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。
蛋白质工程四个基本步骤
蛋白质工程四个基本步骤蛋白质工程，听起来是不是很高深莫测呀？嘿嘿，其实没那么难理解啦！蛋白质工程有四个基本步骤，就好像盖房子要先打地基、砌墙、封顶、装修一样。
第一步呢，就是目标蛋白质的确定。
这就好比你要去一个地方，得先知道目的地是哪儿呀！你得清楚自己到底想要改造什么样的蛋白质，它有啥特点，要实现啥功能。
这可不是随随便便就能决定的哦，得经过深思熟虑呢！要是选错了目标蛋白质，那不就像在沙漠里挖井，白费力气嘛！接下来第二步，是蛋白质结构的分析。
哎呀呀，这就好像给蛋白质做个全身检查一样。
要仔细研究它的结构，看看哪里是关键部位，哪里可以动手脚。
就像了解一个人的性格脾气一样，只有清楚了蛋白质的“脾气”，才能更好地对它进行改造呀！你想想，如果对蛋白质的结构都不了解，那不是瞎折腾嘛！然后到了第三步，设计改造方案。
这可就是发挥想象力和创造力的时候啦！根据蛋白质的结构分析，想出各种奇妙的办法来让它变得更好。
这就好比给一个普通的东西加上各种新奇的功能，让它变得与众不同。
你可以想象一下，把一个普通的蛋白质变得超级厉害，那得多有成就感呀！最后一步，就是实施改造啦！这就像是把设计图变成现实一样。
通过各种技术手段，把之前设计的方案付诸实践。
这可不是一件容易的事儿哦，需要非常精细的操作和耐心。
要是不小心出了差错，那可就前功尽弃啦！就像做一道精致的菜肴，稍有不慎味道就变了。
蛋白质工程的这四个基本步骤，环环相扣，缺一不可呀！每一步都需要我们认真对待，用心去做。
只有这样，才能让蛋白质工程发挥出它最大的作用。
你说是不是呢？这四个步骤就像是通向成功的阶梯，只有一步步踏踏实实地走上去，才能看到最美的风景。
所以呀，可别小瞧了这四个步骤哦，它们可是蛋白质工程的精髓所在呢！大家一定要好好记住呀，说不定哪天你也能成为蛋白质工程的大师呢！哈哈！。
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
蛋白质工程的概念
蛋白质工程是一门应用生物技术手段，通过物理、化学和分子生物学等技术手段对蛋白质结构基因进行修饰或改造，生物表达合成具有特定功能的蛋白质的技术。
它是基于已知蛋白质的结构与生物功能之间的关系，运用生物信息学、计算机辅助设计、生物化学和晶体学等理论和方法，通过物理、化学和分子生物学等技术手段对蛋白质结构基因进行修饰或改造，生物表达合成具有特定功能的蛋白质。
蛋白质工程的应用非常广泛，包括药物研发、食品工业、生物制药、环境保护等领域。
在药物研发中，蛋白质工程技术可以帮助科学家研究和理解蛋白质的生理和生物化学特性，开发出更有效的治疗药物。
在食品工业中，蛋白质工程技术可以用于改善食品的口感、营养价值和保质期。
在生物制药中，蛋白质工程技术可以用于生产重组蛋白、抗体等生物制品。
在环境保护中，蛋白质工程技术可以用于处理废水、废气等环境污染物。
蛋白质工程的基本流程
蛋白质工程的基本流程
蛋白质工程是将基因工程原理应用于蛋白质的研究和开发中，基本的流程如下：
1.确定目标蛋白质：定义需要被改造的目标蛋白质及其功能。
2.选择基因：从已知蛋白质序列的氨基酸基础上，选择相关的基因。
或着设计突变的基因，用于相应的目标蛋白质的生产。
3.制备表达载体：将基因克隆到表达载体中，并通过转化技术将其导入到宿主生物体中。
4.表达目标蛋白质：宿主生物体繁殖时可表达目标蛋白质。
5.蛋白纯化：蛋白质经过纯化工艺，去除其他杂质，获得高纯度蛋白质。
6.检测蛋白质：利用相应的技术对目标蛋白质进行定量、质量和活性检测。
7.改造蛋白质：对蛋白质进行改造，如点突变、插入或缺失等。
8.检测改造结果：对经过改造的蛋白质进行检测，确定改造是否成功。
9.应用：最终将改造后的蛋白质用于相关应用领域。
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。
蛋白质工程名词解释
蛋白质工程名词解释
