1序论——蛋白质与酶工程
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在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业 生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自 然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这 是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。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非 常重要的课题。
大肠杆菌中进行表达
人的干扰 素的cDNA
问题 分析 原因 解决
天然产品的十分之一
抗病毒活性为 10^6 U/mg
虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多， 但多数是以无活性的二聚体形式存在。? β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位） 推测：不正确的二硫键 将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸
蛋白质工程的诞生
基因工程诞生10周年之际著名科学家Kevin M.Ulmer
于1983年在SCIENCE(VOL.219)发表了论文 « Protein Engineering» ,该文的摘要是: The prospects for protein engineering ,including the roles of x-ray crystallography,chemical synthesis of DNA ,and computer modeling of protein structure and folding,are discussed.It is now possible to attempt to modify many different properties of proteins by combining information on crystal structure and protein chemistry with artificial gene synthesis.Such techniques offer the potential for altering protein structure and function in ways not possible by any other method. 该文的发表标志着作为生物工程三大技术之一的蛋 白质工程诞生了。 1
而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白 质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展， 其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白 质工程的一部分。
13
酶工程领域的未来研究热点
• 一、微生物酶源是酶工程研究的主源流
• 二、以基因工程和蛋白质工程改造和设计 酶是革命性导向 • 三、酶法转化、折分合成手性药物及精细 化合物 • 四、构建新酶———抗体酶、核酶及人工 合成酶是一个前沿生长点
白质工程最根本的目标之一。
3
3、蛋白质工程的定义
定义
目前，蛋白质工程尚未有统一的定义。
一般认为，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。实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化， 蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基 因重组或其它手段改造或创造蛋白质。
从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、
结果
抗病性活性提高到10^8 U/mg，并且比天然β干扰素的贮存稳定性高很多。
7
（二）思考与探究
蛋白质工程为什么能够迅猛崛起？ 蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工 程有什么不同？ 什么是酶工程？绝大多数酶都是蛋白质， 酶工程与蛋白质工程有什么区别？
8
基因工程是遵循中心法则
DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能
• 固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引 起的某些功能的衰竭等。
• 日常生活中所见到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更 是酶工程最直接的体现。
12
酶工程与蛋白质工程的区别
通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂， 而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然 后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等 步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理 充分利用；
一、绪论
1、蛋白质与酶工程产生背景
“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对 基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研 究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作 用。 2、蛋白质工程和酶工程是基因工程的
一个重要组成部分，或者说是新一 代的基因工程。原因：
A、基因工程手段是蛋白质与酶工程改造 的主要手段； B、基因工程的最终目的是获得有益的蛋 白质或酶产物。
1、 蛋白 质工 程为 什么 能够 迅猛 崛起？
2）而结构生物学对大量蛋白质分子的精确 立体结构及其复杂的生物功能的分析结果， 为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。 3）以定点突变为中心的基因操作技术为蛋 白质工程提供了手段。
举例
通过蛋白质工程来提高重组β-干 扰素专一活性和稳定性。
干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。
10
酶工程 • 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，
借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗
诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括 地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面 组成的。
11
酶工程的应用
主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。 • 举例： • α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个 酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖 浆； • 蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；
2
（一）蛋白质工程
1、蛋白质工程是一门综合学科
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。
2、研究内容主要有两个方面：
A、根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质； B、确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。 在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生 物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋
14
生物技术的四大支柱
生 物技术 （ ห้องสมุดไป่ตู้物工程）
基因工程
细胞工程
酶工程
发酵工程
15
课后作业
• 1、蛋白质工程、酶工程的定义？ • 2、蛋白质工程与酶工程的区别与联系？ • 3、蛋白质工程操作程序的基本思路与基因 工程有什么不同？
16
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。
4
（二）思考与探究
1、蛋白质工程为什么能够迅猛崛起？
2、蛋白质工程操作程序的基本思路与基 因工程有什么不同？
3、什么是酶工程？绝大多数酶都是蛋白 质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？
5
原因：
1）工业生产和基础理论研究的需要。
基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
蛋白质工程是按照以下思路进行的：
确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构
→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列
→应有的碱基排列 可以创造自然界不存在的蛋白质。
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（三）思考与探究
• 蛋白质工程为什么能够迅猛崛起？ • 蛋白质工程操作程序的基本思路与基因 工程有什么不同？ • 什么是酶工程？绝大多数酶都是蛋白质， 酶工程与蛋白质工程有什么区别？
大肠杆菌中进行表达
人的干扰 素的cDNA
问题 分析 原因 解决
天然产品的十分之一
抗病毒活性为 10^6 U/mg
虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多， 但多数是以无活性的二聚体形式存在。? β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位） 推测：不正确的二硫键 将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸
蛋白质工程的诞生
基因工程诞生10周年之际著名科学家Kevin M.Ulmer
于1983年在SCIENCE(VOL.219)发表了论文 « Protein Engineering» ,该文的摘要是: The prospects for protein engineering ,including the roles of x-ray crystallography,chemical synthesis of DNA ,and computer modeling of protein structure and folding,are discussed.It is now possible to attempt to modify many different properties of proteins by combining information on crystal structure and protein chemistry with artificial gene synthesis.Such techniques offer the potential for altering protein structure and function in ways not possible by any other method. 该文的发表标志着作为生物工程三大技术之一的蛋 白质工程诞生了。 1
而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白 质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展， 其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白 质工程的一部分。
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酶工程领域的未来研究热点
• 一、微生物酶源是酶工程研究的主源流
• 二、以基因工程和蛋白质工程改造和设计 酶是革命性导向 • 三、酶法转化、折分合成手性药物及精细 化合物 • 四、构建新酶———抗体酶、核酶及人工 合成酶是一个前沿生长点
白质工程最根本的目标之一。
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3、蛋白质工程的定义
定义
目前，蛋白质工程尚未有统一的定义。
一般认为，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。实际上蛋白质工程包括蛋白质的分离纯化， 蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基 因重组或其它手段改造或创造蛋白质。
从广义上来说，蛋白质工程是通过物理、
结果
抗病性活性提高到10^8 U/mg，并且比天然β干扰素的贮存稳定性高很多。
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（二）思考与探究
蛋白质工程为什么能够迅猛崛起？ 蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工 程有什么不同？ 什么是酶工程？绝大多数酶都是蛋白质， 酶工程与蛋白质工程有什么区别？
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基因工程是遵循中心法则
DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能
• 固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引 起的某些功能的衰竭等。
• 日常生活中所见到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更 是酶工程最直接的体现。
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酶工程与蛋白质工程的区别
通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂， 而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然 后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等 步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理 充分利用；
一、绪论
1、蛋白质与酶工程产生背景
“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对 基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研 究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作 用。 2、蛋白质工程和酶工程是基因工程的
一个重要组成部分，或者说是新一 代的基因工程。原因：
A、基因工程手段是蛋白质与酶工程改造 的主要手段； B、基因工程的最终目的是获得有益的蛋 白质或酶产物。
1、 蛋白 质工 程为 什么 能够 迅猛 崛起？
2）而结构生物学对大量蛋白质分子的精确 立体结构及其复杂的生物功能的分析结果， 为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。 3）以定点突变为中心的基因操作技术为蛋 白质工程提供了手段。
举例
通过蛋白质工程来提高重组β-干 扰素专一活性和稳定性。
干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。
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酶工程 • 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，
借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗
诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括 地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面 组成的。
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酶工程的应用
主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。 • 举例： • α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个 酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖 浆； • 蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；
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（一）蛋白质工程
1、蛋白质工程是一门综合学科
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。
2、研究内容主要有两个方面：
A、根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质； B、确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。 在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生 物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋
14
生物技术的四大支柱
生 物技术 （ ห้องสมุดไป่ตู้物工程）
基因工程
细胞工程
酶工程
发酵工程
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课后作业
• 1、蛋白质工程、酶工程的定义？ • 2、蛋白质工程与酶工程的区别与联系？ • 3、蛋白质工程操作程序的基本思路与基因 工程有什么不同？
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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。
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（二）思考与探究
1、蛋白质工程为什么能够迅猛崛起？
2、蛋白质工程操作程序的基本思路与基 因工程有什么不同？
3、什么是酶工程？绝大多数酶都是蛋白 质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？
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原因：
1）工业生产和基础理论研究的需要。
基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
蛋白质工程是按照以下思路进行的：
确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构
→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列
→应有的碱基排列 可以创造自然界不存在的蛋白质。
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（三）思考与探究
• 蛋白质工程为什么能够迅猛崛起？ • 蛋白质工程操作程序的基本思路与基因 工程有什么不同？ • 什么是酶工程？绝大多数酶都是蛋白质， 酶工程与蛋白质工程有什么区别？