生命活动的承担者-蛋白质

蛋白质(英语：protein，旧称“朊”)是生命的物质基础，是构成多姿多彩的生物体功能单元——细胞的基本有机物，也是地球生物生命活动的主要承担者。蛋白质的组成单元是氨基酸（图1）。氨基酸的化学通式为RCH(NH2)COOH（R为侧链基团），其分子结构中的羧基和氨基通过形成肽键首尾连接，最后肽链经过折叠、盘曲、多聚化等方式成为有功能的立体蛋白结构。此外，行使特定功能（如酶促催化、电子传递）的蛋白质可能还会耦合P（磷）、S（硫）、Fe（铁）、Cu（铜）等元素。有机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与其中，与其他生物大分子，如糖类、脂类、核酸以及维生素等共同维系生命活动。

图1 天然氨基酸的结构

蛋白质是由氨基酸分子首尾相连缩合而成的共价多肽链，但是蛋白质分子并不是走向随机的松散多肽链。天然蛋白质都有特定的空间结构，或称三维结构，这种三维结构被称为蛋白质的构象，可人为划分为四级（图2）：
1.一级结构：组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。
2.二级结构：依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α螺旋和β折叠。
3.三级结构：通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维结构。
4.四级结构：不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物。

图2 蛋白质的多级结构

通过对蛋白质折叠机理的研究，对保留蛋白质活性，维持蛋白质稳定性和包涵体蛋白质折叠复性都具有重要的意义。未折叠的蛋白质在体外可以自发进行再折叠，序列本身已经包括了蛋白质正确折叠的所有信息，亦即蛋白质折叠的“热力学假说”。尽管蛋白质的氨基酸序列在正确折叠中起着核心作用，其他因素如信号序列、辅助因子、分子伴侣和外部环境条件等均会影响蛋白质的折叠。天然蛋白质的严密结构在某些物理或化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏，从而导致理化性质改变和生物学活性的丧失，如酶失去催化活力。变性蛋白质和天然蛋白质最明显的区别是溶解度降低，同时蛋白质的粘度增加，结晶性破坏，易被蛋白酶分解。引起蛋白质变性的原因可分为物理和化学因素两类。物理因素可以是加热、脱水、振荡、紫外照射等；化学因素有强酸、强碱、尿素、重金属盐、十二烷基磺酸钠(SDS)等。在临床医学上，变性因素常被应用于消毒及灭菌。反之，注意防止蛋白质变性就能有效地保存蛋白质制剂。

蛋白质占人体总重量的~20%。人体内蛋白质的种类繁多，结构、性质和功能各异，并在体内不断进行代谢与更新。蛋白质在细胞中发挥多种多样的功能，涵盖了细胞生命活动的各个方面（图3）。如发挥催化作用的酶；参与生物体内的新陈代谢的调节，如胰岛素；一些蛋白质具有运输代谢物质的作用，如离子泵和血红蛋白；可以消耗能量来转动并运动的分子马达；控制神经和反应的神经递质；许多结构蛋白被用于细胞骨架等的形成，如肌球蛋白；还有免疫、细胞分化、细胞凋亡等过程中都有多种信号蛋白的参与。

图3 蛋白质的典型功能

重组蛋白的用途
由于蛋白质对基础研究、医药和化工等领域的重要性，获得高产量、高品质和低成本的蛋白质成为持续的现实需求。由于天然蛋白发含量低、提取难度大，通过重组DNA或RNA的技术获得的“重组”蛋白质应运而生。简而言之，应用基因重组技术获得目的蛋白的基因片段，将其导入合适宿主细胞进而表达、纯化得到特定的重组蛋白。当前主要的重组蛋白表达平台有大肠杆菌、毕赤酵母、昆虫细胞以及CHO细胞等。此外，重组蛋白还可利用转基因动物的乳腺或者植物产生。

蛋白药物是重组蛋白发展的重要方向，全球重组蛋白药物市场已经历40多年发展历程，重组人胰岛素Humulin是全球首个重组蛋白药物。重组抗体药物因其良好的靶向性，能够有针对性地结合指定抗原，为癌症、自身免疫系统疾病等重点疾病领域的临床治疗提供了疗效更优的选择，是目前生物药的主流产品。另外，体外诊断试剂种的抗原、抗体、诊断酶等多数也都是重组蛋白，是体外诊断产品的核心原料。重组蛋白试剂也是是生命科学基础研究中的重要工具，高纯度、高活性的重组蛋白可用于各种疾病研究。总之，随着生物药行业的高速发展、精准医疗的兴起以及科学研究的深化，医药企业、科研机构对于重组蛋白质量的要求显著提升，倾向于选择更稳定、更成熟的高质量重组蛋白，该技术领域具有极大的想象空间。

如何进行重组蛋白表达
根据遗传学的中心法则，细胞中蛋白质由对应的基因转录成mRNA，翻译为初生蛋白质、而后经过一系列折叠、修饰、转运、分泌等事件，成为可以提取纯化的重组蛋白。基于中心法则，目的重组蛋白基因通常置于表达载体上（图4）。将该载体转化或转染到细胞或者细菌中，利用细胞自身拥有蛋白表达体系，通过诱导并联合高密度发酵从而得到高产量的重组蛋白。表达中含各种有用部分，有助于克隆、阳性克隆选择、蛋白表达和蛋白纯化。这些部分包括但不限于多克隆位点（MCS）、用于克隆选择的抗生素抗性基因、用于蛋白鉴定和纯化的独特标签以及驱动蛋白表达的强启动子区域。蛋白表达载体种类繁多，根据特定应用需求和用于蛋白表达的细胞类型，这些载体中的许多部分是可互换的。因生长速度快，表达载体的遗传转化仅需几分钟，所以大肠杆菌是生产重组蛋白最常用的微生物之一。除细菌外，昆虫、酵母和哺乳动物细胞系也常用于蛋白表达。然而，与细菌不同，真核细胞系含额外的分子机制可进行翻译后修饰（例如糖基化），对重组蛋白的生物学功能至关重要，对其进行下游分析必不可少。

责任编辑：白芨