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。
高中生物苏教版选修三课件第一章第三节蛋白质工程
(4)治癌酶的改造：癌症的基因治疗分两个方面：药物作用于 癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化 学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。通过改造治疗癌症的 酶，能够达到更好的治疗效果。
(5)嵌合抗体和人缘化抗体：通过蛋白质工程对抗体进行改 造，增强机体的免疫力。
以对概念的比较分析为依据，考查基 因工程和蛋白质工程的异同
蛋白质工程的应用
1．提高酶的热稳定性 方法一：将酶分子中的天__门__冬__酰__胺__和_谷__氨__酰__胺__转变为其他 氨基酸。 方法二：在蛋白质分子中引入_二__硫__键__。
2．生物工程制药 (1)实例1：鼠源杂交瘤抗体的改造。 ①改造方法：在_基__因__水平上对抗体进行重组，产生人恒定区 和鼠可变区嵌合抗体。 ②结果：对人体的不良反应_减__少__。 (2)实例2：对t-PA的改造。 ①t-PA功能：溶解_血__栓__块__，医治心肌梗死等疾病。 ②改造方法：将t-PA分子中的天门冬酰胺替换为_谷__氨__酰__胺__。 ③结果：t-PA在_血__液__循__环__中停留时间_大__大__延__长__，疗效更加 显著。
改善蛋白质的性质和功能
1．对天然蛋白质进行改造，是通过直接对蛋白质分子进行 操作来实现的吗？
提示：不是，由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构 进行设计改造，最终必须通过改造基因来完成。
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？ 提示：基因工程是按照中心法则进行的：基因→表达(转录和 翻译)→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→ 行使生物功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工 程却与之相反，一般是先创造出适合人类需求的新基因，然后使 其表达出具有特定结构和功能的蛋白质。蛋白质工程可以创造出 自然界不存在的蛋白质。
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。
蛋白质工程定义
蛋白质工程定义介绍蛋白质工程是一门综合学科，涉及到生物学、生物化学、生物信息学等多个领域。
蛋白质工程的目标是通过合成或改造蛋白质的结构和性质，开发出具有特定功能的新型蛋白质。
蛋白质工程在药物研发、生物能源、农业和环境保护等领域具有广泛的应用前景。
蛋白质工程的起源和发展蛋白质工程起源于20世纪70年代，当时科学家们开始尝试通过改变蛋白质的氨基酸序列来改变其性质。
随着技术的进步，研究人员可以通过基因工程的手段来合成具有特定性质的蛋白质。
1982年，第一个通过基因工程合成的人类蛋白质——胰岛素成功问世，这标志着蛋白质工程的重要突破。
蛋白质工程的方法和技术蛋白质工程利用多种方法和技术来实现对蛋白质的改造，其中常用的包括：1. 随机突变通过人工合成或随机突变的方式，改变蛋白质的氨基酸序列，进而改变蛋白质的结构和功能。
这种方法常用于寻找具有新功能的蛋白质。
2. 有针对性的突变通过对蛋白质的氨基酸序列进行有选择性的突变，例如点突变、插入突变和缺失突变，可以改变蛋白质的稳定性、抗原性以及其他性质。
3. 蛋白质摘要和重组将两个或多个蛋白质的功能单元进行重新组合，可以获得具有新特性的重组蛋白质。
4. 手性选择通过合成手性选择性的氨基酸或引入特定的修饰基团，改变蛋白质的手性结构，并调节其生物活性。
5. 蛋白质折叠和组装通过调控蛋白质的折叠和组装过程，可以控制蛋白质的结构和功能。
这种方法常用于改善蛋白质的稳定性和可溶性。
蛋白质工程在药物研发中的应用蛋白质工程在药物研发中发挥着重要作用。
通过对药物靶点蛋白质的改造，可以提高药物的选择性和疗效，减少副作用。
同时，蛋白质工程还可以用于合成新型药物载体和药物传递系统，提高药物的稳定性和药效。
蛋白质工程在生物能源领域的应用蛋白质工程在生物能源领域也有广泛的应用。
通过改造酶和微生物的代谢途径，可以提高生物能源的产量和转化效率。
蛋白质工程还可以用于合成新型酶类催化剂，提高能源生产过程中的反应速率和选择性。
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。
蛋白质工程含义
蛋白质工程含义1.蛋白质工程：蛋白质工程是一门高级分子生物学技术，它涉及许多方面，包括蛋白质的结构、生物化学和功能、蛋白质的设计、合成、表达和表征。
蛋白质工程可以通过改变蛋白质的结构和功能实现对其作用的调控。
有了蛋白质工程的发展，研究人员可以以更简单、更快、更准确的方式来设计和合成新的蛋白质，从而更好地利用生物体的基因组。
