第十章 蛋白质工程
蛋白质工程
20种氨基酸的密码子表
—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—”的脱氧核苷酸序列
比较基因工程和蛋白质工程
中心法则逆推
中心法则
流程
蛋白质工程是在基因工程基础上的延伸,是第二代基因工程
联系
基因修饰或基因合成
基因重组
实质
自然不存在的蛋白
天然存在的蛋白
结果
操作环境——生物体外；操作对象——基因；操作水平——分子
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
1、目标：根据人们对 功能的特定需求,对蛋白质的 进行分子设计。 2、原理：改造基因 基因 或基因 。 3、途径： 预期蛋白质功能→设计 →推测应有的 序列→找到对应的 序列 基因 。
蛋白质工程的途径：
基础:
蛋白质工程的实质：
途径:
目标:
蛋白质分子的结构规律和生物功能
基因修饰或基因合成
改造或制造新的蛋白质,满足人类的生产或生活的需要
是对编码蛋白质的基因进行改造
蛋白质工程的概念
讨论：对照密码表,至少写出三种决定“—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—”的脱氧核苷酸序列。 P27
Suitable for teaching courseware and reports
蛋白质工程
温故而知新
2、描述基因工程的操作步骤。
3、讨论基因工程产生的蛋白质的特点。
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
1、蛋白质的基本单位蛋白质多样性的根本原因
一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程的应用 1 基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一种生物体内,使后者产生本不能产生的 ,进而表现出的 。 2 基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的 。 2、天然蛋白质的不足 天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的,它们的 符合特定物种 的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 3、蛋白质工程的目的生产符合人类生产和生活需要的 。
蛋白质工程的概念原理步骤
蛋白质工程的概念原理步骤蛋白质工程是一种利用基因工程和蛋白质化学技术对蛋白质进行设计、改造和优化的方法。
蛋白质工程的目的是创造新的功能蛋白质或改进已有蛋白质的性能。
下面将介绍蛋白质工程的概念、原理和步骤。
一、蛋白质工程的概念蛋白质工程是一种科学技术，通过改变蛋白质的结构、功能和性能，创造出具有特定功能的新型蛋白质。
蛋白质工程的技术手段主要包括重组蛋白技术、合成蛋白技术和改造蛋白技术等。
蛋白质工程的基本原理是基于对蛋白质结构与功能的深入研究，通过改变蛋白质的氨基酸序列，对蛋白质进行设计、改造和优化，从而实现蛋白质性能的改进和新功能的创造。
二、蛋白质工程的原理蛋白质工程基于对蛋白质的分子结构和生物学功能的深入了解，通过蛋白质的DNA重组、氨基酸序列改变、蛋白质结构预测和模拟等技术手段，对蛋白质进行设计和改造，并通过生物表达、纯化和鉴定等实验手段验证蛋白质性能的改进和新功能的创造。
蛋白质工程的原理主要包括以下几个方面：1. 分子结构与功能的了解：对蛋白质的结构和功能进行深入的研究，包括蛋白质的三维结构、结构域、结构基元、功能位点等。
2. DNA重组技术：通过DNA重组技术，将感兴趣的蛋白质基因与载体进行重组，构建蛋白质表达系统。
这样可以实现对蛋白质氨基酸序列的设计和改变。
3. 氨基酸序列的改变：通过改变蛋白质的氨基酸序列，可以增加、删除或替换氨基酸，从而改变蛋白质的结构和功能。
可以通过点突变、基因片段的插入或删除、全基因组的设计等方式来进行改变。
4. 蛋白质结构预测和建模：通过软件工具和算法，对蛋白质的结构进行预测和模拟。
这能够帮助我们对蛋白质进行结构优化和预测性能变化。
5. 生物表达与鉴定：通过重组蛋白的表达、纯化和鉴定，验证蛋白质工程的效果。
通过比较重组蛋白与野生型蛋白的性能差异，评估蛋白质工程的成功与否。
三、蛋白质工程的步骤蛋白质工程的步骤主要包括以下几个方面：1. 确定研究目标：明确研究的目的和所要改进或创新的蛋白质性能。
蛋白质工程
蛋白质工程一、名词解释：1.蛋白质工程:是研究蛋白质结构和定点改造蛋白质结构的一门学科。
它运用基因工程手段，通过有控制的基因修饰和基因合成，对现有蛋白质进行定向改造，以期获得性能更加优良、更符合人类社会需要的蛋白质分子。
2. 抗体:指机体的免疫系统在抗原刺激下产生的可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白。
3. 人-鼠嵌合抗体：用鼠可变区和人恒定区融合形成的抗体。
4.人源化抗体：将鼠杂交瘤抗体的超变区嫁接到人抗体上形成的抗体。
5. 一级结构：是多肽链中氨基酸残基从N-末端到C-末端的排列顺序及二硫键的位置。
6.二级结构：是指多肽链主链借助氢键排列成特有的规则的反复构象。
7.超二级结构（结构模体）：一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中，彼此靠近、按特定的几何排布形成排列规则的、在空间结构上可以辨认的、可以同一结构模式出现在不同蛋白质中的二级结构组合体，称为结构模体。
