纳米磷脂盘的装配应用于膜蛋白复合物的结构功能研究(3)
1.1膜蛋白概述
1.1.1膜蛋白的功能与分类
细胞膜的功能大部分通过膜蛋白完成，根据其结合强度不同可以分为外在膜蛋白和内在膜蛋白。由于外在膜蛋白结合力弱而且通常是暂时性的结合，大部分的膜蛋白都是内在膜蛋白。从功能区分包括受体膜蛋白，转运膜蛋白，膜表面酶等。受体膜蛋白是激素或其他化学物质的专一性受体，是细胞与外界能量转换与信号传递的桥梁；转运膜蛋白可作为“载体”转运分子和离子进出细胞，参与和调节细胞的各种代谢过程；膜表面还有各种酶，使专一的化学反应，如氧化、转换、水解等能在膜上进行。细胞的识别功能也决定于膜表面蛋白质，这些蛋白质常常是表面抗原，它们是超过50%现代药物的靶标，与疾病如心脏疾病和肿瘤的发病有关。虽然它们只由大约30%基因组的基因编码，但却关系到超过一半疾病的治疗，由此可见膜蛋白结构功能信息对于疾病研究和药物开发尤为关键。
1.1.2膜蛋白结构与功能的研究现状
膜蛋白在体外需要文持脂双层膜或类脂膜环境才可以保持其活性，但由于在体外很难模拟这种环境，加上膜蛋白的重组表达难度大而且量一般都很低，其研究一直都是生物学的瓶颈。传统的结构生物学方法，如X射线晶体衍射和核磁共振光谱，往往受限于低水平的表达和溶解度。X射线分析在大多数情况下会受到其分辨率的限制从而阻碍对聚合部分的分析。更为重要的是，现有的研究手段大多侧重于解析膜蛋白的静态结构，而对于膜蛋白特别是膜嵌入蛋白酶的活性过程及与其动态构象之间的关系所知甚少。
1.1.3 虾青素合成途径概述
虾青素（Astaxanthin）是一种非常重要的天然胡萝卜素，也是目前文献报道中最强的抗氧化剂。由于虾青素的抗氧化活性，越来越多的科学家将其应用于临床治疗中，已发现其具有抗衰老，抗肿瘤，营养神经等多方面的功效。与此同时，很多水产养殖如虾蟹，鱼类的正常发育需要补充虾青素，不然将会导致发育异常，因此虾青素也是众多水产饲料的重要成分，其成本占饲料成本20%以上。然而，天然的虾青素来源非常有限，只有一些单细胞藻类和酵母可以自主合成虾青素。水产品如虾蟹和三文鱼体内富集的虾青素都是通过摄取微藻然后富集获得。
目前虾青素的工业生产主要是通过化学合成以及生物工程的手段。虾青素包含两个手性中心，因此有机合成获得的产物为消旋混合物，生物活性较差。虽然如此，化学合成的虾青素的市价依然高达5000-6000美元每公斤，市场年成交价值在2亿美元左右。天然虾青素主要是通过雨生红藻（Haematococcus pluvialis)的发酵工程获得，由于雨生红藻倍增时间长（约48小时），而且最终虾青素的诱导需要长时间的强光照射，导致成本非常高，国际市场的价格高达7000美元每公斤。其产物全部用于人类的药物或者营养制品中。
虾青素的生物工程法制备一直是科学家们研究的热点。由于其结构上属于胡萝卜素，通过在高等植物中引入额外的虾青素合成酶（β-胡萝卜素羟基化酶和β-胡萝卜素羰基化酶），可以成功的将高等植物中存在的β-胡萝卜素转化为虾青素。然而，由于这两步酶反应会产生7种中间体，反应不完全而且为后续的分离纯化带来难题。在本设计中，我们挑选自然界中大量存在的β-胡萝卜素前体茄红素作为起始原料，利用纳米磷脂盘将CrtW(β-胡萝卜素羰基化酶)和CrtZ(β-胡萝卜素羟基化酶)组装成为功能化的活性颗粒用于固定化膜蛋白酶的研究。