蛋白质工程是一门应用生物技术和分子生物学原理，通过对蛋白质的基因序列进行改变和重新组合，来设计和制造具备新功能或改良功能的蛋白质的领域。
在蛋白质工程中，用于改变蛋白质的基因序列的方法包括基因突变、插入或删除特定基因片段、以及不同蛋白质之间的基因互换。
这些方法旨在改变蛋白质的结构和功能，以满足特定的应用需求。
蛋白质工程的应用范围广泛。
例如，在医药领域，蛋白质工程可以用来改良药物的效力和安全性，设计更有效的抗生素或抗癌药物，甚至用于生产重组蛋白质药物。
在农业领域，蛋白质工程可以用于改良农作物的抗病能力和适应性，提高农作物的产量和品质。
此外，蛋白质工程在工业生产中也起着重要作用，如开发新型生物催化剂、生产工艺中的酶和蛋白质纳米材料等。
蛋白质工程的发展对科学研究和应用领域带来了巨大的潜力。
通过对蛋白质结构和功能的了解，科学家能够精确地设计和构建具有特定性能和特征的蛋白质，以满足不同领域的需求。
总之，蛋白质工程是一门迅速发展的科学领域，其研究和应用有助于创造出更加智能和高效的生物技术产品，并在医药、农业和工业等领域做出贡献。
简述蛋白质工程的基本步骤
简述蛋白质工程的基本步骤
蛋白质工程是利用分子生物学和生物化学的方法对蛋白质进行人工改造，以获得具有特定功能的蛋白质分子。
它在药物研发、工业生产和农业改良等领域具有广泛应用。
蛋白质工程的基本步骤如下：
第一步：目标设定
在蛋白质工程之前，首先需要明确目标，确定想要改造的蛋白质的特性和功能。
这可以是增强蛋白质的稳定性、改善其活性、增加结合亲和力等。
第二步：设计变异
根据目标设定，设计需要引入的变异或改造。
这可以通过基因突变或基因重组技术来实现，如点突变、插入、删除、置换等。
第三步：构建表达载体
将设计好的蛋白质基因插入到适当的表达载体中，以便在宿主细胞中进行表达。
表达载体通常包括启动子、转录终止子、选择标记等。
第四步：转染或转化
将构建好的表达载体导入到宿主细胞中，通过转染或转化的方法，使其进入细胞
质中。
第五步：蛋白质表达和纯化
经过转染或转化后，宿主细胞开始表达目标蛋白质。
通过优化培养条件和选择适当的蛋白质纯化方法，可以获得高纯度的目标蛋白质。
第六步：功能验证
对蛋白质进行功能验证，例如酶活性分析、结合亲和力测定、药物筛选等。
这可以通过体外实验或体内实验来进行。
第七步：优化改良
根据功能验证结果，对蛋白质进行进一步的优化改良。
这可以包括重复前面的步骤，或者采用互补的改造策略。
蛋白质工程是一个复杂的过程，需要综合运用多种技术手段和方法。
通过不断的优化和改进，可以获得具有特定功能和优良性能的蛋白质，为科学研究和应用开辟了新的可能性。
蛋白质工程
目 标
可采取的措施 ①增加分子内二硫键
实 例
─────────────────────────── ─────────────────────────── ───────────────────────────
提高对热 稳定性
②增加分子表面盐键 ③调整分子内疏水基团 相互作用 ④增加分子内含键数量
T4溶菌酶
1、 过去常用诱导变异或从自然界筛选具有不同性 、 质的突变体的方法。 质的突变体的方法。 缺点： 缺点 ： 不能保证在获得一种有利的突变时不会损害另一优
良性能.。 良性能 。
2、蛋白质化学修饰方法。 、蛋白质化学修饰方法。 缺点：不够专一 对分子内部的一些疏水氨基酸的侧链也无 缺点： 不够专一,对分子内部的一些疏水氨基酸的侧链也无
法予以修饰。 法予以修饰。
3、化学合成。 、化学合成。 缺点： 缺点 ： 虽然可以按照人们的要求制造那些分子量不大的蛋
白质和肽类, 但对于制造分子量大于1万道尔顿的蛋白质的设想 万道尔顿的蛋白质的设想， 白质和肽类 但对于制造分子量大于 万道尔顿的蛋白质的设想， 从经济和技术上考虑, 从经济和技术上考虑 这一技术均不能满足工业用酶或蛋白质 的要求。 的要求。