8.发夹式β模体（或ββ组合单位）：两段相邻的反平行β链被一环链连接在一起构成的组合单位，其形貌与发夹相似，称为发夹式β模体。
9.希腊钥匙模体：四段紧邻的反平行β链以特定的方式来回往复组合，其形貌类似于古希腊钥匙上特有的回形装饰纹，故称为希腊钥匙型模体。
11.结构域：二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体，称为结构域。
12.三级结构：在二级结构、结构模体的基础上，进一步盘曲、折叠形成的，涉及主链、侧链在内的所有原子和基团的空间排布。
13.四级结构：是指在多条肽链组成的一个蛋白质分子中，各亚单位在寡聚蛋白质中的空间排布及亚单位间的互相作用。
14.优势构象：任何氨基酸侧链中的组成基团都可以绕着其间的C-C单键旋转，从而产生各种不同的构象。
AA分子的各种构象异构体并不是平均分布的, 总是以其最稳定的构象为重要的存在形式即为优势构象。
15.交错构象：是能量上最有利的排布，在这种构象中，一个碳原子的取代基正好处在另一个碳原子的两个取代基之间。
蛋白质工程的概念高中
蛋白质工程的概念高中生物学知识点之一就是蛋白质工程。
蛋白质工程是一种利用基因重组技术对蛋白质进行改造的方法，能够增强或改变其性质，从而满足不同的应用需求。
下面将从定义、发展历程、应用领域、技术流程和未来发展等方面进行详细介绍。
一、定义蛋白质工程是指利用基因重组技术对蛋白质进行改造的过程，旨在增强或改变其性质，以满足不同的应用需求。
该技术可以通过改变蛋白质的氨基酸序列来实现目标。
二、发展历程20世纪70年代，科学家们开始研究如何利用基因重组技术来制造人工合成的蛋白质。
1982年，第一个人工合成的人类胰岛素被批准上市销售。
此后，随着生物技术的快速发展和进步，蛋白质工程技术也得到了广泛应用和推广。
三、应用领域1. 医药领域：通过蛋白质工程技术可以制造出具有特定功能的蛋白质，如人类胰岛素、生长激素、白介素等，用于治疗疾病。
2. 工业领域：利用蛋白质工程技术可以制造出各种酶，如纤维素酶、淀粉酶等，用于工业生产中的废水处理、食品加工等领域。
3. 农业领域：通过蛋白质工程技术可以制造出抗虫、抗病、耐旱等特性的作物品种，提高农业生产效率和产量。
四、技术流程1. 基因克隆：从目标蛋白质所在的组织或细胞中提取RNA或DNA，并进行PCR扩增和克隆到载体中。
2. 转化表达：将克隆好的基因载体转化到宿主细胞中，并利用表达系统使其高效表达所需的目标蛋白质。
3. 纯化分析：通过离心、层析等技术对目标蛋白质进行纯化和分析。
4. 鉴定验证：对目标蛋白质进行活性测试和结构分析，验证其功能和性质。
五、未来发展随着生物技术的不断发展和进步，蛋白质工程技术也将不断完善和改进。
未来，蛋白质工程技术将更加注重对目标蛋白质的结构和功能进行精准设计，以满足更加复杂多样的应用需求。
同时，随着人工智能、大数据等技术的应用，蛋白质工程技术也将更加高效和智能化。
蛋白质工程教案
因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。
一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。
任务三：蛋白质工程的原理与应用
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织／器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。
（10分钟）
【任务分解，化整为零】
任务一：探索蛋白质的功能与应用
教 学 分 析
课题
蛋白质工程
时间
4课时
课型
理论课、新授课
教学资料
多媒体课件、投影仪
授课方式
展示任务；分析任务；
任务分解与完成；评价反馈。
教学方法
任务驱动教学法
以学生为主体的知识建构教学法
教 学 目 标
知识目标：
1、掌握蛋白质和蛋白质工程的概念、功能和应用，了解蛋白质工程的原理。
2、尝试运用逆向思维分析和解决问题。
在天然状态下，酪氨酸-tRNA合成酶分子内第51位苏氨酸残基的羟基能与底物酪氨酰腺嘌呤核苷酸戊糖环上的氧原子形成氢键，这个氢键的存在影响酶分子与另一底物ATP的亲和力。因此，利用定向诱变技术将酶分子第51位苏氨酸残基改变为脯氨酸残基，酶(Pro-51)与ATP的亲和力被增加了近100倍，而且最大反应速度亦大幅度提高。
（2）药物设计：如抗病毒药β-干扰素稳定性的改进。
补充：生物合成人胰岛素
高三知识点生物蛋白质工程
高三知识点生物蛋白质工程生物蛋白质工程是现代生物技术领域的一个重要分支，它的出现对于改善人类生活质量、促进医药发展具有重要的意义。
本文将探讨高三生物知识中的蛋白质工程，深入了解其原理、应用和未来发展。
一、蛋白质工程的概念和原理蛋白质工程是通过改变蛋白质的结构和功能，利用现代生物技术手段，创造具备特定功能和特性的新型蛋白质，或者改进现有蛋白质的性质和表达方式。
其原理主要通过研究蛋白质的结构和功能关联，以及蛋白质的基因序列来实现。
二、蛋白质工程的应用1. 药物研发：蛋白质工程在药物研发中发挥了重要的作用。
通过改造蛋白质的结构和功能，可以提高药物的有效性和生物利用度，降低副作用和毒性，进一步提高药物的安全性和疗效。
2. 农业领域：蛋白质工程可以用于农业生产中，通过改变植物的基因表达，使其在抗病虫害、抗逆境等方面具有更好的性能，从而提高作物的产量和质量。
