第6章 蛋白质工程
现代生物技术第六章 蛋白质工程
金属硫蛋白的作用与结构特点
金属硫蛋白（metallothionein，简称MT）是一类 小分子量的球蛋白，大量存在于哺乳动物体内，其 他低等动物如鱼、螃蟹、海胆中也有分布，在植物 和微生物中也发现有各种不同亚型的金属硫蛋白。 这类蛋白质分子中半胱氨酸的含且极高，约占全部 氨基酸总量的1/3左右，在分子中以与金属原子相结 合的方式存在。金属硫蛋白参与微量元素锌、铜等 的贮存、运输和代谢，参与重金属元素铜、汞、铅 等的解毒以及拮抗电离辐射和清除羟基游离基等， 在改善健康等诸多方面发挥着重要的作用。
分子设计 氨基酸序列 蛋白质 三维结构 折叠 预期功能 生物功能
DNA
mRNA 转录 翻译
多肽链
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、蛋白质工程的基本原理
基因工程与蛋白质工程的区别：
基因工程通过分离目的基因重组DNA分子，使目的 基因更换宿主得以异体表达，从而创造新类型，但 这只能合成自然界固有的蛋白质。 蛋白质工程则是运用基因工程的DNA重组技术，将 克隆后的基因编码序列加以改造，或者人工合成新 的基因，再将上述基因通过载体引入适宜的宿主系 统内加以表达，从而产生数量几乎不受限制、有特 定性能的“突变型”蛋白质分子，甚至全新的蛋白 质分子。
将金属硫蛋白的β结构域改造成为α结构域需 要利用蛋白质工程中的分子设计技术，对分 子改造的设计思想进行可行性分析，并提出 具体的改造方案。首先，应在大量生物学实 验的基础上，仔细分析金属硫蛋白的结构特 点和生物功能，并利用贮存于计算机中的生 物大分子信息数据库和序列分析、分子模型 等计算机软件，确定金属硫蛋白的氨基酸序 列、一级结构和高级结构。
金属硫蛋白α结构域多倍体的构建 用MT的α结构域二倍体代替天然MT，有可能使其结 合重金属能力提高一倍。我们知道，无论是天然MT， 还是人工构建MT的α结构域二倍体，在将其转人植 物中时，都需要用环状的DNA质粒作载体。如果能把 MT的α结构域二倍体首尾相接，构建MT的α结构域 多倍体，将有可能使表达产物成倍增加，消除镉金 属的能力也就会相应的成倍提高。 根据以上设想，可以利用基因工程的方法，构建金 属硫蛋白α结构域多倍体。
选修
《现代生物技术概论》任课教师介绍曾千春，男，1964年11月生，博士，教授，云南省第7批中青年学术技术带头人。
先后在湖南农学院植物保护专业，云南农业大学植物病理专业和四川农业大学作物遗传育种专业 (中国科学院遗传所联合培养)毕业，获学士、硕士和博士学位。
2003年中国科学院遗传发育所分子生物学博士后出站；2004年享受云南省人事厅高层次人才补贴与工作经费；2008-2011年美国佛罗里达大学食品与农业科学学院访问学者。
1987年参加工作，2007年任职教授。
云南农业大学作物遗传育种专业、生物化学与分子生物学硕士生导师，作物遗传育种专业博士生指导小组成员。
东亚与东南亚热带生物资源研究与发展（Eastern Tropical Bionet, ETB）中国分会理事，美国离体生物学会会员，国家自然科学基金委农学基础与作物学学科同行评议专家。
主讲“基础生物化学”，“植物生理学”和“蛋白质与酶工程”。
全校公共选修课程“现代生物技术概论”和“转基因与食品安全”。
主要从事杂交水稻生物技术育种、甘蔗转基因和植物病原真菌研究，主持或参加完成国家973、863、国家自然基金、国家科技支撑计划等科研项多项。
作为执笔人申报的“生物化学与分子生物学”硕士点同行专家评议通过率100％，2006年1月获得国务院学位委员会正式批准。
曾获云南农业大学优秀教师称号，获云南省自然科学三等奖1项，发表论文45篇，参编专著2部。
《现代生物技术概论》课程介绍随着现代生物技术的发展，转基因食品、加酶洗衣粉等现代生物技术产品已经走进了人们的日常生活。
愈来愈多的同学希望了解（掌握）生物技术产生的简要历程，生物技术的基本知识，了解生物技术发展对国家政治、军事、经济、文化、生活及其他科学技术发展的影响。
本课程包括两大部分。
第一部分包括生命的中心法则、基因工程、细胞工程、酶工程和蛋白质工程等基础生物技术知识，较全面地介绍生物技术五大工程的基本原理和知识。
生物化学试题及答案分章节