1. 嵌合抗体 是应用 嵌合抗体: 是应用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 基因与人免疫球蛋白(Ig)的恒定 的可变区 区)基因与人免疫球蛋白 的恒定 区 (C区 )基因相连接 构建成嵌合基因,导入宿 区 基因相连接,构建成嵌合基因 导入宿 基因相连接 构建成嵌合基因 主细胞进行表达,制成嵌合抗体 制成嵌合抗体。 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。由于该抗体已“人 已制备了数十种嵌合抗体。由于该抗体已“ 源化” 其免疫原性已大为降低。 源化”, 其免疫原性已大为降低。在初期临床 试验中,人源化嵌合抗体能够解决一些问题 人源化嵌合抗体能够解决一些问题,且 试验中 人源化嵌合抗体能够解决一些问题 且 半衰期可以延长许多倍。 半衰期可以延长许多倍。但尚不能全部解决免 疫原性问题, 有的嵌合抗体仍引起免疫反应。 疫原性问题 有的嵌合抗体仍引起免疫反应。
蛋白质工程详细介绍蛋白质工程的方法和应用
蛋白质工程详细介绍蛋白质工程的方法和应用蛋白质工程详细介绍蛋白质工程是一种利用分子生物学和蛋白质化学的方法，对蛋白质进行定向的修饰和改造，以获得理想的蛋白质产物。
它的发展为生物药物研发和产业化提供了重要的技术支持，也为基因工程、农业生物技术等领域的发展带来了巨大的机遇。
本文将详细介绍蛋白质工程的方法和应用。
一、蛋白质工程的方法蛋白质工程的方法包括：1. 重组蛋白质表达系统：通过将目标蛋白质基因导入到适当的宿主细胞中，利用细胞的代谢途径合成目标蛋白质。
2. DNA重组技术：改变目标蛋白质的基因序列，以改变其结构和功能。
3. 非天然氨基酸插入：在蛋白质序列中插入非天然的氨基酸，改变蛋白质的性质。
4. 点突变：通过改变蛋白质特定氨基酸的编码，改变蛋白质的结构和功能。
5. 蛋白质折叠机理研究：通过研究蛋白质的二级、三级结构以及其折叠机理，为蛋白质工程提供理论基础。
二、蛋白质工程的应用蛋白质工程在许多领域有着广泛的应用，下面将介绍其中几个主要方面。
1. 生物药物蛋白质工程为生物药物的研发和产业化提供了关键技术。
通过工程改造，可以改善生物药物的稳定性、生物活性和药效持续时间等性质，提高其疗效和安全性。
蛋白质工程还可以生产重组蛋白、抗体和疫苗等生物药物，为疾病治疗提供新的手段。
2. 农业生物技术蛋白质工程在农业生物技术领域的应用主要包括转基因植物和转基因动物的产生。
通过引入外源基因，可以使植物和动物表达陌生蛋白，以改善农业产量、品质和抗逆性等特性。
蛋白质工程还可以改善植物和动物的饲料价值，提高畜禽养殖的效益。
3. 工业酶蛋白质工程在酶工业生产中有着重要的应用。
通过工程修饰，可以提高酶的催化效率、热稳定性和耐受性，从而降低生产成本，提高工业酶的使用效果。
蛋白质工程还可以创造新的工业酶，满足不同生产过程中对酶的需求。
4. 蛋白质结构与功能研究蛋白质工程在研究蛋白质结构和功能方面起到至关重要的作用。
通过蛋白质工程技术，可以合成具有特定功能的人工蛋白，深入研究蛋白质的结构与功能之间的关系。
蛋白质工程
3、 合成嵌合抗体。如：人鼠嵌合抗体抗原性显著下降 、 合成嵌合抗体。
第三节
蛋白质工程
1、蛋白质工程概念 2、蛋白质工程原理、步骤 3、蛋白质的分子设计 1）小范围改造 如：T4溶菌酶、速效胰岛素 2）拼接组装 如：人鼠嵌合抗体 3）从头设计 4、蛋白质工程的应用 1）提高蛋白质的稳定性 2）改变蛋白质的活性 3）合成嵌合抗体
二、蛋白质工程原理、步骤 蛋白质工程原理、
基因表达流程图 基因表达流程图
蛋白质工程流程图 蛋白质工程流程图 工程流程
1. 从预期的蛋白质功能出发 从预期的蛋白质功能 功能出发 2. 设计预期的蛋白质结构 设计预期的蛋白质结构 3. 推测应有的氨基酸序列 推测应有的氨基酸 氨基酸序列 4. 找到相应的脱氧核苷酸序列 找到相应的脱氧核苷酸 脱氧核苷酸序列
