第五章蛋白质工程原理及其在食品工业中的应用-精选文档

主要包括：分子遗传学、蛋白质结构功能相关的理论 与技术。 分子遗传学：完整cDNA的克隆技术、DNA序列的快 速测定技术、DNA序列推测蛋白质序列的多维程序系统、 原核生物及真核生物基因表达过程的调控、基因的定位诱 变及随机诱变理论与技术等。 蛋白质结构功能分析：蛋白质一级结构－氨基酸序列 的分析；X光单晶衍射结构分析技术；两维和三维核磁共 振结构分析技术；蛋白质结构数据库的建立；蛋白质功能 的酶学和免疫研究技术；蛋白质分子力场、能态、自由能 等生物物理学研究技术；计算机模拟处理结构分析系统等。
（三）蛋白质工程操作中的问题 1.有关分子遗传学和基因工程的问题 例如更有效的cDNA克隆技术，精确高效的定位突变技 术，高效目的基因表达系统等。 2.有关蛋白质结构功能研究的理论和技术 例如准确地由一级结构推测高级结构，肽链折叠的精确 控制，蛋白质的翻译后修饰，蛋白质结构可变性，分子动 力学与蛋白质功能的关系，蛋白质在晶体、溶液以及细胞 中的不同存在状态及其对蛋白质性质、功能的影响等。 3.一些相关辅助技术 例如微量蛋白质的纯化鉴定技术、更有效的蛋白质结晶 方法、计算机辅助系统的有效性等。
第六章蛋白质工程原理及其在 食品加工中的应用
第一节 蛋白质工程的原理和方法
一、蛋白质工程的概念
以蛋白质结构和功能的研究为基础，运用遗传工程的方 法，借助计算机信息处理技术的支持，从改变或合成基因 入手，定向地改造天然蛋白质或设计全新的人工蛋白质分 子，使之具有特定的结构、性质和功能，能更好地为人类 服务的一种生物技术。
3.突变蛋白质的合成表达系统 将突变方案通过分子遗传学方法实施即蛋白质的定点突 变技术，改造或构建方案通过合成突变寡聚核苷酸，引入 定位突变，或采用其他方法引入突变，并进入克隆系统分 离出突变DNA，以此作为模板，引入载体表达系统，扩增 表达获得大量的突变蛋白质。对获得的突变蛋白质进行结 构、性质和功能的分析、测试与判定，如符合分子设计的 要求，则获得目的蛋白质；如不能满足实际要求，则再由 分子设计系统重新指导设计，进入新一轮循环，最终获得 满足人们要求的目的蛋白质。
天然的正常构象是蛋白质的最佳状态，它既能高效地发 挥功能，又便于机体的正常调控，因而极易失活而中止作 用。但在生物体外，特别是工业化的粗放生产条件下，这 种可被灵敏调节的特性就表现为酶分子性质的极不稳定性， 导致难以持续发挥应有的功能，成为限制其推广应用的主 要原因。如温度、压力、机械力、重金属、有机溶剂、氧 化剂以及极端pH值等都会影响它的作用。 蛋白质工程技术针对这一现状，对天然蛋白质进行改造 改良或全新设计模拟，使目的蛋白质具有特殊的结构和性 质，能够抵御外界的不良环境，即使在极端恶劣条件下也 能继续发挥作用，因而蛋白质工程具有广阔的应用前景。
三、蛋白质工程的基本步骤
1.分离纯化目的蛋白，使之结晶并作X晶体衍射分析， 结合核磁共振技术等其他方法的分析结果，得到其空间结 果尽可能多的信息。 2.对目的蛋白质功能作详细的研究，确定它的功能域。 3.通过对蛋白质的一级结构、空间结构和功能之间相互 关系的分析，找出关键的基团和结构。 4.围绕这些关键的基团和结构提出对蛋白质进行改造的 方案，并用基因工程的方法实施。 5.对经过改造的蛋白质进行功能测定，看看改造的效果 如何。 6.重复4和5两个步骤，直到获得理想的结果。
2.蛋白质功能研究方法必须根据不同种类的蛋白质所具 有的不同功能，相应地采用不同的研究方法 如对具有催化活性的蛋白质－酶，则用酶学的稳态动 力学方法；对抗体则用免疫学方法；其他蛋白质如激素、 生长因子、受体类以及核酸结合类蛋白质都有相应的研究 方法。所有这些蛋白质功能的研究中，建立一套高效、简 便的蛋白质功能测定方法是成功的关键。对特定的蛋白质， 如果能够找到特异专一性的检测方法，可以极大地提高研 究的效率。在分子生物学和蛋白质工程研究中，对不同功 能蛋白质特异性检测方法的研究，也是重要的研究方向之 一。
二、蛋白质工程的原理
（一）蛋白质工程的目的 对目的蛋白质进行结构和功能上的设计与改造，以满 足人们特定条件下的需要。以蛋白质结构与功能的研究为 基础，掌握蛋白质活性中心的结构，包括催化中心和调节 中心的空间构象，了解构成中心的各氨基酸残基及其侧链 基团的位置，再借助计算机图像与处理系统的模拟进行分 子辅助设计，提出对目的蛋白质的改建或构建方案，确定 活性中心的氨基酸残基组成，并辅助设计和预测其结构功 能的变化。
2.蛋白质结构功能分析及分子设计系统 由上一系统获得足量的出发蛋白质后，通过目前已经具 备的蛋白质结构分析方法，分析蛋白质的一级结构和空间 结构。X光衍射分析晶体蛋白质的结构，而三维核磁共振 法研究溶液中的蛋白质结构，同时研究该蛋白质结构与功 能的关系，并将结果输入计算机图像处理系统和结构处理 系统，根据生物物理学原理以及已知蛋白质结构功能数据 库的基本规律，从结构与功能研究出发，进行分子结构分 析与模拟，进一步辅助设计和功能预测，提出分子的预期 性质、改造或构建方案，完成突变蛋白质的分子设计或构 建过程。
（二）蛋白质工程的组成部分 1.蛋白质放大扩增系统 由组织提取的少量纯化的蛋白质，通常只有0.1-1.0mg。 作为出发蛋白质分子，先解析部分肽段的一级结构，根据 遗传密码设计并合成相应的 序列分析系统测定 DNA 序列并克隆化，最后通过表 达载体系统扩增蛋白质的量，达到能够分析出发蛋白质的 结构功能的水平，通常互促进，借助其他 多类学科的支持，完成对蛋白质分子结构与功能分析、 归类，进一步展开突变蛋白质的分子模拟与预测，实现 蛋白质的改造，以及全新蛋白质的分子结构与功能的设 计，在计算机模拟的基础上，进行蛋白质分子的化学修 饰、合成的实际操作，验证分子设计的结果，获得具有 特定结构、性质和功能的目的蛋白质。
四、蛋白质工程的主要研究方法
1.蛋白质的分离纯化鉴定方法、结构分析方法、功能研 究方法和进行结构改造的分子生物学研究方法 在这四类根据蛋白质工程的操作步骤而划分的主要研究 方法中，蛋白质分离纯化鉴定方法与生物化学中的常规方 法没有本质的区别，是对许多结构、性质相似的一系列突 变蛋白质的分离、纯化和鉴定，但其难度要大得多，通常 需要运用多种高精度的方法才能实现，如亲和层析、等电 聚焦、免疫沉淀等。