生物化学试题及答案分章节第一章生物化学基础知识1.1 生物分子的组成和性质1.2 生物中的化学键和化学反应1.3 生物大分子的结构和功能1.4 酶的性质和功能1.5 生物物质的能量转换第二章蛋白质和氨基酸2.1 蛋白质的结构和功能2.2 氨基酸的结构和分类2.3 蛋白质的合成和降解2.4 蛋白质的修饰和折叠第三章核酸和遗传信息3.1 核酸的结构和功能3.2 DNA的复制和修复3.3 RNA的合成和修饰3.4 遗传信息的传递和表达第四章碳水化合物和能量代谢4.1 碳水化合物的分类和结构4.2 糖原的合成和分解4.3 糖酵解和乳酸发酵4.4 呼吸链和氧化磷酸化第五章脂质和生物膜5.1 脂质的分类和结构5.2 细胞膜的组成和功能5.3 生物膜的通透性和传递5.4 脂质代谢和调节第六章生物化学技术6.1 蛋白质的分离和纯化6.2 核酸的提取和分析6.3 生物大分子的定量和检测6.4 基因工程和蛋白质工程第七章生物化学与健康7.1 营养与健康7.2 代谢疾病与调控7.3 肿瘤生物化学7.4 药物与生物化学第八章生物化学实验与技巧8.1 常用生物化学实验方法8.2 数据处理与统计分析8.3 实验安全与操作注意事项8.4 实验设计与结果解读每个章节通过介绍相关的基础知识、原理和应用，来提供生物化学试题及答案，以便读者全面理解和掌握生物化学的相关内容。
文章整体排版整洁美观，语句通顺，流畅易读。
每个小节提供详细的内容，但不以"小节一"、"小标题"等词语出现。
这样的格式和内容安排可以满足对生物化学试题及答案的需求，同时使文章清晰易读。
蛋白质工程 作业答案
第三章蛋白质工程习题1、名词解释：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地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，是基因工程基础上的延伸，是第二代基因工程。
蛋白质分子设计：是为有目的的蛋白质工程改造提供设计方案，即在知道了需要改造的蛋白质的性能及其相应的结构基础之后，通过理论的方法，提出蛋白质改造的设计方案。
嵌合抗体：用DNA重组技术将鼠源单抗的可变区(V区)基因与人免疫球蛋白(Ig)的恒定区(C 区 )基因相连接,构建成嵌合基因,导入宿主细胞进行表达,制成嵌合抗体。
目前国内外已制备了数十种嵌合抗体。
PDB:蛋白质结构数据库。
2、请列表总结基因工程和蛋白质工程的相同点、不同之处（从结果、实质、流程等方面）及其联系。
3、蛋白质工程的基本目标、基本途径是什么？答：基本目标：对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要。
基本途径：基因修饰或基因合成：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术4、目前有哪些蛋白质工程分子改造的常用方法？答：⒈基因定点突变技术（小改）：即通过在DNA水平上进行碱基的取代、插入或缺失，达到改变基因，从而改变编码的蛋白质的结构的技术，包括核苷酸引物诱变，盒式诱变，PCR诱变，随机诱变。
⒉基因剪切和融合（中改）：原理：将编码某蛋白的部分基因移植到另种蛋白基因上，经克隆、表达，产生新的融合蛋白。
可达到使蛋白易于表达、纯化、细胞定位等，或使蛋白性质改变。
⒊基因全合成（大改）：合成DNA，然后表达出相应蛋白。
可以全部由人工控制，便于设计和改造，还适用于同时实现多处突变。
5、蛋白质工程中增加蛋白质稳定性的基本途径有哪些？答：蛋白质结构与功能研究表明，上述稳定蛋白质空间构象的因素是由蛋白质一级结构中某一个或某一段氨基酸序列决定的，人工改变或修饰这些氨基酸残基，有可能增加蛋白质的稳定性，又不影响其生物学活性。
蛋白质工程的原理和应用高二生物优质课件(人教版2019选择性必修3)
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在 此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替 换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
问题3: 这种对现有蛋白质进行改造的技术与基因工程技术一样吗？
天冬氨酸激酶
+
二氢吡啶二羧酸合成酶
352位的苏氨酸 变成异亮氨酸
调控 赖氨酸合成
提 高
提高5倍
达到一定浓度 抑制
两种酶的活性 提高 限制
赖氨酸含量
104位的天冬酰 胺变成异亮氨酸
提 提高2倍 高
问题5: 蛋白质工程是怎 样进行的呢？
二、蛋白质工程的基本原理
合作探究一：请同学们自主阅读教材P94，小组合作思考讨论完成问题。
C.②③①④ D.④②①③
问题9: 蛋白质工程有哪些运用呢？请举例。
四、蛋白质工程的运用
合作探究二：请同学们自主阅读教材P95，小组合作思考讨论总结蛋白质 工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。
应用
实例
医药工业方面
其他工业方面 农业方面
四、蛋白质工程的运用
四、蛋白质工程的运用
（一）医药工业方面： 定点突变 1.实例二：研发速效胰岛素类似物
二、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙 氨酸
问题7: 确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