（1）获得②一般用 人工合成基因 的方法，①和②结合能形 ______的方法 的方法， ）获得② 最重要的是① 成③，最重要的是①和②经处理后具有 相同的黏性末端 。 （2）在⑤→⑥过程中，获得抗病基因的金茶花细胞将经历 ） ⑥过程中， 脱分化和 再分化 _____和 过程后才能形成⑦ 过程后才能形成⑦。 （3）抗枯萎病金茶花的培育成功说明一种生物的基因表达系统 ） 脱氧核苷酸序列（遗传信息或碱基序列） 脱氧核苷酸序列 能够识别来自另一种生物的DNA的________。（遗传信息或碱基序列） 能够识别来自另一种生物的 的 。 （4）欲快速培育大量该抗病新品种，应该采用的技术是 ）欲快速培育大量该抗病新品种， 植物组织培养 ____________________。通过转基因方法获得的抗病金茶花， 。通过转基因方法获得的抗病金茶花， 将来产生的配子中是否一定含有抗病基因？ 将来产生的配子中是否一定含有抗病基因？ 不一定 。
蛋白质工程简介
蛋白质改造
01
02
03
氨基酸替换
通过改变蛋白质中特定氨 基酸的类型，以改善其功 能或性质。
肽链剪切
将肽链中的一部分切除或 替换，以产生具有更好性 能的蛋白质。
基因敲除或敲入
通过基因工程技术，将目 标基因从蛋白质编码基因 组中删除或插入，以改变 蛋白质的结构和功能。
蛋白质从头设计
总结词：实践应用
详细描述：该书不仅介绍了蛋白质工程的基本原理和方法，还详细介绍了其在各个领域的应用和实践，为读者提供了理论与 实践相结合的学习体验。
THANK YOU
蛋白质特异性不高等
蛋白质工程中，提高蛋白质特异性和功能是重要挑战之一 。解决方案包括合理设计氨基酸序列、引入突变或使用噬 菌体展示技术等。
蛋白质工程的发展趋势与前景
发展潜力巨大
蛋白质工程作为生物技术领域的重要分支，具有 广泛的应用前景。未来，蛋白质工程将为医药、 农业、能源和环境等领域带来更多创新和突破。
特定功能的蛋白质。
优化
通过重复筛选和突变体的产生， 逐步优化蛋白质的性能，提高其
与抗体的亲和力。
04
蛋白质工程的应用案例
蛋白质工程用于药物设计
蛋白质工程用于药物设计时，可以针对已知的靶点设计出高 活性的药物分子。例如，通过蛋白质工程改造抗体，使其具 有更强的抗肿瘤效果或者更低的副作用。
蛋白质工程还可以优化药物的代谢性质，提高药物的生物利 用度，降低药物的毒副作用。例如，通过蛋白质工程技术改 变药物的代谢途径，减少药物在体内的积累，降低药物的毒 副作用。
工业领域
蛋白质工程在工业领域的应用主要包括生物催化、生物材料、生物信息 等方面。例如，通过蛋白质工程改造酶类，提高其催化效率和特异性， 用于化工、制药等领域。
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
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
高级改造：蛋白质分子的剪裁，如结构域的拼接 从头设计合成新型蛋白质
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。
➢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。
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
与质粒 连接
感染 E.coli
(A)n 胰岛素原mRNA cDNA
重组质粒
mRNA
转化细菌
第四节 蛋白质工程在食品中的应用
蛋白质工程自问世以来，短短十几年的时间，已取得 了引人瞩目的进展，在医学和工业用酶方面也获得了 良好的应用前景。 ➢提高蛋白的稳定性包括以下几个方面： ①延长酶的半衰期； ②提高酶的热稳定性； ③延长药用蛋白的保存期； ④抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失。
“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，总部设在北京，目前有16个国家和地区的80多个 实验室报名参加。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。
