That’s why understanding 蛋白质在哪里合成 对生物医学科学的发展至关重要
在本文中，我们将探讨蛋白质合成的细胞机制及其功能。我们还将研究生物反应器和发酵罐如何在生物技术过程中的蛋白质生产中发挥重要作用。让我们开始吧……
蛋白质合成基础
蛋白质合成是一个复杂的生物过程，细胞在此过程中制造蛋白质，即细胞内几乎所有功能（从酶活性和结构到信号传导和免疫反应）的大分子。蛋白质合成基于 DNA 中的遗传信息。该过程有两个主要阶段：
- Stage 1 – Transcription: DNA 首先通过转录转化为信使 RNA (mRNA)。在真核生物中，转录发生在细胞核中；在原核生物中，转录发生在细胞质中。RNA 聚合酶识别 DNA 启动子，将 DNA 拉出并生成 mRNA。mRNA 被编辑并送往细胞质进行翻译。
- Stage 2 – Translation: 翻译发生在蛋白质组装的细胞质中。核糖体逐个密码子读取 mRNA 中的氨基酸。转移 RNA (tRNA) 运输正确的氨基酸，这些氨基酸结合在一起形成多肽链并卷成功能性蛋白质。
蛋白质在细胞中哪里合成？
蛋白质合成发生在细胞内的几个关键位置。这些包括 核糖体、粗面内质网（ER）和细胞质。 所有这些细胞结构在合成和表达蛋白质方面均具有独特的功能，从而提供了有关细胞如何生成和控制此类分子的信息。
1). 核糖体
核糖体负责原核细胞和真核细胞中的蛋白质合成。它们有两个主要部分，大亚基和小亚基。当核糖体不活跃发挥作用时，这些亚基作为单独的结构存在，但在翻译过程中结合在一起，这是蛋白质合成的过程，氨基酸结合在一起形成多肽。
- 原核生物的核糖体：在原核细胞（细菌）中，核糖体自由漂浮在细胞质中，因此它们可以快速响应细胞的蛋白质需求。
- 真核核糖体： 真核核糖体可能在细胞质中自由漂浮或附着在粗面内质网上。如果附着在内质网上，它们会参与膜结合蛋白或分泌蛋白的产生。
2). 粗面内质网（ER）
粗面内质网的细胞质表面包裹着核糖体，因此它是蛋白质产生的地方，用于分泌或并入细胞膜。然后，在粗面内质网中产生的蛋白质被运送到高尔基体，在那里被净化和加工。
- 膜蛋白： 它们在粗面内质网中产生，负责维持细胞的团结以及与外界的交流。
- 分泌蛋白： 称为分泌蛋白（激素、酶）的蛋白质在粗面内质网中产生并从细胞中释放出来。
粗面内质网是蛋白质生产中心，蛋白质在这里合成并首先折叠成形状以供生物体使用。
3). 细胞质
细胞质中的游离核糖体制造在细胞内起作用的蛋白质，如进行代谢反应的酶。这些蛋白质位于细胞内部，不会从细胞中释放出来。
细胞质中的蛋白质功能：
- 酶
- 结构蛋白
- 伴侣蛋白
因此，细胞质对于直接维持细胞内部过程的蛋白质的产生至关重要。
生物技术中蛋白质是如何合成的？
在生物技术中，大量生产蛋白质对于制药、农业和食品生产等众多行业都至关重要。而大量生产蛋白质最常见的方法之一是通过重组 DNA 技术。这是通过将外来 DNA 引入细胞来生产宿主细胞无法制造的蛋白质。
重组蛋白生产？它是什么？
重组蛋白的生产是一个多步骤的过程，包括：
- 基因克隆： 首先，你需要找到编码你想要生产的蛋白质的基因。然后，这个基因被插入质粒中，质粒是一小段环状 DNA，可以独立于宿主细胞的染色体进行复制。这个质粒是将基因带入宿主细胞的载体。
- 转型：一旦基因被克隆到质粒中，质粒就会被引入宿主细胞。宿主细胞可以是细菌（如大肠杆菌）、酵母或哺乳动物细胞。一旦进入宿主细胞，基因就会表达，细胞就会开始产生插入基因指定的蛋白质。
- 表达系统： 宿主细胞（细菌、酵母或哺乳动物）取决于蛋白质。对于简单的蛋白质，使用细菌系统；对于需要翻译后修饰（如糖基化（将糖分子添加到蛋白质中）的蛋白质，使用酵母或哺乳动物细胞。
发酵和蛋白质合成
发酵是细胞将营养物质转化为能量的生物过程，是生物技术的关键部分，尤其是在大规模蛋白质生产中。它为细胞生长和合成蛋白质提供了受控环境，这就是为什么它在制药、食品和工业酶中很重要。
1). 微生物发酵
微生物发酵利用细菌、真菌或酵母来生产蛋白质，通常采用基因工程。
- 细菌发酵： 大肠杆菌因其快速生长和高蛋白表达而广受欢迎。它是生产引入外来基因的重组蛋白的理想选择。大肠杆菌系统经济高效且可扩展。
- 酵母发酵： 酵母，尤其是酿酒酵母，因其能够进行翻译后修饰（如糖基化）而被选中。这些修饰对于治疗性蛋白质的稳定性和功能性至关重要。酵母系统用于制药、生物燃料和食品工业。
2). 动物细胞发酵
有些蛋白质很复杂，尤其是治疗性蛋白质，需要动物细胞发酵。哺乳动物细胞（如中国仓鼠卵巢 (CHO) 细胞）是生产单克隆抗体和治疗性酶等高质量蛋白质的理想选择。CHO 细胞进行复杂的修饰，产生的蛋白质非常接近人类蛋白质，这对医学治疗很重要。在微生物和动物细胞发酵中，生物反应器对于优化条件以最大限度地提高蛋白质产量和最大限度地减少副产物、确保效率和可扩展性都很重要。
