蛋白质化学修饰在荧光蛋白改造中的设想 本文关键词：荧光，蛋白质，修饰，设想，蛋白
蛋白质化学修饰在荧光蛋白改造中的设想 本文简介：生物化学论文第七篇：蛋白质化学修饰在荧光蛋白改造中的设想 摘要：荧光蛋白的原理和研究进展对现代生命科学具有划时代的意义。至今,荧光蛋白已在生命科学领域被广泛利用,极大地推进荧光蛋白标记技术在观察生命生物学过程中的应用。同时,随着各种荧光蛋白研究的深入与发展,荧光蛋白工程技术不断取得新的突破,其中,
蛋白质化学修饰在荧光蛋白改造中的设想 本文内容：
生物化学论文第七篇：蛋白质化学修饰在荧光蛋白改造中的设想
摘要：荧光蛋白的原理和研究进展对现代生命科学具有划时代的意义。至今, 荧光蛋白已在生命科学领域被广泛利用, 极大地推进荧光蛋白标记技术在观察生命生物学过程中的应用。同时, 随着各种荧光蛋白研究的深入与发展, 荧光蛋白工程技术不断取得新的突破, 其中, 基因工程改造和蛋白质化学修饰荧光蛋白成为研究热点。本文以蛋白质化学修饰为例, 探讨蛋白质化学修饰在荧光蛋白工程中原理、方法和设想, 旨在提升荧光蛋白的应用价值。
关键词：荧光蛋白;蛋白化学修饰;生物化学技术;应用;
2008年美籍华裔科学家钱永健和其他2位科学家因研究绿色荧光蛋白方面的突出贡献而获诺贝尔奖, 荧光蛋白引起大家的极大兴趣。近十年来, 不断有新的荧光蛋白技术应用在生物医学领域中, 其中以细胞示踪、活体细胞成像、病毒观察与治疗等应用于实践中[1]。在这些研究中, 其荧光发光原理吸引了我们的目光:绿色荧光蛋白的荧光在需要氧气才能存活, 氧气存在下, 分子内部结构中的第67位甘氨酸的酰胺会通过对第65位丝氨酸的羧基的亲核攻击, 这种行为导致第5位碳原子咪唑基的形成;芳香团与咪唑基相结合的原因是第66位酪氨酸中α-2β键进行了脱氢化学反应后导致的, 这样绿色荧光中的蛋白分子就会对羧基苯甲酸唑环酮生色团激发出荧光[2]。那么, 我们是否能够控制荧光的有无或强度呢?是否能将荧光蛋白连接到其他有机或无机的材料上实现新的生物医学应用呢?本文基于高中有机化学知识、化学基团反应原理, 对这些疑问进行探讨与思考。
1 荧光蛋白的种类和应用进展
1.1 荧光蛋白种类
1962年下村修在北冰洋寒冰水域的维多利亚多管水母体内发现了绿色荧光蛋白, 并纯化了绿色荧光蛋白。获取这类荧光蛋白资源比较广泛, 其中包括各种属的多管水母类、珊瑚类、文昌鱼类以及桡足类动物, 对该种荧光蛋白的研究最多, 也最为充分。蓝色荧光蛋白以及其及增强型的蓝色荧光蛋, 是一种光谱型。我们见到的最常用的遗传编码探针就是黄色荧光蛋白开发出来的, 黄色荧光蛋白现在是能够运用到亮度最亮程度的开发使用。在这些荧光蛋白中, 其中早期的变体黄色荧光蛋白, 应用最多的黄色荧光蛋白探针, 黄玉和能量转移黄色荧光蛋白的变体在美国英杰生命技术公司得到广泛应用。最早, Turbo RFP是在海葵中克隆得到其二聚体形式随其随机突变生成一种名叫快速成熟变体, 是一种理想的橙色荧光蛋白, 它的特点是光稳定性高、亮度强、p H高耐受性等。常规红色荧光蛋白也叫做永久荧光蛋白, 可以分为橙色荧光蛋白、红色荧光蛋白和远红外荧光蛋白3种, 另外由蛋白红色荧光蛋白突变3种红色荧光蛋白, 共6种。最新发现可光活化的光学加亮光转换荧光蛋白, 有一种绿色荧光的变体其生成绿色荧光可以提高100倍, 主要通过将野生型的绿色荧光蛋白的203位苏氨酸更换为组氨酸, 其中只有被激活才发出绿色荧光的这种变体, 从上面讲显示荧光蛋白工程的重要性。
1.2 荧光蛋白的应用进展
荧光蛋白有着广泛的应用, 可以在医学方面应用, 比如病毒观察与治疗、细胞示踪、活体细胞成像等运用。主要原因是荧光蛋白有颜色丰富并且能够控制, 而且稳定、无毒, 至此它可以在生物体内进行对其系统结构复杂化的可视化。此外, 荧光蛋白作为一种新型的标记广泛应用于肿瘤学的生长、侵袭、转移、血管生成、肿瘤与宿主之间的关系、抗肿瘤药物等等。荧光蛋白还可以结合荧光成像技术观察到原来无法观察的肿瘤生长现象[3]。深红色荧光蛋白质可能最终会用于临床治疗, 或用于对人体皮下相对浅层肿瘤的成像, 如黑色素瘤和乳腺癌。
1.3 荧光蛋白工程改造概述