生物工程的蛋白质工程
生物工程的蛋白质工程生物工程的蛋白质工程是指利用基因工程等方法对蛋白质进行设计、合成和改良的一门学科。
蛋白质工程的目的是通过改变蛋白质的结构、功能或性质，实现对生物体生长、代谢等过程的调控，从而获得具有特定功能或性能的精确控制的蛋白质。
一、蛋白质工程的意义蛋白质作为生物体中最重要的宏观有机分子之一，扮演着多种重要生理功能的角色。
通过对蛋白质的工程处理，可以实现许多有益的应用，如：1. 药物开发与治疗：蛋白质工程可以用于开发新药物，并改善现有药物的治疗效果。
通过工程处理蛋白质，可以增加其稳定性、活性和药代动力学性质，提高药物的治疗效果和稳定性。
2. 生命科学研究：蛋白质工程可以用于研究生物体的生理过程和分子机制。
通过改变蛋白质的结构和功能，可以揭示生命科学中复杂的分子互作关系和信号传递途径，为理解生物系统的运作机制提供了重要工具。
3. 工业应用：蛋白质工程可以用于开发生物制造工艺中的酶催化系统，提高生产效率和产物质量。
利用工程处理后的蛋白质，可以设计新的酶催化反应，实现环境友好型的高效生产过程。
4. 农业领域：蛋白质工程可以用于改良植物和动物的性状，提高农作物的产量和抗病虫害能力，改善畜禽育种品种的性能。
二、蛋白质工程的方法蛋白质工程的方法主要包括以下几种：1. 合成基因：通过合成基因技术，可以设计和合成具有特定序列的蛋白质基因。
合成的基因可以经过进一步的改造和表达，得到具有特定功能的蛋白质。
2. 蛋白质改造：通过对蛋白质的序列、结构和功能进行改变，可以得到具有不同性质的蛋白质。
这可以通过遗传工程手段，如点突变、插入或删除等，来实现。
3. 蛋白质表达：通过利用多种表达系统，如大肠杆菌、酵母、动物细胞等，可以高效地表达和生产目标蛋白质。
4. 蛋白质折叠和修饰：蛋白质在细胞表达过程中会发生折叠和修饰。
通过控制折叠条件和改变修饰酶的表达，可以获得具有良好稳定性和活性的蛋白质。
5. 结构预测和设计：通过计算机模拟和预测方法，可以推测蛋白质的结构和功能。
二、蛋白质工程
（4）保存
• 超低温冻存或－196℃的液氮中保存
(5)应用
• 生产生物制品：病毒疫苗、干扰素、单 克隆抗体、酶、生长因子等
2、动物细胞融合
• 也称 细胞杂交
⑴、概念：是指两个或多个动物细胞结合 形成一个细胞的过程 细胞融合技术： 用人工方法诱导细胞融合， 并在一定条件下使融合细 胞分化再生、形成新物种 或新品种的过程
甲 乙
f
不遵循，多莉羊的多数性状
象c羊，个别性状象d羊，发育也会受到f羊影响。
判断
1、蛋白质工程的实质就是通过改变其结构而达到改变其功 能的过程( ) 2、蛋白质工程在基因工程的基础上发展起来 的（ ） 3、 构建新的蛋白质模型是蛋白质分子设计的关键 （ ） 4、蛋白质工程是基因工程的基础（ ） 5、动物细胞培养就是让细胞分化、增殖（ ）
c
f 乙
（5）在产生多莉羊时，需 将e细胞形成的早期胚胎入 a 另一头母羊（f）子宫里， 这种技术在细胞工程中叫 胚胎移植 （6）继植物组织培养后， e 克隆绵羊的培育成功，证 明动物细胞核也有 全能性
b
d
c
（7）在繁殖多莉羊的过程 中，是否遵循孟德尔遗传 规律？多莉羊的性状与d羊、 c羊及f羊的关系是什么？
克隆： 无性繁殖
抗体： 抗原→B细胞→抗体
特异性结合
单 克 隆 抗 体 制 备 过 程
单克隆抗体的特点
• 特异性强、灵敏度高、并能大量制备
单克隆抗体的应用
• 应用: 疾病的诊断、治疗和预防。 • 优点:特异性强、灵敏度高。 • 实例: 1、各种癌症、肝炎病毒、SARS病毒、细菌 及血吸虫等数百种疾病的诊断； 2、在疾病治疗方面，单克隆抗体犹如人体卫士, 能识别“自己”与“异己”，一旦发现 致病 因素便与之结合将其杀死。 3、若在单抗上带上抗癌药物制成“生物导弹”， 将药物定向带到癌细胞所在部位，既消灭了癌 细胞又不会伤害健康细胞。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