3. 工业应用：蛋白质工程在工业领域中也得到了广泛应用。
例如，通过改造微生物菌株的基因，制造出能够高效产生酶的工业微生物，用于生产生物降解剂、生物染料等工业原料。
4. 环境保护：蛋白质工程可以应用于环境保护领域。
例如，通过改良植物和微生物的基因，使其具有更强的污染物降解能力，从而实现土壤和水体的修复和净化。
三、蛋白质工程的挑战与前景尽管蛋白质工程在各个领域中具有广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战。
首先是基因编辑技术的不完善，目前的技术存在着剪切效率低、难以定点编辑等问题；其次是目前对于蛋白质结构与功能的理解还不够深入，限制了蛋白质设计和修饰的效果；此外，生物安全问题也是蛋白质工程发展中需要重视的问题。
然而，蛋白质工程仍然被广泛认为是生物技术的热点领域，它的发展前景十分广阔。
随着技术不断进步，蛋白质工程有望为医学、农业、环境保护等领域的问题提供更好的解决方案。
例如，疫苗的研发、治疗性蛋白质的生产和应用，都将得到更大的突破和进展。
结语蛋白质工程是一门融合了生物学、化学、医学等多学科知识的科学技术。
蛋白质工程概述
目录
• 蛋白质工程简介 • 蛋白质工程的基本技术 • 蛋白质工程的应用 • 蛋白质工程的挑战与前景 • 蛋白质工程研究进展
01
蛋白质工程简介
定义与特点
定义
蛋白质工程是通过人工设计和改 造蛋白质分子，以达到改善或优 化其功能、稳定性和亲和力等目 的的生物工程技术。
特点
蛋白质工程具有高度定向性，能 够针对特定目标进行设计和优化 ，从而实现蛋白质结构和功能的 定向改造。
动物育种
蛋白质工程可以用于动物育种，通过基因编辑技术改变动物的性状，如生长速度、肉质 和产奶量等。
生物农药与肥料
蛋白质工程可以用于开发和优化生物农药和肥料，减少化学农药和化肥的使用，提高农 业生产的安全性和可持续性。
环保领域的应用
废水处理
蛋白质工程可以用于设计和优化微生物酶，提高废水处理的效率和稳定性。例 如，通过蛋白质工程改造微生物的降解酶，可以提高废水处理的效果和降低处 理成本。
03
疫苗开发
蛋白质工程可以用于设计和优化疫苗，通过改变抗原的免疫原性，提高
疫苗的保护效果。
工业领域的应用
生物催化
蛋白质工程可以用于设计和优化酶，提高其在工业生产中的催化效率和稳定性。例如，在 制药、化学品和燃料的生产中，蛋白质工程改造的酶可以提高生产效率和降低成本。
生物材料
蛋白质工程可以用于设计和开发新型生物材料，如蛋白质基质、纳米纤维和复合材料等。 这些材料在医疗、环保和能源等领域有广泛应用。
生物制药的改进
通过蛋白质工程，可以设计和优化药 物中的关键蛋白质，提高药物的疗效 和降低副作用。
生物能源的开发
利用蛋白质工程可以设计和优化微生 物，用于生产生物燃料和生物可降解 塑料等。
蛋白质工程
蛋白质工程蛋白质工程通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。
然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业化开发往往不合意，需要加以改造。
1983年Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。
自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。
蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。
特别值得指出的是，计算机科学技术和图象显示的迅猛发展，已使蛋白质结构分析、三维结构预测和模型构建，分子设计和能量计算等理论与技术以及相关软件，正在发展成为一个独立的研究领域，而成为生物信息学的一个分支。
它在蛋白质工程定向改造的分子设计中是必不可少的条件和重要手段。
蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物学作用。
分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。
采用定位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组，其结果为分子改造提供新的设计方案。
现有的蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。
蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。
如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标。
目录• 蛋白质结构分析• 结构、功能的设计和预测• 创造和改造• 实际应用蛋白质结构分析蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结构与功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。
《蛋白质工程》课件
生物医学
蛋白质工程可用于研究 和治疗疾病，例如设计 和优化抗体、酶和细胞
因子等。
农业与食品工业
蛋白质工程可用于改良 农作物和食品品质，提
高产量和营养价值。
环保与能源领域
蛋白质工程可用于设计 和优化微生物，以实现 废物处理、生物燃料生
产等目标。
CHAPTER 02
蛋白质的结构与功能
蛋白质的一级结构
重要性
