蛋白質(zhì)工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用第五章第一節(jié)蛋白質(zhì)工程概述蛋白質(zhì)是對(duì)生命至關(guān)重要的一類生物大分子物質(zhì)，各種生命功能、生命現(xiàn)象、生命活動(dòng)都和蛋白質(zhì)有關(guān)。在生命有機(jī)體催化、運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、識(shí)別和調(diào)節(jié)等許多方面，起著關(guān)鍵的作用。酶.幾乎全都是蛋白質(zhì)。肌肉收縮、精子移動(dòng)、細(xì)胞分裂過(guò)程中的染色體移動(dòng).高等生物的有序生長(zhǎng)和分化過(guò)程?？贵w蛋白能識(shí)別和結(jié)合特異性的外源物質(zhì)，使人體具備抵抗各種細(xì)菌、真菌和病毒的能力。由神經(jīng)細(xì)胞膜蛋白構(gòu)成的離子通道，負(fù)責(zé)神經(jīng)沖動(dòng)的形成和傳導(dǎo)。血紅蛋白具有結(jié)合和釋放氧的能力，是血液中氧、二氧化碳和氫離子的攜帶者。另外，人體的毛發(fā)和指甲屬于角蛋白，而血栓是由血纖蛋白單體聚合而成的。蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能1.催化功能：酶2.調(diào)節(jié)功能：激素3.結(jié)構(gòu)功能：皮、毛、骨、牙、細(xì)胞骨架4.運(yùn)輸功能：血紅蛋白5.免疫功能：免疫球蛋白6.運(yùn)動(dòng)功能：鞭毛、肌肉蛋白7.儲(chǔ)藏功能：酪蛋白8.生物膜功能及神經(jīng)傳導(dǎo)等蛋白質(zhì)是生命的體現(xiàn)者，離開(kāi)了蛋白質(zhì)，生命將不復(fù)存在?？墒?，生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，有的往往不盡人意，需要進(jìn)行改造。由于蛋白質(zhì)是由許多氨基酸按一定順序連接而成的，每一種蛋白質(zhì)有自己獨(dú)特的氨基酸順序，所以改變其中關(guān)鍵的氨基酸就能改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)。而氨基酸是由三聯(lián)體密碼決定的，只要改變構(gòu)成遺傳密碼的一個(gè)或兩個(gè)堿基就能達(dá)到改造蛋白質(zhì)的目的。蛋白質(zhì)工程的一個(gè)重要途徑就是根據(jù)人們的需要，對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使合成的蛋白質(zhì)變得更符合人類的需要。一、蛋白質(zhì)工程的崛起的緣由1、基因工程產(chǎn)物基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。這些天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的,它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要,卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。實(shí)例1:玉米中賴氨酸的含量比較低原因：賴氨酸合成過(guò)程中兩個(gè)關(guān)鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細(xì)胞內(nèi)賴氨酸濃度的影響。當(dāng)賴氨酸濃度達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)抑制這兩種酶的活性。如果對(duì)賴氨酸合成過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵酶進(jìn)行改造,可以使玉米葉片和種子中的游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。實(shí)例2:工業(yè)用酶在已研究過(guò)的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒(méi)有活性或活性很低。這是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會(huì)很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的課題。一般來(lái)說(shuō)，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長(zhǎng)酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)藥用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。是自然界原本不存在的新的蛋白質(zhì)。你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”;另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”,由此拉開(kāi)了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織/器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。思考：對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？應(yīng)該從對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：(1)任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過(guò)的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過(guò)的蛋白質(zhì)分子還是無(wú)法遺傳的。(2)對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。二、蛋白質(zhì)工程的基本概念1、蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。2、天然蛋白質(zhì)的合成過(guò)程DNA(基因)轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯蛋白質(zhì)基因→表達(dá)(轉(zhuǎn)錄和翻譯)→形成氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)→行使生物功能中心法則(centraldogma)生物的遺傳信息從DNA傳遞給mRNA的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)錄。根據(jù)mRNA鏈上的遺傳信息合成蛋白質(zhì)的過(guò)程，被稱為翻譯和表達(dá)。1958年Crick將生物遺傳信息的這種傳遞方式稱為中心法則。復(fù)制：是親代雙鏈DNA按堿基配對(duì)原則，準(zhǔn)確形成兩個(gè)相同核苷酸序列的子代DNA分子的過(guò)程。兩條DNA鏈都可作為復(fù)制的模板。轉(zhuǎn)錄：是以一條DNA鏈為模板，將DNA鏈上儲(chǔ)存的遺傳信息按堿基配對(duì)原則準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成互補(bǔ)的mRNA的過(guò)程。翻譯：是以mRNA為模板，將mRNA上的遺傳信息轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)的氨基酸序列的過(guò)程。中心法則：遺傳信息由DNA蛋白質(zhì)的流動(dòng)途徑。mRNA中心法則：遺傳信息由DNAmRNA蛋白質(zhì)的流動(dòng)途徑。DNA復(fù)制補(bǔ)充和完善之處：A:RNA作為遺傳物質(zhì)能自我復(fù)制，并