确定目的基因的碱基序列后，可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法获取。
食品生物技术
食品生物技术绪论名词解释1 食品生物技术食品生物技术(food biotechnology)：是现代生物技术在食品领域中的应用，是指以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其它学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料2 基因工程基因工程：通过一系列技术操作过程，获得人们预先设计好的生物，该生物所具有的特性往往是自然界不存在的。
是用人工的方法把不同生物的遗传物质（基因）分离出来，在体外进行剪切，拼接，重组形成基因重组体，然后再把重组体引入宿主细胞或个体中得以高效表达，最终获得人们所需要的基因产物。
3 细胞工程细胞工程(cell engineering)：在细胞水平研究、开发、利用各类细胞的工程。
是人们利用现代细胞分子生物学的研究成果，根据需求设计改变细胞的遗传基础。
4 蛋白质工程蛋白质工程(protein engineering)：通过对Pr化学、Pr晶体学和动力学的研究，获得有关Pr理化特性和分子特性的信息，以此为基础有目的设计改造编码蛋白的基因，通过基因工程技术获得可以表达Pr的转基因生物系统，该生物系统可以是转基因微生物、转基因植物、转基因动物，或细胞系统。
最终产出改造过的Pr5 酶工程酶工程(enzyme engineering)：利用酶催化作用进行物质转化的技术，是酶学理论、基因工程、蛋白质工程、发酵工程相结合而形成的一门新技术6 发酵工程发酵工程是将微生物学、生物化学和化学工程等学科基本原理有机结合，是建立在基因工程技术基础上的一门应用技术性学科。
7 生物工程下游技术生物工程下游技术(biotechnique downstream processing)：将发酵工程、酶工程、蛋白质工程和细胞工程生产的生物原料，经过提取、分离、纯化、加工等步骤，最终形成产品的技术第二章（94页）1 基因工程基因工程：通过一系列技术操作过程，获得人们预先设计好的生物，该生物所具有的特性往往是自然界不存在的。
蛋白质工程-复习提纲
蛋白质工程第一章——绪论一、蛋白质工程的定义？狭义定义：蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质广义定义：蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质（简单来说：蛋白质工程就是一门改造设计蛋白质的学科）二、蛋白质工程的基本研究内容？研究内容总体可分为四大部分：（1）蛋白质的基础知识——结构、理化性质、生物功能、功能与结构的关系（2）蛋白质的物质准备——表达、纯化（3）蛋白质的研究方法——结构解析、分析鉴定、蛋白质组学研究（4）蛋白质的改造应用——设计改变、功能应用、蛋白质生物信息学或者可分为三大部分：（1）蛋白质结构分析——基础（关系学）（2）结构、功能的设计和预测——基础的应用与验证（实验科学）（3）创造和/或改造蛋白质——新蛋白质——终目标（工程学）三、蛋白质工程的应用（1）蛋白质工程应用蛋白质多肽药物、新型疫苗、工业用酶……（2）蛋白质工程意义1）在医药、工业、农业、环保等方面应用前景广泛2）对揭示生命现象的本质和生命活动的规律具有重要意义3）是蛋白质结构形成和功能表达的关系研究中不可替代的手段（3）蛋白质工程的支持技术定点突变等遗传操作技术；蛋白质结构解析技术；生物信息学分析技术；蛋白质的设计、表达、生产技术第二章——蛋白质结构与功能一、蛋白质的生物学功能调节功能、防御/攻击、支架作用、信息传递、运动功能、转运功能、储存功能、催化功能、结构成分二、蛋白质基本化学组件（1）氨基酸（amino）1）氨基酸种类：二十种天然氨基酸、稀有氨基酸、非天然蛋白质氨基酸2）氨基酸的化学组成与结构：①均含有C 、H 、O 、N 、S，以一定比例存在。
有些含有微量的金属元素（如铁、锌、钼、镍等）②易被酸、碱和蛋白酶催化水解为胨、肽。
共同的化学结构（除脯氨酸）3）氨基酸的性质极性氨基酸：Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr——二硫键疏水氨基酸：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro、Met、Trp——疏水内核荷电氨基酸：Arg、Lys、His（+）；Asp、Glu（-）——PI，蛋白分离谱特性、紫外线吸收特性——检测（3）肽单位、多肽链1）肽键定义：由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的化学键。