功能域和活性位点是理解蛋白质功能的关键，对蛋白质工程和药物 设计具有重要意义。
影响因素
功能域和活性位点的形成受一级结构、二级结构和高级结构的影响 ，同时与蛋白质与其他分子的相互作用有关。
CHAPTER 03
蛋白质工程的遗传操作
基因突变技术
随机突变
01
通过化学诱变、物理诱变等方法在基因序列中引入随机突变，
定义
蛋白质的二级结构是指局部主链的折叠方式，常见的二级结构包括 α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲等。
重要性
二级结构是构成蛋白质三级结构的重要基础，对蛋白质的功能具有 重要影响。
影响因素
二级结构的形成受一级结构的影响，同时与蛋白质所处的环境条件有 关。
蛋白质的高级结构
定义
蛋白质的高级结构是指整条肽链 中不同二级结构的组合方式，包 括蛋白质的构象、亚基聚合方式 以及与其他分子间的相互作用等
通路分析
通过分析蛋白质在生物体内的相互作用网络，揭示其在信号转导、代谢等通路中的作用，为药物研发 和疾病治疗提供靶点。
CHAPTER 05
蛋白质工程的实验技术
蛋白质的分离与纯化
蛋白质的分离与纯化是蛋白质工程实 验技术的关键步骤之一，其目的是将 目标蛋白质从复杂的生物样本中分离 出来，并提高其纯度。
蛋白质工程概念
蛋白质工程概念
蛋白质工程是一种利用现有蛋白质结构及功能的基础上，通过改变其氨基酸序列、引入新的功能基团或者构建新的蛋白质结构，以设计和生产具有特定功能的蛋白质的科学技术。
它涉及到对蛋白质的理解、改造和优化，旨在开发出具有高效率、高特异性和高稳定性的蛋白质产物。
蛋白质工程的主要目的是通过对蛋白质结构和功能的改变，使其具备新的性质和功能。
这些新的性质和功能可以包括增强酶活性、改善抗原性或药物亲和性、提高蛋白质的稳定性和可溶性等。
蛋白质工程在生物医药领域具有广泛的应用，比如用于开发新型药物、治疗癌症、设计新的酶催化反应等。
蛋白质工程的方法主要包括定向进化、理性设计和随机设计等。
其中定向进化是一种通过模拟自然界的进化过程，通过引入随机变异和筛选优胜劣汰的方法，逐步筛选出具有目标性能的蛋白质。
理性设计是一种通过对蛋白质结构和功能的深入理解，有针对性地进行氨基酸序列的改变，以实现特定的蛋白质性质改造。
随机设计是一种通过随机引入氨基酸变异的方法，以获得新的蛋白质序列，从而创造出新的蛋白质结构和功能。
蛋白质工程的发展对于提高生物技术和生物医学领域的研究和应用具有重要意义。
它不仅为开发新药物和生物材料提供了新的途径，还为研究蛋白质的结构和功能以及理解生物过程提供了有力的工具。
蛋白质工程的概念高中生物
蛋白质工程的概念高中生物
蛋白质工程是指利用生物技术手段对蛋白质进行改造或设计，以满足特定需求的过程。
在高中生物课程中，通常会涉及到基本的概念和应用。
具体来说，蛋白质工程可以包括以下内容：
1.蛋白质的结构与功能：学习蛋白质的基本结构，了解蛋
白质在细胞中的重要作用，如酶的催化作用、结构蛋白的支持作用等。
2.基因工程：了解基因工程技术，包括DNA重组技术和
基因克隆等，这些技术可以被用来改造蛋白质的编码基因，从而改变蛋白质的性质。
3.重组蛋白的生产：学习如何利用重组DNA技术来大规
模生产重组蛋白，例如利用大肠杆菌或其他微生物表达系统来生产人类重组胰岛素等药物。
4.蛋白质结构预测与设计：了解一些基本的蛋白质结构预
测方法，以及蛋白质设计的基本原理，例如通过蛋白质工程设计出新的酶类催化剂或药物分子。
总的来说，蛋白质工程是一门涉及生物技术和生物化学的学科，涉及到对蛋白质的理解、改造和应用。
在高中生物课程中，可以简要介绍这些基本概念，并引导学生对蛋白质工程的潜在应用进行思考。
蛋白质工程的过程
蛋白质工程的过程
蛋白质工程是指通过对蛋白质分子进行基因工程的改造，使其具有特殊的性质或功能，以实现定向设计、产业应用等目的。
蛋白质工程涉及多个步骤，包括：
1. 选择合适的蛋白质：根据需求选择适合的蛋白质原料。
2. 基因克隆：将目标蛋白质基因从生物体中的DNA中分离并克隆到载体上。
3. 基因突变：对目标蛋白质基因进行合理的改造，通过插入、缺失、替换等手段调整蛋白质的结构和性质。
4. 表达与纯化：将改造后的基因转移到细胞中，使其进行表达，并通过分离纯化的步骤提取纯净的蛋白质。
5. 测定性质：对蛋白质进行理化性质的测定，包括分子量、三维构象、生物活性等。
6. 应用研究：将改造后的蛋白质应用于医药、工业、食品等领域的研究和应用中。
以上是蛋白质工程的基本流程，其中每个步骤的细节和条件都需要进行精细调试和优化，以保证蛋白质质量和功能的稳定性和可靠性。
高三生物蛋白质工程知识点
高三生物蛋白质工程知识点蛋白质工程是一门结合生物学、化学和工程学的学科，通过改变蛋白质的结构和功能，使其具备更广泛的应用领域。
从生物内界的角度来看，蛋白质工程是为了提高人类对蛋白质本身的认识，进一步了解其在激素、抗体、酶等生物功能中的作用。
而从应用的角度来看，蛋白质工程则是为了通过对蛋白质的改造，设计出更加适应特定应用领域的蛋白质，使其在医药、食品、环境等领域有更广泛的应用。
首先，蛋白质工程的基础知识点在于对蛋白质的结构和功能的理解。
蛋白质是由氨基酸组成的长链状分子，在生物体内起着构建和调节生物体结构和功能的作用。
了解蛋白质的结构和功能，可以为进行蛋白质工程提供基础。
其次，了解蛋白质的结构与功能之间的关系也是非常重要的。
蛋白质的结构决定了其功能，不同的结构可能会导致不同的功能。
蛋白质工程可以通过改变蛋白质的基本结构，如氨基酸序列和二级结构，来改变其功能。