生物反应器在蛋白质合成中的作用
生物反应器是优化蛋白质合成的关键。它们提供合适的环境，人们可以在其中操控 pH、温度、氧气和营养物浓度。这些是针对目标蛋白质进行优化并控制副产物的变量。因此，通过为微生物或哺乳动物细胞提供适当的条件，生物反应器可以大量提高蛋白质产量和高质量蛋白质。
生物反应器技术的一个重要组成部分是指示和控制影响蛋白质形成的不同因素。当今运行的生物反应器具有复杂的控制系统，通过该系统可以使发酵或细胞培养参数非常精确。以下是生物反应器中使用的一些控制系统：
- pH 控制：发酵或培养基的 pH 值对酶和微生物细胞有很大影响。稳定的 pH 值可确保蛋白质合成中涉及的生化反应有效进行。自动 pH 控制会添加酸或碱，以保持生长和蛋白质生产的最佳 pH 值。
- 温度控制： 温度对蛋白质表达至关重要。每种生物或细胞类型都有其代谢活动的最佳温度范围。带有温度传感器和加热或冷却系统的生物反应器将温度保持在此范围内，以防止蛋白质变性并最大程度地提高产量。
- 溶解氧监测： 氧气对于需氧生物至关重要，尤其是在细胞生长和蛋白质合成依赖于有氧代谢的过程中。生物反应器具有溶解氧探头，可以连续测量氧气浓度，以满足微生物或哺乳动物细胞生长的要求。自动控制系统控制曝气速率，以调节干扰细胞功能的氧气供应和需求。
蛋白质合成使用哪些生物反应器？
根据蛋白质、规模和要求，蛋白质合成中使用不同的生物反应器。以下是最常见的类型及其特点、优势和挑战：
1. 批量生物反应器
批量生物反应器是蛋白质合成的简单解决方案，尤其适用于不需要持续营养供应的工艺。它们用于小规模或中试生产。
特征：
- 在封闭系统中操作，开始时添加固定量的营养物。
- 在整个过程中监控和控制 pH 值、氧气和温度。
- 在生产周期结束时收获整个培养物。
批量生物反应器成本低廉且易于使用，适合小规模或研究用途。但对于大规模生产来说效率不高，因为随着时间的推移，营养物质的消耗和副产物的积累会限制细胞生长和蛋白质产量。
2.连续生物反应器
另一种生物反应器是用于大规模蛋白质生产的连续生物反应器。这种生物反应器最适合需要长期保持稳定生产的场合。
主要特点：
- 新鲜的营养物质被不断输入反应器，同时收获培养物。
- 采用先进的监测设备来控制营养物和废物水平。
- 集成先进的监控系统来维持营养和废物的平衡。
连续系统已被证明具有高生产率，生产的蛋白质质量均匀，这些特点使其适合大规模生产。但它们需要复杂的控制，并且容易受到操作条件变化的影响，从而影响产量和产品质量。
3. 补料分批生物反应器
补料分批生物反应器融合了批量系统和连续系统的优点，使其能够灵活地生产单克隆抗体和酶等高价值蛋白质。
主要特点：
- 补料分批生物反应器是批量和连续过程的混合，可用于生产有价值的蛋白质，例如单克隆抗体和酶。
- 防止营养物质耗尽和副产品积累而抑制细胞生长。
- 能够精确控制喂养策略以优化蛋白质生产。
由于其灵活性和高产量，它们既可用于实验室，也可用于工业。然而，它们需要严格控制测量、喂料频率和份量大小，这可能会导致操作复杂性增加。
4. 气升式生物反应器
当需要低剪切应力率时，气升式生物反应器可用于从微生物或哺乳动物细胞中生产蛋白质。它们使用气流进行混合，而不是机械搅拌。
主要特点：
- 使用空气或气体注入来产生内部循环和氧气传递。
- 对敏感细胞系或蛋白质进行轻柔混合。
- 机械部件最少，节能。
气升式生物反应器非常适合需要高效供氧和低细胞应激的应用，例如用于生物制药的哺乳动物细胞培养。但混合气体的流动限制了其在某些类型的细胞或蛋白质中的应用，并且扩大规模需要仔细的设计考虑。
5. 搅拌槽生物反应器
搅拌槽生物反应器是蛋白质生产最常用的系统，它们提供了极大的灵活性和对生产条件的控制。
主要特点：
- 具有机械驱动的叶轮，可均匀混合营养物质、气体和细胞。
- 允许精确控制温度、pH 值和溶解氧等环境参数。
- 兼容从实验室到工业生产的所有规模。
这些生物反应器用途广泛，适用于微生物和哺乳动物细胞培养。它们保持最佳条件，以实现高蛋白质产量和质量。但机械部件可能会引入剪切应力，从而影响敏感的细胞系或蛋白质。
结论
蛋白质合成是细胞中的关键过程。通过更好地了解其运作方式，并通过更好的生物反应器提高其生产效率，食品、制药和其他行业可以有效满足全球对蛋白质的需求。百伦生物技术有限公司正引领潮流，开发新型高效生物反应器，完全解决旧型号的当前缺陷。
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