蛋白质工程复习提纲
蛋白质工程复习提纲第一章蛋白质工程的概念及其发展1．什么是蛋白质工程？是以对蛋白质结构和功能关系的认识为依据，借助基因工程技术和X-射线衍射分析技术，从基因入手，通过定点突变改变核苷酸顺序，以达到改造现有蛋白质分子、或创造新的蛋白质分子目的的技术学科。
2．与蛋白质工程有关的四个基础学科是什么？蛋白质化学、分子遗传学、蛋白质晶体学、蛋白质动力学。
3．为什么蛋白质化学方面的研究又出现了新高潮？今后蛋白质化学的研究将向哪三个方向发展？1）遗传工程的产品开拓依赖于新蛋白质的发现；2）遗传工程的下游技术有赖于蛋白质的新的分离、纯化技术的发展；3）医学上和商业上发现新分蛋白质推动了蛋白质化学研究技术的不断发展。
今后蛋白质化学的主要研究方向有：1）蛋白质的研究与核酸研究相结合；2）蛋白质化学与量子化学相结合；3）新功能蛋白质的寻找、原有蛋白质新功能的揭示、新的研究蛋白质技术的开拓。
4．举例说明蛋白质工程已经取得了哪些成果？（1）在基础研究方面：1) 进行酶活性中心上必需基团的研究2）展宽酶分子的底物范围研究3）提高酶分子对底物的专一性研究4）提高蛋白质分子的稳定性研究5）研究了酶分子的空间结构与催化的关系6) 研究了酶分子与底物结合成中间产物时结合能的作用。
（2）应用方面1)改进蛋白质分子的热稳定性2)提高抗氧化性能3)提高蛋白质抵抗重金属的性能4) 增强蛋白质对pH值的稳定性5) 改变酶催化的最适pH值5．当前阻碍酶的大量生产和销售的因素有哪些？酶的生产成本较高（非主要）；来自自然界的酶或其他蛋白质并不随人意，应用起来会遇到这样那样的困难（生产环境与自然环境有差距）6．蛋白质工程的近期目标是什么？增强蛋白质对热的稳定性；增强蛋白质对氧的稳定性；增强蛋白质对重金属的稳定性；增强蛋白质对pH的稳定性；改进酶的催化性质7．制约蛋白质工程发展的因素有哪些？蛋白质分子构象的研究手段的建立；基因的高效表达及其下游技术第二章蛋白质分子的立体结构原理1 什么是顺式酰胺键？各在什么时候出现？多肽链是以众多的氨基酸分别以酰胺键连接起来，当酰胺键上的N原子由Pro供给时，所形成的酰胺键是顺式排列的，称为顺式酰胺键。
新教材高中生物第章基因工程第节蛋白质工程课后素养落实苏教版选择性必修
蛋白质工程(建议用时：40分钟)题组一蛋白质工程是基因工程的延伸1．合成天然不存在的蛋白质应首先设计( )A．基因结构B．RNA结构C．氨基酸序列D．蛋白质结构D[合成天然不存在的蛋白质属于蛋白质工程。
实施蛋白质工程的前提是了解蛋白质的结构与功能的关系，首先要从设计蛋白质的结构入手，然后再根据基因工程的方法通过基因修饰或基因合成，合成相应的蛋白质，从而实现对蛋白质的改造。
]2．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )A．蛋白质工程的实质是改造基因B．蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列C．蛋白质工程的基础是基因工程D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则B[蛋白质工程是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，然后根据设计的蛋白质结构，合成出特定的脱氧核苷酸序列。
]3．下列哪项不是蛋白质工程的研究内容( )A．分析蛋白质分子的精细结构B．对蛋白质进行有目的的改造C．分析氨基酸的化学组成D．按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质C[本题考查蛋白质工程的原理。
蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系，按照人的意愿改造蛋白质分子，形成自然界不存在的蛋白质分子。
为了改造某种蛋白质分子，必须对其精细结构进行分析，但不包括对组成蛋白质的氨基酸的化学组成的分析。
]4．下列有关蛋白质工程的说法正确的是( )A．蛋白质工程无需构建基因表达载体B．通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质C．蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶D．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质C[蛋白质工程的基本流程：从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸序列，找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。
这是蛋白质工程特有的途径，接下来是按照基因工程的一般步骤进行。