例如，改变蛋白质的氨基酸序列，可以使其具有不同的抗原性；改变蛋白质的二级结构，可以改变其稳定性和抗酶性。
此外，蛋白质工程中的一个重要应用就是通过改变蛋白质的结构和功能，设计出具有特定功能的蛋白质。
例如，在药物研发中，可以通过蛋白质工程，设计出可以识别特定疾病标志物的抗体，用于疾病的诊断和治疗。
在食品领域，可以通过蛋白质工程，改善食品的口感和营养价值，如设计出更容易被人体吸收的蛋白质。
蛋白质工程中还有一个重要的概念是基因工程。
基因工程是指通过改变蛋白质编码基因的序列，来改变蛋白质的结构和功能。
在蛋白质工程中，可以通过改变基因的序列，使其编码的蛋白质具有更好的性能。
例如，可以通过改变基因的序列，使其编码的酶具有更高的催化活性，或者改变抗体的结构，提高其与抗原的结合能力。
最后，蛋白质工程还涉及到一些技术方法。
例如，分子克隆技术可以用来将目标基因插入到载体中，进而表达目标蛋白质；蛋白质纯化技术可以用来从复杂的混合物中分离纯化目标蛋白质。
这些技术方法的应用可以为蛋白质工程提供技术支持。
蛋白质工程的原理和应用笔记
蛋白质工程的原理和应用笔记1. 蛋白质工程概述蛋白质工程是一种利用生物技术手段对蛋白质进行修改和改造的过程。
通过蛋白质工程，可以改变蛋白质的结构和功能，使其具有更多样化的应用。
蛋白质工程的原理主要有以下几个方面。
2. 蛋白质结构的理解和预测了解蛋白质的结构对于蛋白质工程非常重要，因为结构决定了蛋白质的功能。
在蛋白质工程中，可以利用生物信息学技术对蛋白质的结构进行预测。
常用的方法包括比对同源结构、模拟蛋白质的二级结构和三级结构等。
•比对同源结构：通过比对已知结构的蛋白质序列和目标蛋白质序列，找到相似的蛋白质结构作为模板，进而预测目标蛋白质的结构。
•模拟蛋白质的二级结构和三级结构：利用各种模拟算法和计算方法，预测蛋白质的二级结构和三级结构，从而为蛋白质工程提供参考。
3. 蛋白质工程的方法蛋白质工程的方法有很多，常见的方法包括点突变、重组蛋白质表达、结构优化等。
•点突变：通过在蛋白质的基因序列中引入点突变，可以改变蛋白质的特性和功能。
点突变可以导致蛋白质的氨基酸序列发生改变，从而影响蛋白质的结构和功能。
•重组蛋白质表达：利用基因重组技术，将目标蛋白质的基因序列转入细胞中，使其表达出来。
通过重组蛋白质表达，可以获取大量的目标蛋白质，并进一步进行改造和研究。
•结构优化：通过对蛋白质的结构进行优化，可以改善其功能和稳定性。
常用的方法包括引入剪接位点、改变蛋白质的疏水性等。
4. 蛋白质工程的应用蛋白质工程在许多领域都有广泛的应用。
以下列举了一些主要的应用领域。
•生物药物研发：蛋白质工程可以改造蛋白质药物的构造和功能，提高其生物活性和稳定性，同时减少副作用和毒性。
•工业生产：蛋白质工程可以改变酶的特性，使其具有更高的催化效率和稳定性，从而在工业生产中得到广泛应用。
•农业领域：蛋白质工程可以改造农作物的蛋白质，使其抗病性和抗逆性更强，提高农作物的产量和质量。
•环境保护：蛋白质工程可以设计新型蛋白质酶，用于有机物降解和废水处理，达到环境保护的目的。
蛋白质工程课件
04
蛋白质工程的应用
疾病治疗与预防
蛋白质药物设计与优化
疫苗开发
通过蛋白质工程技术，对蛋白质药物 的结构进行改造和优化，提高其稳定 性和药效，降低副作用。
通过蛋白质工程技术，设计和制备新 型疫苗，提高疫苗的免疫原性和保护 效果，有效预防传染病的发生。
靶向治疗
利用蛋白质工程技术，设计和开发具 有特定靶向功能的蛋白质药物，实现 对肿瘤、炎症等疾病的精准治疗。
蛋白质的分离与纯化
总结词
利用各种分离纯化技术，从生物样品中 提取和纯化目标蛋白质。
VS
详细描述
分离与纯化技术是蛋白质工程中的重要环 节之一，其目的是从复杂的生物样品中提 取和纯化目标蛋白质。常用的分离纯化方 法包括离心、沉淀、萃取、电泳、色谱等 技术。通过选择合适的分离纯化方法，可 以获得高纯度、高活性的目标蛋白质，为 后续的结构和功能研究提供基础。
蛋白质工程发展历程
自20世纪80年代初蛋白质工程概念提出以来，该领域经历了从实验室 研究到实际应用的快速发展，目前已成为生物技术领域的重要分支。
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THANKS
蛋白质的体外定向进化
总结词
通过模拟自然进化过程，在体外对蛋白质进行选择和优化，以获得具有所需性质和功能 的突变体。
详细描述
体外定向进化技术包括体外突变、体外筛选和体外进化三个步骤。通过随机或定点突变 产生变异体库，再利用筛选方法从中选择出具有优良性质的突变体，经过多轮进化可获 得性能显著提高的蛋白质。该技术广泛应用于酶工程领域，用于改进酶的催化活性、稳
特点
蛋白质工程具有高度定向性、可 预测性和可控制性，能够针对特 定需求对蛋白质进行改造，提高 蛋白质的性能和功能。
蛋白质工程的重要性
高二生物选择性必修课件蛋白质工程
表观遗传学调控
通过DNA甲基化、组蛋白 修饰等方式，在不改变 DNA序列的情况下，影响 基因的表达。
蛋白质合成过程及影响因素
转录过程
以DNA为模板，合成 mRNA的过程，受到启动 子、增强子等调控元件的 影响。
翻译过程
以mRNA为模板，合成蛋 白质的过程，受到tRNA、 核糖体等翻译机器的影响 。
国际合作与交流加强
随着全球化进程的加速，蛋白 质工程领域的国际合作与交流 将不断加强，共同应对全球性
挑战和问题。
XX
REPORTING
2023 WORK SUMMARY
THANKS
