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远见卓识的科学家认为,二十一世纪是生命科学的世纪,二十一世纪的生物工程就是研究基因工程和蛋白质工程
众所周知,蛋白质是一切生物细胞中最重要的有机物之一,是细胞结构中最重要的物质。不同蛋白质的存在构成了生命的多样性。如最大量的一类蛋白质是酶,它是生物代谢的推动者;结构蛋白构筑了生物的机体,而机体的运动有是由肌动蛋白和肌球蛋白来移动的;运载蛋白把氧气、营养因子、药物、金属离子等多种物质运送到机体各部分,同时把代谢产物运出体外;营养蛋白就像仓库,贮存了大量营养以备人体不时之需。所有的生物,从简单的病毒到高级的人类,它们千变万化的蛋白质是由相同的多种氨基酸组成,这20余种氨基酸也就构成了千姿百态的蛋白质世界。生物学在对蛋白质的研究过程中,发现一类由氨基酸组成,但又不同于蛋白质的中间物质,称为功能肽。功能肽就是氨基酸彼此以肽键相互连接的化合物。含氨基酸分子少于10个的称为寡肽,10~50个的就称为多肽, 50个以上的功能肽就称为蛋白质。可见,蛋白质工程从某种意义上讲就是研究功能肽。
一、 功能肽与健康
世界卫生组织WHO在千禧之前呼吁21世纪人类最大的疾病是生活方式的疾病”。现代文明既给人类生活带来了极大的方便和享受,同时也给人类带来了很多不利影响。如大气污染、水土污染、长期低能辐射(包括家用电器、手机、医疗射线等等)。这些有害因素日积月累,就会对人体的各器官系统和组织细胞造成损害,出现“现代病”、“富贵病”、“亚健康”,有的细胞甚至发生突变而引发癌症;有的免疫系统失调、低下,引发艾滋病、SARS等疾病。而功能肽在改善和调整人们的生活方式,提高人体健康水平方面将发挥极大的作用。
也许将来有一天,早上我们服用了添加维生素的功能肽,为我们一天的工作提供旺盛的精力;中午伴着简单的工作餐,服用全面营养功能肽,均衡我们一天的营养;而对高脂肪、高蛋白、高热量的丰盛晚餐,我们服用降脂肽、胃肠满足肽,既解决了对美食的欲望,又不会使我们不知节制;入睡前喝着牛奶把睡眠肽送下,好梦连连。假日里当你和朋友们一起运动后,服下少许轻松肽可迅速消除疲劳;面对备考的学子,母亲会送他一盒甜甜的巧克力糖肽,为高分夺魁种下希望;在电脑前流连的网虫,口里嚼着能抵抗荧屏辐射的功能肽香口胶,轻松愉快地在因特网上畅游;爱美的女孩,功能肽营养霜和面膜可以帮您青春常驻;风采动人的少妇,抗衰老肽可以使你魅力永驻;秋高气爽的重阳节,乐龄人(国内称老龄人)口含功能肽人参片登高远行气不喘;商场激战的巨子、政坛高论的政客,需要激情和理智,神怡功能肽让你上九天揽月,下商海捞金;美美的一杯激情肽定让幸福的夫妻更美满。
功能肽在一些疾病的防治中也有很好的保健作用。减肥肽能使大腹便便的肥胖者变得苗条;降压肽、降脂肽、降糖肽能分别使高血压、高血脂、高血糖患者平稳的恢复到正常。抗肿瘤肽能使癌症患者治愈,或者大大的延长生存时间,减轻痛苦,提高生存质量。这一切并不是科学家的幻想,而是正在走进你我的功能肽世界。
功能肽科学和功能肽产业前景辉煌。