因此，基因工程技术利用的工具(限制酶、DNA 连接酶、载体)以及操作流程也适用于蛋白质工程技术中，A 项错误，C 项正确；蛋白质工程生产的蛋白质是改造后的蛋白质或者是新的蛋白质，B 项错误；蛋白质工程的操作对象是基因，属于分子水平，D 项错误。
蛋白质工程的原理和应用(课件)高二生物(人教版2019选择性必修3)
知识拓展
2.基因工程与蛋白质工程的判断方法
（1）
（2）蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别，基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。
对点练1 [2022·合肥期中] 下列关于蛋白质工程的说法，<zzd>错误</zzd>的是( )。
比较项目
蛋白质工程
基因工程
区别
操作方法
基因的改造、合成
基因剪切、拼接、导入
实质
定向改造或生产人类所需的蛋白质
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品
结果
可生产自然界中没有的蛋白质
只能生产自然界中已有的蛋白质
联系
①都在生物体外对基因进行操作；②蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程；③蛋白质工程获得目的基因后，需要进行基因工程的操作来获得预期蛋白质
提示 蛋白质的氨基酸序列→推测mRNA的密码子排序→推测双链DNA中脱氧核苷酸序列。不完全相同，因为密码子的简并，一种氨基酸可能对应一种或几种密码子。
3.假如某科学家设计出某种蛋白质的空间结构，你能否设计出利用大肠杆菌生产该蛋白质的流程？
提示 蛋白质的空间结构→氨基酸序列→合成目的基因→构建基因表达载体→导入大肠杆菌→产生相应蛋白质。
B
[解析] 蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，即以基因工程为基础的生物工程技术，A正确；蛋白质工程是通过改造基因或创造合成新基因来改变生物的遗传和表达性状，合成新的蛋白质，不是直接改变氨基酸序列，B错误；蛋白质工程需要预期蛋白质功能进而设计预期的蛋白质结构，因此蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作，C正确；蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或者制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求，D正确。
蛋白质工程
精选ppt
1
一、蛋白质工程崛起的缘由
例如：
满足人类生产 和生活的需要
干扰素（半胱氨酸） 改造 干扰素（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
改造
天冬氨酸激酶（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）
14
一、 初级改造
➢通过基因突变方法，以达到改变氨基酸进而改造蛋白 质的目的。 ➢目前，主要采用的基因突变方法：
基因定位突变 盒式突变。
精选ppt
15
➢基因定位突变
根据三联体密码，编码DNA（目的基因）的确定位点， 改变其组成核苷酸的顺序或种类，使基因发生定向变 异，使其控制合成的氨基酸种类、顺序发生改变，合 成出具有预期氨基酸序列的修饰蛋白质。
①延长酶的半衰期；
②提高酶的热稳定性；
③延长药选ppt
21
一、 消除酶的被抑制特性
➢1985年，美国的埃斯特尔借助寡核苷酸介导的定位 突变技术，用19种其他氨基酸分别替代枯草芽孢杆菌 蛋白酶分子第222位残基上易氧化的Met，获得了一系 列活性差异很大的突变酶。发现除了用Cys代替Met的 突变体以外，其他突变体的酶活性都降低了。
精选ppt
26
六、修饰酶的催化特异性
➢利用定点突变技术葡萄糖淀粉酶的催化特性。如将 活性中心的GLu、Asp被Gln、Asn取代时，突变体酶分 解α-1，4糖苷键和α-1，4糖苷键的活性比例发生明 显改变
七、修饰Nisin的生物防腐效应 ➢ Nisin是乳酸球菌分泌的有较强抗菌作用的小分子 肽，可用于罐头食品、乳制品、肉制品的保藏 ➢Nisin由34个氨基酸残基构成
《蛋白质工程》教学大纲
《蛋白质工程》教学大纲Protein Engineering课程编码：27A11714 学分：1.5 课程类别：专业任选课计划学时：24 其中讲课：24 实验或实践：0适用专业：生物技术专业推荐教材：刘贤锡著，《蛋白质工程原理与技术》，山东大学出版社，2002年。
参考书目：汪世华著，《普通高等教育"十一五"规划教材-蛋白质工程》，科学出版社，2008年。