因为荧光蛋白都是以比较相似的三维圆柱形结构呈现, 其结构特征主要是:多肽骨架的主要成分可以折叠成, 形成11条氢键链接的成为β折叠片, 其中α螺旋在正中心成为发色团, 其两端部分成为短的螺旋片段。由富含脯氨酸的以环链接在一起形成β折叠片, 氨基酸支链以凸向表面或者凹入蛋白质内部表现出来。荧光蛋白之所以能够改超, 主要原因在于蛋白结构表面的残基经常带有极性或电荷, 其中部分为疏水残基。荧光蛋白内部的刚性结构是由独特的化学环境造成的残基及其邻近残基。目前主要有基因工程法和化学修饰法进行改造, 比如钱永健等创新新方法, 通过基因工程进行荧光蛋白的改变, 并且运用免疫系统中的技术迭代对体内的细胞超突变进行优化。由于荧光蛋白内部的刚性结构是由独特的化学环境造成的残基及其邻近残基, 这些为化学修饰法提供改造基础。
2 蛋白质化学修饰的原理、方法和应用
第一, 首先, 荧光蛋白是蛋白质, 具有蛋白质一般性特征。因此运用蛋白质的特征中找到其运用的可能答案。蛋白质是组成生物体的最基本的成分之一, 其化学结构和空间结构决定其生物活性, 即使其化学结构不被改变, 但是其空间结构如果破坏, 这会导致丧失其生物学功能, 这个过程被称为蛋白质去折叠或变性。因此当其化学结构发生变化才能被称为蛋白质的化学修饰[4]。其主链结构的变化和侧链基团的变化是蛋白质的化学修饰两大主要方式, 链侧链基团的变化导致的修饰方式主要表现一下:羧基修饰、巯基修饰、氨基修饰以及其他的侧链修饰如巯基修饰、咪唑基、酚和脂肪族羟基和二硫键等的化学修饰;主链结构的变化导致的修饰方式主要表现一下:氨基酸定位突变、肽链氨基酸切除。这些化学修饰都有具体化学方法, 比如:巯基修饰标准方法是用水溶性的碳化二亚胺类特定修饰蛋白质分子的羧基基团, 其产生的物体一般是酯类或者酰胺类, 其在温和的环境下就可以进行, 因此这些化学修饰的结果将会导致蛋白质空间折叠而改变蛋白质活性。
第二, 以在一种酶的催化作用下完成也可以完成的蛋白质的修饰, 这种方式是生命机体内进行快速调节的另一种方式。化学修饰的方式包括一下几种方式:乙酰化与脱乙酰化、磷酸化与脱磷酸化、甲基化与脱甲基化等。最为重要和常见是磷酸化与脱磷酸化在代谢调节中, 其对生物体影响大。设计蛋白质的一种重要手段是化学修饰。蛋白质修饰后在医药临床应用中有着巨大的优良性, 例如物理和热稳定性增强、对酶降解敏感程度的降低、溶解度的增大、在体内循环半衰期、清除时间的增长、毒性的减小等。以上表达是蛋白质改变将作为生物技术和生物医药领域应用提供了新的运用途径[5]。
3 蛋白质化学修饰在荧光蛋白改造中的设想
由于上述化学修饰必定导致荧光蛋白活性和空间结构, 特别是针对荧光蛋白内部的刚性结构、表面的残基及其邻近残基, 从而改变荧光的特点。因此, 有了上述蛋白质修饰的策略和方法, 我们就能对不同种类的荧光蛋白进行体内或体外、细胞内或细胞外的蛋白质修饰而影响其荧光的强度或有无, 为我们需要所利用。有了这些学科理论, 我们是否可以设想造出一种检测雾霾的荧光蛋白呢?结合最新基因工程技术, 是否还能克隆一只检测空气质量的萤火虫呢?答案是肯定的。未来, 人们可以随心所欲地以赤橙黄绿蓝靛紫来标记并观察各个层次的生命现象[6]。
参考文献
[1]高权新, 王进波, 尹飞, 马向明, 施兆鸿.荧光蛋白的研究进展与应用.动物营养学报, 2013, 25 (2) :268-274.
[2]荧光蛋白:百度百科.https://baike.baidu.com/item/%E8%8D%A7%E5%85%89%E8%9B%8B%E7%99%BD/8773034?fr=aladdin.
[3]王**, 庄志祥.荧光蛋白在肿瘤研究中的应用进展.世界华人消化杂志, 2015 (8) :1272-1277.
[4]严锐, 黄金营.蛋白质化学修饰的研究进展.化学工业与工程, 2005, 22 (1) :53-55.
[5]化学修饰:百度百科https://baike.baidu.com/item/%E5%8C%96%E5%AD%A6%E4%BF%AE%E9%A5%B0/13032497?fr=aladdin.
[6]点亮希望之光—绿色荧光蛋白的发现和发展.http://songshuhui.net/archives/84351.
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