感谢观看
区别
蛋白质工程侧重于对蛋白质结构和功能的改造和设计，而基因工程则更侧重于对整个生物体的遗传性状进行改造 。此外，蛋白质工程的研究对象主要是蛋白质本身，而基因工程的研究对象则是基因以及由基因所控制的生物体 的性状。
PART 02
蛋白质结构与功能
蛋白质基本结构
一级结构
蛋白质分子中氨基酸的排列顺 序，包括二硫键的位置。
01
研究意义
蛋白质工程的研究有助于揭示 生命现象的本质和规律，为人 类认识生命世界提供新的视角 和手段。同时，蛋白质工程的 发展也为解决人类面临的资源 、环境和健康等问题提供了有 力支持。
02 医药领域
通过蛋白质工程设计具有特定 功能的药物，如抗体药物、基 因工程疫苗等，用于治疗和预 防疾病。
03
农业领域
PART 06
伦理、法规及未来发展趋 势
伦理道德问题探讨
尊重生命和自然界
蛋白质工程可能涉及改变生物体的基因和性状，引发对生命和自然 界的尊重问题。
安全性和风险评估
新开发的蛋白质产品或技术可能带来未知的安全隐患和风险，需要 进行充分的安全性和风险评估。
蛋白质工程的原理和应用的课件
蛋白质工程的原理和应用的课件一、蛋白质工程的概述•定义：蛋白质工程是一门综合性学科，旨在通过改变蛋白质的表达、结构和功能，对其进行设计和调控，以满足特定的研究或应用需求。
•目的：蛋白质工程旨在提高蛋白质的稳定性、活性、选择性，探索蛋白质的结构与功能之间的关系，并开发出具有特定功能的新型蛋白质。
二、蛋白质工程的原理蛋白质工程的原理主要包括以下几个方面：2.1 DNA重组技术•原理：通过将外源基因片段导入到目标细胞或生物体内，使其表达蛋白质，并且实现对蛋白质的基因组进行修改和调控。
•应用：可通过DNA重组技术定点突变、删除或插入基因片段，从而改变蛋白质的氨基酸序列和结构，进而改变其功能。
2.2 合成生物学技术•原理：利用生物体内自身的代谢能力和信号传导机制，通过构建合成基因路线，实现对蛋白质的合成和修饰。
•应用：合成生物学技术可以定向设计和合成新型蛋白质，扩展蛋白质的结构和功能，用于药物研发、生物能源开发等领域。
2.3 进化优化技术•原理：利用进化和筛选的原理，通过多次突变、表达和筛选，获得具有所需性状的蛋白质。
•应用：进化优化技术可以通过模拟自然进化的方式，改变蛋白质的结构和功能，从而提高其催化活性、稳定性和特异性。
2.4 结构生物学技术•原理：通过利用X-射线晶体学、核磁共振等结构生物学技术，解析蛋白质的三维结构，从而揭示蛋白质结构与功能之间的关系。
•应用：结构生物学技术可以为蛋白质工程提供准确的结构信息，指导蛋白质的设计和改造，开发出具有特定功能的蛋白质。
三、蛋白质工程的应用蛋白质工程在许多领域具有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：3.1 药物研发•应用：通过改造蛋白质的结构和功能，设计和开发新型药物，提高药物的活性、选择性和稳定性。
•示例：利用蛋白质工程技术，可以改造抗体的结构，提高其亲和力和生物稳定性，从而开发出更有效的抗体药物。
3.2 生物能源开发•应用：通过改造酶类蛋白质的结构和功能，提高其催化活性和热稳定性，用于生物催化生产生物燃料。
蛋白质工程
蛋白质工程定义1：按人们意志改变蛋白质的结构和功能或创造新的蛋白质的过程。
包括在体外改造已有的蛋白质，化学合成新的蛋白质，通过基因工程手段改造已有的或创建新的编码蛋白质的基因去合成蛋白质等。
为获得的新蛋白具备有意义的新性质或新功能，常对已知的其他蛋白质进行模式分析或采取分子进化等手段。
应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；方法与技术（二级学科）定义2：利用遗传工程手段，包括用基因的点突变和基因表达等改造蛋白质分子的结构与功能的技术。
应用学科：细胞生物学（一级学科）；细胞培养与细胞工程（二级学科）蛋白质工程，是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学，计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识通过对基因的人工定向改造等手段，对蛋白质进行修饰，改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。
蛋白质是一切生命活动存在的物质基础和唯一形式，同时也是诊断疾病、治疗疾病的物质基础或药物。
人类蛋白数量不仅远超过基因数量，而且由于蛋白质的可变性和多样性导致了蛋白质研究技术远比核酸技术要复杂和困难的多。
因此人类蛋白质构成了后基因组时代最重要的研究内容，具有无限广阔的前景。
蛋白质是生命的体现者，离开了蛋白质，生命将不复存在。
可是，生物体内存在的天然蛋白质，有的往往不尽人意，需要进行改造。
由于蛋白质是由许多氨基酸按一定顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。
而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。
蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使合成的蛋白质变得更符合人类的需要。
这种通过造成一个或几个碱基定点突变，以达到修饰蛋白质分子结构目的的技术，称为基因定点突变技术。
蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。