课程的教学目的与任务通过本课程的学习，掌握蛋白质工程的基本理论、基础知识、主要研究方法和技术以及蛋白质工程的应用，熟悉从事蛋白质工程的重要方法和途径。
形成科学的思维方式、培养学生科学思维能力和勇于探索、善于思考、分析问题的能力，激发学生对蛋白质工程的学习热情，为将来的学习和工作奠定坚实的理论和实践基础。
课程的基本要求本课程的教学目的是使学生掌握蛋白质和蛋白质工程的概念，并在此基础上通过对蛋白质分子设计、蛋白质的热力学和动力学、蛋白质的修饰和表达、蛋白质的结构的学习，加深蛋白质的功能和应用的掌握,通过蛋白质组学的学习了解蛋白质工程的原理。
同时兼顾学科发展动向，着重涉及当今蛋白质工程的应用。
旨在使本科生了解现代蛋白质工程理论的新进展并为相关学科提供知识和技术。
各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）第一章：绪论建议学时：2 [教学目的与要求] 了解蛋白质工程发展的历史及理论基础、基本研究内容与研究程序，掌握蛋白质结构与功能的关系，了解蛋白质工程的发展方向。
[教学重点与难点] 本部分教学重点也是难点为蛋白质结构与功能的关系。
[授课方法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。
[授课内容]§1.1 蛋白质工程概论蛋白质工程的理论基础蛋白质工程的研究内容蛋白质工程的基本程序§1.2蛋白质工程的应用研究蛋白质结构与功能的关系改变蛋白质的特性生产蛋白质和多肽类活性物质设计合成全新蛋白质§1.3 蛋白质工程展望第二章：蛋白质的结构与功能建议学时：4 [教学目的与要求] 了解蛋白质组成与结构，掌握蛋白质的二级、超二级、结构域、三级、四级结构的概念以及不同空间结构的主要代表结构，并掌握不同的蛋白结构与蛋白质功能的关系，了解蛋白质与蛋白质相互作用及主要实例。
蛋白质工程教学计划
蛋白质工程教学计划一、教学目标本课程的教学目标是通过系统的理论教学和实践操作，使学生掌握蛋白质工程的基本原理、方法和技术，具备独立设计和构建蛋白质工程相关项目的能力，为学生将来从事相关科研和实际应用工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 蛋白质结构与功能- 蛋白质的结构、功能和生物学意义- 蛋白质结构的研究方法- 蛋白质与其他生物分子的相互作用2. 蛋白质工程基础- 基因工程与蛋白质工程的关系- 蛋白质表达和纯化技术- 蛋白质修饰和功能改造技术3. 蛋白质设计与构建- 蛋白质结构预测与模拟- 蛋白质工程方法和技术- 蛋白质工程的应用领域4. 实验操作与项目设计- 蛋白质表达系统的构建- 蛋白质纯化和鉴定技术- 蛋白质功能改造和应用研究三、教学方法1. 理论教学采用课堂讲授、案例分析和讨论等多种方法，使学生掌握蛋白质工程的基本理论知识。
2. 实践操作实验室操作是蛋白质工程课程的重要组成部分，通过实验操作，使学生掌握蛋白质表达、纯化和功能改造的基本技术。
3. 项目设计鼓励学生在课程学习的基础上，进行小型的蛋白质工程项目设计，培养学生的科研和实践能力。
四、教学手段1. 教学设备- 实验室设备：包括PCR仪、电泳仪、分光光度计、离心机等。
- 计算机及软件：用于蛋白质结构预测与模拟，以及数据分析和图表制作。
2. 教学资料- 教材：选用蛋白质工程相关的专业教材。
- 课件：制作蛋白质工程相关的PPT课件，便于课堂教学和学生学习。
3. 实验材料- 实验材料：包括蛋白质表达载体、蛋白质纯化试剂盒、蛋白质功能改造试剂等。
五、教学过程1. 开设理论课程本课程会分为多个模块进行理论课教学，包括蛋白质结构与功能、蛋白质工程基础、蛋白质设计与构建等内容。
2. 安排实验操作在理论教学的基础上，安排相关的实验操作课程，包括蛋白质表达和纯化实验、蛋白质功能改造实验等，使学生能够将理论知识应用到实际操作中。
3. 项目设计鼓励学生进行小型的蛋白质工程项目设计，可以是文献综述、实验设计或者理论模拟等，培养学生的科研能力和创新思维。
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蛋白质的一级结构 定义： 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的 排列顺序。 主要化学键：肽键 二硫键的位臵属于一级结构研究范畴。
一级结构是蛋白质空间构象和特异生 物学功能的基础。
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胰岛素的一级结构
蛋白质的二级结构
定义：
蛋白质分子中某一段肽链的局部空 间结构，即该段肽链主链骨架原子的相 对空间位臵，并不涉及氨基酸残基侧链 的构象 。
结构域 (domain) 大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或 数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各 行其功能，称为结构域。