过去,科学家一直未对利用贮藏蛋白,如大豆、玉米、小麦等种子蛋白和动物营养蛋白如乳蛋白水解制备生物活性肽给与应有的重视,但是现在科学家逐渐注意到:在营养蛋白的功能肽链内部可能普遍存在着功能区,选择适当的蛋白酶水解这些功能肽,有可能将其释放出来,从而制备出各种各样的功能肽。从生物进化的角度来看,营养和贮藏蛋白应该是从功能蛋白进化而来,因为原始的生物是不可能合成大量此类蛋白的。当生物进化到需要为后代发育提供营养时,它不可能凭空制造出一种营养蛋白,最好的方法就是通过若干功能区(结构域。Domain)DNA “组装”出营养或贮藏蛋白基因。所以我们认为,在不同的营养和贮藏蛋白的功能肽链中可能广泛存在着不同的功能区,选择适当的蛋白酶就可以将其释放出来,并探讨其功能特性。而且生物的基本功能单位是基因,但进化的基本单位则不见得是基因,而很可能是功能区即结构域,所以很多蛋白质的生物学功能可能只有某一个功能区起决定性作用,如果这些推断成立,则我们有可能通过这种方法获得相当广泛的生物活性短肽。
从免疫学的角度来看,尽管不同的生物都具有功能上非常相似的蛋白质,但是由于其非功能区存在着较大氨基酸差异,所以不能互相通用,因为生物正是通过免疫系统识别自身蛋白和外来蛋白的这些非功能区的差异来清楚异己和保护自身稳定性的。如果我们把注意力放在这些具有不同生理功能的生物活性短肽上,则我们可能有效地避免免疫排斥反应的困扰。例如,乳转铁蛋白用于注射可能会产生免疫排斥反应,但如果用其水解所得到的短肽,就可能安全地用于注射。再如实验证明免疫活性肽好白细胞介素相似,可以激活T细胞和巨噬细胞,从而增强机体免疫力,虽然它来源于动物蛋白,但研究表明它可能安全地用于医药。
从生物多样性的角度来看,生物的各种功能大多来自蛋白质的多样性。这是由于20种氨基酸在排列成不同长度的功能肽链时具有天文数字的多样性。所以20个氨基酸残基组成的功能肽,其序列多样性足以胜任所有生物的所有功能。也就是说,理论上所有的功能肽都可以以短肽的形式找到。
由于蛋白和贮藏蛋白需求量很大,其表达率自然很高。因此,这些蛋白在自然界蕴藏量极大。通过蛋白酶水解这些蛋白所获得的功能肽具有很多优点:原料廉价、成本低、安全性好、不需要很高级的实验条件和很贵重的仪器设备、便于工业化生产。因此,功能肽的研究领域发展很快,已经受到各国科学家和政府的高度重视,短短的几年内,就有众多的功能肽被开发出来,有些功能肽已经作为保健品和药品实现了工业化生产。随着现代蛋白质工程生物酶技术的迅速发展,还会有大量的生物活性功能肽不断地被发现,生物技术的应用可生产出大量的生活活性功能肽应用于食品、化妆品,并开发出新的临床药物。生物活性功能肽的研究和开发作为国际上新兴的生物高科技领域是具有极大市场潜力的朝阳产业,美国和日本以功能肽为功能因子已开发出各种抵抗原产品、婴儿食品、流动食品、运动食品、促钙吸收食品,降压食品、醒酒食品等一系列产。
近年来,替代医学、天然药物、自然疗法已开始被西方社会认同。美国FDA1999年开始,允许大豆蛋白制品标注可以预防心血管疾病的功能,这就意味着健康与保健品将被人类社会重新认识。目前,昂贵的医疗费用不仅仅在发展中国家成为沉重的财政负担,就是在西方发达的经济社会里,医疗保险的大量支出也已消耗掉这些国家财政收入的近1/5。预防医学专家告诉我们,投资健康将有最少6倍的收获,把一切疾病控制在萌芽状态是健康行业的重任,而功能肽生物保健品的商业化开发将是这个行业中最精彩的篇章。功能肽药物和诊断试剂研究已引起我国的高度重视,我国制定的“十一五”期间生物医药研究的重点方向之一就是功能肽药物和诊断试剂。在未来几年里将会有大量的功能肽药物和试剂进入临床试验,部分将被批准生产销售。
21世纪是多肽的世纪!