蛋白质工程的过程
蛋白质工程的过程介绍蛋白质工程是一项将现有蛋白质进行改造或者设计全新蛋白质的技术。
通过蛋白质工程，可以改善蛋白质的功能、稳定性、表达效率等特性，为生物学研究、医药开发和工业生产等领域提供了极大的帮助。
蛋白质工程的目的蛋白质工程的主要目的是通过改变蛋白质的氨基酸序列来赋予其新的功能或改善其已有的功能。
具体而言，蛋白质工程可以实现以下几个目标：1.改善蛋白质的稳定性：通过改变蛋白质的氨基酸序列，可以增加其对热、酸、碱等环境条件的稳定性，从而延长其在应用过程中的寿命。
2.提高蛋白质的表达效率：通过优化蛋白质的基因序列，可以提高其在宿主细胞中的表达效率，从而增加蛋白质的产量。
3.改善蛋白质的功能：通过改变蛋白质的氨基酸序列，可以赋予其新的功能，例如增强其酶活性、结合能力等。
蛋白质工程的方法1. 随机突变随机突变是一种常用的蛋白质工程方法。
通过引入随机突变，可以改变蛋白质的氨基酸序列，从而改变其功能或性质。
随机突变可以通过多种方法实现，例如化学突变剂诱导、PCR扩增时出错等。
2. 有序突变与随机突变相比，有序突变是一种更为定向的蛋白质工程方法。
通过有序突变，可以在特定位置上引入特定的氨基酸，从而实现对蛋白质性质的改变。
有序突变通常依赖于现有的蛋白质结构信息，可以利用计算方法进行蛋白质设计和模拟，预测突变后的蛋白质结构和性质。
3. 重组蛋白质重组蛋白质是一种将多个不同蛋白质的结构域或功能域进行重组的方法。
通过将具有不同功能的蛋白质进行重组，可以构建出新的蛋白质，同时继承了原始蛋白质的有益性质。
4. 蛋白质设计蛋白质设计是一种全新的蛋白质工程方法。
通过理论计算和实验验证，可以将氨基酸序列进行合理设计，从而构建出具有特定功能的全新蛋白质。
蛋白质设计的目标是通过合理的构建和设计，打造出具有高效率和高稳定性的蛋白质。
蛋白质工程的应用领域1.生物学研究：蛋白质工程为生物学研究提供了重要工具。
通过改变蛋白质的性质，可以揭示其在生物过程中的功能和作用机制。
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replication
Smith (1993)
dut突变导致胞内
dUTP水平上升；
ung突变使U取代 DNA链中的T；
二、PCR介导 的定点突变及 改进的大引物 突变法
16
三、盒式突变法
盒式诱变：利用一段
人工合成的具有突变 序列的寡核苷酸片段 即所谓的寡核苷酸盒， 取代野生型基因中的
（三） 蛋白质的创造和改造 一是小范围改造，少数几个残基的替换；
二是较大程度的改造，是对来源于不同蛋白质的结构域
进行拼接组装，期望转移相应的功能； 三是蛋白质从头设计。
现在蛋白质工程设计战略基本流程：
①克隆一个酶或功能蛋白的结构基因
②测定其核苷酸编码序列
③演绎出相应的氨基酸序列 ④确定蛋白质的生物学性质
性质的突变酶。
定向进化的原理
在待进化酶基因的PCR扩增反应中，利用Taq DNA聚合酶不具 有3’-5’校对功能的性质，配合适当条件，以很低的比率向目的 基因中随机引入突变，构建突变库，凭借定向的选择方法，选
出所需性质的优化酶(或蛋白质)，从而排除其他突变体。
定向进化的基本规则是“获取你所筛选的突变体”。 定向进化=随机突变+选择。前者是人为引发的，后者虽相当 于环境，但只作用于突变后的分子群，起着选择某一方向的进 化而排除其他方向突变的作用，整个进化过程完全是在人为控 制下进行的。
何一个特定的碱基，使基因发生改变，从而产生新的
蛋白质。
改变DNA核苷酸序列的几种方法：
1.寡核苷酸引物介导的定点突变及改进的KunKel法
2.PCR介导的定点突变及改进的大引物突变法 3.盒式诱变
一、寡核苷酸引物诱变技术
1、寡核苷酸引物诱变技术：用含突变碱基的引物启动M13φ复 制子代链，转染大肠杆菌后，子代φ基因有50%发生突变，通过 筛选、鉴定、回收可观察突变基因的表型改变效应。如图8-4
2、寡核苷酸引物诱变技术的改进方法
KunKel定点诱变法：如图8-5
A、正链DNA的合成
B、突变引物的合成
C、异源双链DNA 分子的制备 D、闭环异源双链 DNA分子的富集
E、转化
F、突变体的筛选 G、突变基因的鉴定
Site-directed mutagenesis
Wild type CAG CAG GTC
最终获取最佳突变组合的酶。通过DNA改组, 不仅可加速积累有益突变， 而且可使酶的2个或更多的已优化性质合为一体。
外显子改组（exon shuffling）类似于DNA改组，两者都是在各自含突变 的片段间进行交换，前者尤其适用于真核生物。在自然界中，不同分子的
内含子间发生同源重组，导致不同外显子的结合，是产生新蛋白质的有效
(5)
GTC
(1)
translation
Val
CAG
(2)
Wild type protein
+ primer
CAG CGG GCC
(6)
Mutant
primer
(3)
GCC
+ polymerase
CAG GCC
(4)
translation
Thr
Juang RH (2004) BCbasics
Mutant protein
一、易错PCR
易错 PCR(error prone PCR)是指在扩增目的基因的同
时引入碱基错配，导致目的基因随机突变。
连续易错PCR (sequential error prone PCR)策略：即
将一次PCR扩增得到的有用突变基因作为下一次PCR
扩增的模板，连续反复地进行随机诱变。
二、DNA改组
们互为引物进行合成，伴随组合，再组装成完整的基因长度。