纤连蛋白分子的结构域
丙酮酸激酶 的一个结构 域
免疫球 蛋白的 一个结 构域
由β-折叠、 α-螺旋形成的结构域
分子伴侣 (chaperon)
通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠 成天然构象或形成四级结构的一类蛋白质。
变构效应(allosteric effect)
凡蛋白质（或亚基）因与某小分子物 质相互作用而发生构象变化，导致蛋白质
（或亚基）功能的变化，称为蛋白质的变
构效应。
蛋白质分子之间的相互作用
钼铁蛋白
钼铁蛋白
钼铁蛋白
铁硫蛋白
铁硫蛋白
铁硫蛋白
肺炎克氏杆菌固氮酶
棕色固氮酶
红螺藻 固氮酶
具固氮活性的杂交的固氮酶复合体
2. 极性中性氨基酸
蛋氨酸 CH3SCH2CH2 CH COO 色氨酸 Methionine NH 3 Tryptophan (Try) (Met) 丝氨酸 Serine (Ser)
H2N C CH2 CH COO O NH3
C CH2 CH COO CH N H HO CH2 CH COO NH3 HO CH2 CH COO NH3 HS CH殊氨基酸
Gly：无手性碳原子。
CH2 CH2 CH2 CHCOONH2+
Pro：为环状亚氨基酸。
Cys：可形成二硫键。
二硫键
COOH COOH CH CH2 S S CH2 2H NH2 NH2 CH COOH
2 CH CH2 SH
NH2
C ys
胱氨酸
修饰氨基酸：
蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基 酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨 酸（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。
甘氨酸 Glycine(Gly) 丙氨酸 Alanine (Ala) 缬氨酸 Valine (Val) 亮氨酸 Leucine (Leu)
H3C CH2 CH CH COO H3C NH3 CH2 CH COO NH3 COO H2N H2C C H2 CH CH2
异亮氨酸 Isoleucine (Ile) 苯丙氨酸 Phenylalanine (Phe) 脯氨酸 Proline (Pro)
OOC CH2 CH COO NH3 OOC CH2 CH2 CH COO NH3
天冬氨酸 Aspartic acid (Asp)
谷氨酸 Glutamic acid (Glu)
4. 碱性氨基酸
NH2CH2CH2CH2CH2 CH COO NH3 NH2CNHCH 2CH2CH2 CH COO NH NH3
多肽链
多肽链 :由许多氨基酸按一定的排列顺序通 过肽键相连而成。 酰胺键 :一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的 羧基缩合失去一分子水。
多肽链
几种生物活性肽
1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH) 结构:
• 谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽 • 谷氨酸的-羧基形成肽键
• －SH为活性基团
COO
+
CH 3 H R
H
C
NH3
甘氨酸 丙氨酸 L-氨基酸的通式
氨基酸的分类 1. 非极性疏水性氨基酸
2. 极性中性氨基酸
3. 酸性氨基酸 4. 碱性氨基酸
1. 非极性疏水性氨基酸
H CH COO NH3 H3C CH COO NH3 H3C CH CH COO H3C H3C H3C CH CH2 NH3 CH COO NH3
无规卷曲：没有确定规律性的肽链结构。
-转角：
超二级结构
超二级结构（super secondary structure）：在蛋白质中经常存在由若 干相邻的二级结构单元按一定规律组合在一起，形成有规则的二级结
构集合体，超二级结构又称模体（motif）。
四种类型的超二级结构
螺旋－环－螺旋
锌指
影响二级结构形成的因素 影响α-螺旋形成的因素：
②两段以上的β -折叠结构平行排列 ，两链间可 顺向平行，也可反向平行 。 ③两链间的肽键之间形成氢键，以稳固β -折叠 结构。氢键与螺旋长轴垂直。
-转角和无规卷曲
-转角： ① 肽链内形成180º 回折。 ②含4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与 第四个形成氢键。 ③ 第二个氨基酸残基常为Pro。
* 根据蛋白质形状
纤维状蛋白质 球状蛋白质