2.蛋白质工程的设计：蛋白质工程设计包括两个主要部分：蛋白质结构设计和蛋白质功能设计。
蛋白质结构设计是指人工设计和合成新的蛋白质结构，使其最适合该蛋白质的应用领域；蛋白质功能设计是指根据特定应用的要求，改变蛋白质的结构和特性，实现蛋白质的功能调控。
3.蛋白质工程的表达：蛋白质工程表达是指将新设计的蛋白质通过受试生物系统表达出来，以便对蛋白质结构和功能进行测试。
常用的受试生物可以是真核生物，如果你要进行后续研究，可以有人工合成的抗原，也可以有哺乳动物的基因组评价、基因组修饰或基因编辑等等，这些都是受试生物系统的表达。
4.蛋白质工程的表征：蛋白质工程的表征是指对蛋白质进行性状分析，具体包括测量蛋白质的纯度水平、分子量、细胞表达量、子实验和域结构等等，这些特性都都受到设计、表达、纯化和亲和结构等因素的影响，有助于充分理解蛋白质的性质，并有助于新型蛋白质药物的开发。
5.蛋白质工程的应用：蛋白质工程技术广泛应用于生物技术领域，它可以用于调控抗原的表达、发现新函数的蛋白质、改善蛋白质的特性、开发新的抗体药物、基因疗法的发现和分子诊断等，都有助于改善健康水平，提高人类生活质量。
由于蛋白质工程的应用越来越广泛，它已经成为生物技术的重要组成部分，并逐步在医学领域、农业生物技术领域以及环境污染控制领域取得了巨大成就。
第三章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用
第4节 蛋白质工程的原理和应用 1．蛋白质工程 (1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2)手段：通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。
(3)目的：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。
(4)困难：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。
2．蛋白质工程崛起的缘由(1)崛起缘由①基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
②基因工程的不足：基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
③天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
(2)实例：提高玉米赖氨酸含量天冬氨酸激酶(第352位的苏氨酸)――→改造天冬氨酸激酶(异亮氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位的天冬酰胺)――→改造二氢吡啶二羧酸合成酶(异亮氨酸) 改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。
3．蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的基本思路：预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
4．蛋白质工程的应用(1)医药工业方面①科学家通过对胰岛素基因的改造，研发出速效胰岛素类似物产品。
②干扰素(半胱氨酸)――改造干扰素(丝氨酸) 体外很难保存 体外－70 ℃下可以保存半年③人－鼠嵌合抗体：降低免疫反应强度。
(2)其他工业方面利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
(3)农业方面①科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
②科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，增强微生物防治病虫害的效果。
【强化记忆】1. 蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因有：(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。
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
一、蛋白质工程1、蛋白质工程的概念利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。
途径：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（基因）2、蛋白质工程的研究内容a.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。
三维空间结构的测定是验证蛋白质设计的假设即证明是新结构改变了原有生物功能的必需手段。