蛋白质工程的现状发展及展望摘要: 蛋白质工程是用分子生物学手段对蛋白质进行分子改造的技术。
介绍了蛋白质工程的几种常用方法及其基本原理和研究进展。
关键词: 蛋白质工程;定点诱变; 定向进化20世纪70年代以来, 对蛋白质的分子改造渐渐进入研究领域, 通过对蛋白质分子进行突变, 得到具有新的表型和功能或者得到比原始蛋白相对活力更高的突变体,对蛋白质的分子改造技术逐渐纯熟。
蛋白质工程的主要技术分为理性进化和非理性进化,已经在农业、工业、医药等领域取得了较大的进展。
1.理性进化理性进化主要是利用定点诱变技术, 通过在已知DNA序列中取代、插入或缺失一定长度的核苷酸片段达到定点突变氨基酸残基的目的。
运用该技术已有不少成功改造蛋白质的例子。
Markus Roth通过同源性比对和定点突变技术, 对EcoR DNA甲基化酶进行改造,使其对胞嘧啶的亲和性增加了22倍。
定点突变还主要应用于蛋白质结构和功能的研究方面。
酰基载体蛋白(ACP)的主要作用是在单不饱和脂肪酸的特定位置引入双键, Caho通过定点突变研究, 发现将五个氨基酸残基置换之后的酶, 由6- 16 : 0- ACP脱氢酶变成9- 18 : 0- ACP脱氢酶。
Van den Burg利用蛋白同源建模和定点突变技术结合的方法将从Bacillus stear other mophilus分离出来的嗜热菌蛋白酶突变, 得到的突变体稳定性提高了8倍, 100 在变性剂存在的情况下还能发挥作用,但是大部分单个氨基酸的改变对于整个蛋白的影响比较小,很难在高级结构上改变蛋白质的三级结构, 从而造成很大的影响, 所以在定点突变的基础上又出现了许多新的技术, 用于改造蛋白质分子。
[1] DNA改组( DNA shuffling)技术克服了随机突变的随机性较大的限制,能够直接将多条基因的有利突变直接重组到一起, 它的原理是使用DNase I酶切或超声波断裂多条具有一定同源关系的蛋白编码基因, 这些小片段随机出现部分片段的重叠, 产生的片段在不加引物的情况下进行几轮PCR,通过随机的自身引导或在组装PCR过程中重新组装成全长的基因, 由于存在不同的模板, 使得到的全长基因具有不同谱系之间的重组, 再进行最后一轮PCR,加入全长引物, 扩增得到改造过的全长基因。
利用DNA改组已成功进化了编码内酰胺酶、葡萄糖苷酶、脂肪酶、绿色荧光蛋白、烷基转移酶、苯甲基脂酶基因以及编码砷酸盐和阿特拉津降解酶的整个操纵子。
[3]在DNA改组技术的基础上又发展出外显子改组(exon shuffling)和家族改组(family shuffling)。
外显子改组是靠同一种分子间内含子的同源性带动, 而使DNA改组不受任何限制, 发生在整个基因片段上, 更适用于真核生物,并可获得各种大小的随机文库。
交错延伸重组(stagger edextensi on process , StEP)是一种简化的DNA shuffling方法,是在PCR 反应中, 将含不同点突变的模板混合, 随之进行多轮变性、短暂复性及延伸反应, 在每一轮中, 那些部分延伸的片段可以随机地杂交到含不同突变的模板上继续延伸,由于模板转换而实现不同模板间的重组, 如此重复直至获得全长基因片段。
RPR 法(Random-Prmiing Recombi nation DNA Shuffling)是以单链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, 它们互为引物进行合成, 伴随组合, 再组装成完整的基因长度。
过渡模板随机嵌合(random chmiera genesis on transient templates, ACHITT)技术是改进的基因改组技术, 不包括热循环、链转移或交错延伸反应, 而是将随机切割的基因片段杂交到一个临时DNA模板上进行排序、修剪、空隙填补和连接, 其中的悬垂切割步骤可使短片段得以重组,提高重组的频率和密度。