第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质的分子结构包括：
一级结构 (primary structure) 二级结构 (secondary structure) 三级结构 (tertiary structure)
高级结构
四级结构 (quaternary structure)
R1 H2N C C H O H OH + H N C COOH H R2 H2O R1 H2N C
H
H C N O
H C COOH R2
肽键
• 多肽链(polypeptide chain) • 二肽，三肽…… • 寡肽(oligopeptide)，多肽(polypeptide) • 氨基酸残基(residue) • 氨基末端（amino terminal）和羧基末端 （carboxyl terminal） • 主链和侧链
蛋白质的生物学重要性
1. 蛋白质是生物体的重要组成成分 2. 蛋白质具有重要的生物学功能 1）作为生物催化剂 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递 3. 氧化供能
一 蛋白质结构的组成及性质 蛋白质的元素组成 主要有C、H、O、N和S。 有些蛋白质含有少量P或金属元素
第六章 蛋白质工程
蛋白质立体结构与复杂生 物功能的关系 蓝图 基因的定位诱变技术 工具
蛋白质组学
1982年，Winter等首次报道了通过基因定位诱变获得 改性酪氨酸tRNA合成酶 ；
1983年，Ulmer在“Science”发表 “Protein 蛋白质工程诞生的标志 Engineering”（蛋白质工程）专论
• 为酸性肽
• 是体内重要的还原剂
主要功能:
H2O2 2GSH
GSH过氧 化物酶
NADP+
GSH还原酶
2H2O
GSSG
NADPH+H+
肽类激素及神经肽 •肽类激素：如促甲状腺素释放激素（TRH）
•神经肽(neuropeptide)
蛋白质的分类
* 根据蛋白质组成成分
单纯蛋白质
结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分
例：镰刀形红细胞贫血
HbA β 肽 链
N-Val · His · Leu · Thr · Pro · Glu · Glu · · · · ·C(146)
N-Val · His · Leu · Thr · Pro · Val · Glu · · · · ·C(146)
HbS β 肽链
二、蛋白质空间结构与功能的关系
结构。 亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。
血红蛋白（Hb）的四级结构
第三节蛋白质结构与功能的关系 一、蛋白质一级结构与功能的关系 （一）一级结构是空间构象的基础
二 硫 键
牛核糖核酸酶的 一级结构
天然状态， 有催化活性
去除尿素、 β-巯基乙醇
尿素、β-巯基乙醇
非折叠状态，无活性
（二）一级结构与功能的关系
稳定因素： 氢键
（一）肽单元 (peptide unit)
参与组成肽键的6个原子位于同一平面， 又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构 象的基本结构单位。
肽单元
H
O
肽单元
H
R C Cα N
N
Cα
ψ
φ
C
H
R
H
O
二面角（dihedral angle）：肽
平面的连接处为α碳原子。它与 相邻的两个参与肽键形成的C
天冬酰胺 Asparagine (Asn)
谷氨酰胺 酪氨酸 H2N C CH2 CH2 CH COO Glutamine O NH 3 Tyrosine (Tyr) (Gln) 半胱氨酸 Cysteine (Cys)
H3C CH CH COO HO NH3
苏氨酸 Threonine (Thr)
3. 酸性氨基酸
三 蛋白质结构和功能的关系
同源蛋白质：两个不同蛋白质的一级结构具有显著的相 似性，并且在不同的有机体中实现同一功能的蛋白质。
和N原子之间的单键可以在一
定范围内转动，Cα-N之间称φ 角，在Cα-C之间称ψ角，这就
是α-碳原子上的一对二面角。
这对二面角决定了相邻肽平面 的相对位置。
相邻二个肽平面上的二面角
蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn )
作用：
* 可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开， 如此重复进行可使肽链正确折叠。
* 与错误聚集的肽段结合，诱导其正确折叠。 * 对蛋白质分子中二硫键的正确形成起重要的作用。
蛋白质的四级结构 每条具有完整三级结构的多肽链，称为亚 基 (subunit)。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接