四、交错延伸突变法
交错延伸(stagger extension process，StEP)
在PCR反应中把常规的退火和延伸合并为一步， 缩短其反应 时间，从而只能合成出非常短的新生链，经变性的新生链再作 为引物与体系内同时存在的不同模板退火而继续延伸。此过程 反复进行，直到产生完整的基因长度。
XXX
XX
X
XX
X
XX
X
XXX
X
XXX
X
XXX
X
XX
XXX
XX
XXX
XX X
X
XX
X
X
XX
X
X
XX X
XX
X
XX
X
XX
X
Repeat for multiple cycles
三、体外随机引发重组
体外随机引发重组(random priming in vitro recombination, RPR) 以单链DNA为模板，配合一套随机序列引物，先产生大量互补 于模板不同位点的短DNA片段，由于碱基的错配和错误引发，这 些短DNA片段中也会有少量的点突变，在随后的PCR反应中，它
Generating chimeras with crossovers of large blocks of sequences
How DNA shuffling works
Fragment with DNAseI
X XXX X
Reassemble fragments
XXX X
Select best recombinants
2、蛋白质结构决定蛋白质功能
蛋白质的一级结构
蛋白质的二级结构
超二级结构
结构域
蛋白质的三级结构
蛋白质的四级结构
3、“自然界”的蛋白质工程
蛋白质的结构和功能是生物进化的结果
二、蛋白质结构测定与结构预测
（一）蛋白质结构的测定
1、蛋白质的一级结构测定
基本方法： （1）应用化学裂解法和蛋白酶水解法将多肽链专一性裂解； （2）逐一测定每个纯化的小肽段的顺序； （3）根据肽段氨基酸顺序中的重叠区确定小肽段的排列次序； （4）完成整条多肽链的顺序分析。
尽管蛋白质顺序分析已经自动化，但仍然耗时、复杂并且昂贵。重
组DNA技术出现后，人们可以从cDNA或基因序列直接推导出蛋白质 的氨基酸顺序。
2、蛋白质三维结构实验测定
根据蛋白质的状态，测定蛋白质三维结构的方法分为两大类： 晶体中:应用X射线晶体衍射图谱法和中子衍射法。
溶液中:应用核磁共振法、园（圆）二色性光谱法、激光拉曼
途径之一。与DNA改组不同，外显子改组是靠同一种分子间内含子的同 源性带动，而DNA改组不受任何限制，发生在整个基因片段上。
DNA改组原理
DNA重组装原理图 (DNA shuffling)
1. DNaseI产生随机片段； 2. 随机片段变性； 3. 随机片段复性； 4. 延伸 反复重复2-4步后，可获得全长DNA片段
定向进化的选择策略
1、定向进化中，突变具有随机性，但通过选择特定方向的突 变限定了进化趋势，加之控制实验条件，限定突变种类， 降 低突变率，缩小突变库的容量，这不仅减少了工作量，更重
要的是加快了酶在某一方向的进化速度。
2、通常，筛选方法必须灵敏，至少与目的性质相关。另有 一些其他的筛选方法，如加入能产生可见光信号的底物或利 用绿色荧光蛋白的荧光性质等。 高通量的筛选体系
相应序列。
（二）、定向突变技术
定向进化=随机突变+选择
酶分子的定向进化(directed evolution)
理论上，蛋白质分子蕴藏着很大的进化潜力，很多功能有待 于开发，这是酶的体外定向进化的基本先决条件。
所谓酶的体外定向进化，又称实验分子进化，属于蛋白质的 非合理设计，它不需事先了解酶的空间结构和催化机制，通 过人为地创造特殊的条件，模拟自然进化机制(随机突变、 重组和自然选择)，在体外改造酶基因，并定向选择出所需
How DNA shuffling works
.. . . . .... .
Single gene shuffling library of point mutants
.
Family gene shuffling library of chimeras
Similar mutants generated by error-prone PCR, random and site-directed mutagenesis
⑤建立蛋白质的三维空间结构
⑥设计工程蛋白的分子蓝图（最难） ⑦借助于DNA定点突变技术更换密码子 ⑧分析突变蛋白的生物学和化学特性 ⑨确立蛋白质序列-结构-功能三者之间的对应关系 ⑩将此对应关系反馈至第6步，并进行下一轮操作，直到构建出 期望的蛋白质
第二节 蛋白质工程的关键技术
（一）定点突变技术
通过取代、插入或缺失克隆基因或DNA序列中的任
活性增加倍数 潜在应用领域
45 100 400 10000
基础研究 基础研究 生物制药 生物制药
β -内酰胺酶
枯草杆菌蛋白酶E
抗生素抗性 耐热性
65℃耐热时间
细胞 因子
代谢 途径
人类干扰素 抗病毒 肿瘤抑制因子P53 37℃半衰期 砷酸盐代谢途径 砷酸盐解毒
汞代谢途径 汞解毒
32000 17 200 285000 12 40
第十章 蛋白质工程
重难点：蛋白质工程的关键技术
蛋白质工程是基于对蛋白质结构和功能关系的认识，进行
分子设计，通过基因工程途径定向改造蛋白质或创造合乎人 类需要的新的突变蛋白质的理论及实践。
蛋白质工程也被称为第二代基因工程。
第一节 蛋白质工程的理论基础、诞生和发展 一、蛋白质工程的理论基础
1、蛋白质生物功能的多样性 A、生物催化作用 B、代谢调节作用 C、免疫保护作用 D、物质转运与贮存 E、运动和支持作用 F、生长、繁殖、遗传和变异作用 G、结构功能