体外异源杂交和体内修复,这种方法首先在体外进行异源杂交DNA双链, 转化细菌, 在胞内完成修复, 同时产生出一种新的以亲本DNA为模板的杂交DNA文库,这是对DNA Shuffling等已存在的基因重组方法的补充, 特别适用于大片段DNA和整个操作子的重组, 但是这种方法需要亲本基因具有极高的同源性,而且每次重组只能进行两个亲本,这也在一定程度上限制了它的应用。
[4] -[5]通过同源重组或随机突变产生的蛋白突变体一定程度上都是依照模板蛋白进行的,它们与模板蛋白的相似程度较大, 而非同源重组(Nonhomologous Recombination )能够产生完全不同于模板的新的蛋白质, 新的蛋白可能在自然界中并不存在, 为研究进化蛋白提供了潜在的可能性,很多种方法可以进行非同源重组, 如杂交酶递增切断技术( Incre mental truncati on for the creation of hybrid enzymes ,I TCHY)可以产生由基因氨基端和羧基端杂交形成的嵌合体基因库。
该法首先用核酸外切酶代替DNase I分别消化两种基因建立ITCHY库(I TLs) , 对靶序列末端基因完全删除, 并通过降低切断温度、改变消化缓冲液浓度和加入酶抑制剂等方法改变外切酶在37℃消化过快的问题。
最后将两种I TLs混合后进行DNA改组建立SCRATC HY库(shuffled I TC HY libraries)。
[5]这项技术降低了家族改组对同源性的要求, 使家族DNA改组的概念和应用得到了进一步深化和延伸, 并在其他领域得到有效的运用。
Griswold等将序列同源性仅54.3%、且对底物的专一性不同的人类和大白鼠类GST酶进行家族改组,利用I TCHY技术对两者的同源编码基因进行融合重组, 获得的重组表达蛋白SCR23活性是人类GST酶的300倍, 时突变体酶还获得了催化谷胱甘肽和利尿酸结合的合成酶活性。
[6]- [7]3. 展望蛋白质工程作为分子生物学水平上对蛋白质结构和功能进行改造的手段已经受到越来越多的研究人员的关注, 并且其应用广泛, 目前已经在蛋白质药物、工业酶制剂、农业生物技术、生物代谢途径等等研究领域取得了很大进步。
在分子生物学手段日益发展的今天, 新的蛋白质工程手段逐渐面世, 对于蛋白质分子改造起到了极其重要的作用, 通过这种手段提高蛋白质的特性如热稳定性、耐酸性、耐碱性等仍然是目前的重要研究方向。
[8]3.1医用蛋白质工程利用生物细胞因子进行人类疾病治疗的独到作用已越来越被人们重视, 基因工程技术诞生后首先就被用于人生长激素释放抑制因子、胰岛素等医用蛋白质产品开发,大大降低了用于治疗的成本。
利用大肠杆菌进行真核生物蛋白质表达会遇到生物活性低等问题, 解决这些问题的出路一是研究开发新的表达系统, 如酵母、哺乳动物细胞等,这方面已取得很大的成效。
另一方面就需要借助蛋白质工程, 如利用分子设计和定点突变技术获得胰岛素突变体的工作国内外都取得了相当多的成果, 此外, 干扰素、尿激酶等蛋白质工程也都取得进展, 即将得到长效、速效、稳定、作用更广的蛋白质药物。
医用蛋白质的市场广大, 待开发的产品也非常之多。
此外, 利用蛋白质工程技术进行分子设计, 通过肽模拟物(peptidomimetics)构象筛选药物等方面研究更加丰富了蛋白质工程的内容。
[9] 3.2工业用酶的蛋白质工程以酶的固定化技术为核心的酶工程是本世纪继生物发酵工程后又一次创造出巨大工业应用价值的现代生物工程技术, 蛋白质工程在这一领域应用可以说前景最看好。
通过酶的结构或局部构象调整、改造, 可大大提高酶的耐高温、抗氧化能力, 增加酶的稳定性和适用pH 范围, 从而获得性质更稳定、作用效率更高的酶用于食品、化工、制革、洗涤等工业生产中, 这方面已取得了许多成功的先例, 如食品工业中用于制备高果糖浆的葡萄糖异构酶, 用于干酷生产的凝乳酶, 用于洗涤工业的枯草杆菌蛋白酶等蛋白质工程产品都将开发使用。
[10]3.3病毒疫苗的蛋白质工程疫苗在病毒等病原引起的人及畜禽传染性疾病的预防中起着不可替代的作用, 从制备疫苗的途径来说已有几代产品, 目前如乙肝等基因工程疫苗已开始得到应用。
