间结构的有效测定。随着DNA和蛋

白质测序技术的自动化、微量化，大量蛋白质分子

的一级结构被测定，这样通过具体的结构测定方法得

到的蛋白质三维空间结构信息远远慢于蛋白质一级

结构的测定速度。那么，是否能找到一些方法，可根

据蛋白质分子的氨基酸序列，来得到蛋白质空间结

构的信息呢?这就是蛋白质分子结构预测技术的任

务。蛋白质分子结构预测方法的完善，将对大量用常

规方法得不到三维结构蛋白质的改造和结构功能研

究提供有效的结构信息。尽管在蛋白质分子结构预测

中近年来不断取得进展，但至今尚不能达到直接从蛋

白质分子的氨基酸序列精确地预测其三维结构的水

平。这是因为我们虽然认识到蛋白质分子中的氨基

酸序列贮存有形成蛋白质空间结构的所有内在信息，

但我们并不完全知道，或根本不知道蛋白质分子正

确折叠的密码。只有当人们彻底破译了蛋白质分子

折叠密码后，才能使蛋白质的结构预测完成从必然王

国向自由王国的转化。

蛋白质分子设计是为蛋白质工程的实施提供设

计方案。蛋白质的分子设计可以按改造部位的多寡

分成三类：①根据对蛋白质分子的结构分析的结果，

建立起目标蛋白质的结构模型，找出对目标蛋白质

性质有重要影响的可能位点，然后通过定点突变技

术，在基因水平上完成特异性位点的突变，使得基

因表达后所产生的突变蛋白质能具有所期望的性质。

②通过分子设计，在目标蛋白质分子中替换一个肽段

或者一个特定的结构域。蛋白质分子中特定结构域

可相对独立存在的发现给这一方法增加新的活力。蛋

白质的立体结构可以看做由不同结构元什组装而成

的，因此可以在不同的蛋白质之间成段地替换结构元

件，期望能够转移相应的功能。③对蛋白质分子进

行从头设计。能够用预先决定的活性、稳定性、特异

性对蛋白质分子进行剪接，从而创造出全新的蛋白

质分子，这是人们在蛋白质工程实施中最终的梦想。

必须指出，对蛋白质分子的从头设计的成功例子尚不

多，只限于几个较小的多肽，其结构组成也相对简

单，大部分是完全由。螺旋和卢折叠组成。从头设计

是一个复杂的过程，只有当人们彻底掌握了一级结

构决定高级结构的规仲，掌握丁高级结构与特定生物

功能的相关性,即完全破译了蛋白质分子的折叠密码

后，才有可能真正实现从头设计蛋白质分子。

我们可以这样说，基因工程为实现蛋白质工程已

经提供了基因克隆、表达、突变以至活性测定等关

键技术，而蛋白质分子的结构分析、结构设计和预测

为蛋白质工程的实施提供了必要的结构模型和结构

基础。蛋白质工程的实施实际上是一个由理论到实

践、由实践到理论的周而复始的研究过程，对蛋白

质的结构—功能关系的规律性认识是一个螺旋式上

升的过程。

蛋白质工程不但有着广泛的应用前景，而且在揭

示蛋白质结构形成和功能表达的关系研究中也是一

个不可替代的手段。