通过抗原移植、构建各种颗粒体、活载体及多价疫苗的研究已经成为生物技术领域的研究热点, 但也遇到一些问题, 主要是移植抗原三级结构没有完全恢复天然状态, 因而使得抗原性不够理想。
蛋白质工程技术将在今后的疫苗改造中发挥重要的作用, 不但可使抗原性得到最大的提高, 还可使重组疫苗抗病作用更加广泛。
近年来越来越多的病毒精细结构的阐明正在为开展蛋白质工程奠定基础。
3.4抗体的蛋白质工程抗体不仅在哺乳动物机体中担负着重要的体液免疫功能, 还在医学、生物学免疫诊断中被广泛地应用。
本世纪证明了抗体是一类免疫球蛋白, 并相继阐明了抗体产生及其多样性的细胞和分子机制, 使免疫学研究成为生命科学前沿领域。
同时抗体的制备技术也经历着一次又一次革命, 由血清抗体到杂交瘤单克隆抗体, 再到基因工程抗体库技术, 可谓日新月异。
单克隆抗体给人类疾病的药物导向治疗带来了曙光, 但应用上遇到鼠抗体对人具有免疫原作用的问题, 蛋白质工程已成功用于解决这个问题。
通过结构分析表明, 抗体可变区内具有 6 个互补决定区(CDR )起与抗原结合作用, 其它区域做为支架(FR )维持构象, 通过CDR 移植已构建了30多种改型的人源化鼠抗, 并通过序列分析比较和计算机模拟进行分子设计, 对FR 区特定碱基进行替换, 保证了改型后抗体亲和力不下降, 这种抗体有人称之为第二代基因工程抗体, 亦即蛋白质工程抗体。
可以相信, 蛋白工程在未来改造抗体中还将发挥更大作用, 目前有人研究通过抗体的多样性从抗体库中筛选具有酶活性的分子, 从而得到抗体酶。
[11]3.5分子生物学基础研究及其它以上提到的只是蛋白质工程应用上的几个具有代表性的领域, 实际上它的作用远非如此。
随着蛋白质工程研究对象的扩大和技术的成熟, 其应用领域也将不断拓宽, 除用于直接生产蛋白质产品外, 也将通过操作生物体内蛋白质而获得特定的生物性状。
有人根据植物叶绿体中1,5 二磷酸核酮糖羧化酶、加氧酶双重活性, 提出通过蛋白质工程途径提高其还原能力、降低氧化能力从而提高光合效率的设想, 目前进行了大量探索工作, 一旦成功必将给农业生产带来巨大的效益。
参考文献[1] Roth, M and A Jeltsch , Changing t he target base specificity of the EcoRV DNA methyltrans ferase by rational de novo protein - design 2001: 3137- 3144[2] Cahoon , E B , et al , Redesign of soluble fatty acid desaturases from plants for altered substrate specificity and double bond position 1997: 4872- 4877[3] Van den Burg , Betal , Engineering an enzyme to resistboiling 1998: 2056- 2060[4] 孙毅. 蛋白质工程的研究进展及前景展望[J]. 科技情报开发与经济, 2006,(09) .[5] 唐建国,茹炳根,徐长法,胡美浩,朱圣庚. 蛋白质工程的研究[J]. 北京大学学报(自然科学版), 1998,(Z1) .[6] 李强,施碧红,罗晓蕾,左祖祯,邢佩佩,刘璐. 蛋白质工程的主要研究方法和进展[J]. 安徽农学通报(上半月刊), 2009,(05) .[7] 林瑞凤,舒正玉,薛龙吟,江欢,黄建忠. 微生物脂肪酶蛋白质工程[J]. 中国生物工程杂志,2009,(09) .[8] 王娇. 基因工程技术的现状和前景发展[J]. 河南化工, 2010,(04) .[9] 殷震, 等.免疫原移植与病毒载体疫苗.生物工程进展,1993114 (2) :23 ～26[10] 刘喜富, 等.基因工程抗体研究进展. 生物工程进展,1994114 (1) :54 ～58[11] 李雄彪, 等.与粮农相关的植物蛋白质工程.生物工程进展,1993114 (3) :1～5。