晶体学的技术在确定蛋白质结构方面有了很大发展，但是最明显的不足是需要分离出足够量的纯蛋白质（几毫克～几十毫克），制备出单晶体，然后再进行繁杂的数据收集、计算和分析。
另外，蛋白质的晶体状态与自然状态也不尽相同，在分析的时候要考虑到这个问题。
核磁共振技术可以分析液态下的肽链结构，这种方法绕过了结晶、X－射线衍射成像分析等难点，直接分析自然状态下的蛋白质的结构。
现代核磁共振技术已经从一维发展到三维，在计算机的辅助下，可以有效地分析并直接模拟出蛋白质的空间结构、蛋白质与辅基和底物结合的情况以及酶催化的动态机理。
从某种意义上讲，核磁共振可以更有效地分析蛋白质的突变。
国外有许多研究机构正在致力于研究蛋白质与核酸、酶抑制剂与蛋白质的结合情况，以开发具有高度专一性的药用蛋白质。
b. 结构、功能的设计和预测根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据，可以预测一定氨基酸序列肽链空间结构和生物功能；反之也可以根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构。
通过基因重组等实验可以直接考察分析结构与功能之间的关系；也可以通过分子动力学、分子热力学等，根据能量最低、同一位置不能同时存在两个原子等基本原则分析计算蛋白质分子的立体结构和生物功能。
虽然这方面的工作尚在起步阶段，但可预见将来能建立一套完整的理论来解释结构与功能之间的关系，用以设计、预测蛋白质的结构和功能。
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
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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。
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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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
蛋白质工程流程
蛋白质工程流程一、蛋白质工程概述蛋白质工程是指通过基因重组技术对目标蛋白质进行改造，以获得更好的性能和功能。
其主要应用于制药、食品、化妆品等领域。
二、蛋白质工程流程1.目标蛋白质的选择首先需要确定目标蛋白质的种类和来源。
一般来说，目标蛋白质应具有重要的生物学功能或商业价值，并且能够通过基因克隆技术进行表达。
2.基因克隆将目标蛋白质的基因进行克隆，并将其插入到表达载体中。
表达载体通常包括启动子、转录终止子和选择标记等元件，以确保基因在宿主细胞中得到高效表达。
3.转染宿主细胞将表达载体导入到宿主细胞中，使其能够进行表达。
常用的宿主细胞包括大肠杆菌、酵母菌和哺乳动物细胞等。
4.筛选与优化通过筛选和优化，确定最佳条件下目标蛋白质的表达和产量。
常用的筛选方法包括SDS-PAGE、Western blot和ELISA等。
5.纯化与结构分析将表达的目标蛋白质进行纯化，并进行结构分析。
常用的纯化方法包括柱层析、凝胶过滤和亲和层析等。
6.改造与重组通过改造和重组，对目标蛋白质进行改良，以获得更好的性能和功能。
常用的改造方法包括点突变、插入、删除和替换等。
三、蛋白质工程中需要考虑的因素1.基因优化在进行基因克隆时，需要对目标蛋白质的基因进行优化，以提高其表达效率和产量。
2.宿主细胞选择选择合适的宿主细胞是获得高效表达目标蛋白质的关键。
不同类型的宿主细胞具有不同的特点和限制，需要根据具体情况进行选择。
3.表达条件调节调节表达条件对于提高目标蛋白质产量和纯度非常重要。
常见的调节方法包括温度、pH值、营养物质浓度等。
4.纯化条件优化在进行目标蛋白质纯化时，需要根据其特点和性质进行选择合适的纯化方法和条件。
常见的纯化方法包括柱层析、凝胶过滤和亲和层析等。
四、蛋白质工程的应用1.制药领域通过蛋白质工程技术，可以生产出更安全、更有效的药物。
例如，利用基因重组技术生产人源化抗体药物。
2.食品领域蛋白质工程技术可以用于改良食品中的蛋白质，使其具有更好的营养价值和口感。
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课题4 蛋白质工程
教学目标
考点：蛋白质工程（A级，课标要求：1 .举例说出蛋白质工程崛起的缘由 2.简述蛋白质工程的原理；3.通过讨论、进展追踪等活动，提高收集资料、处理资料、撰写专题综述报告的能力。
）
案例引入
通过图片引入，想让一种生物性状在另一种生物中表达，在种内可以通过常规杂交育种的方法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，需基因工程。
但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构，性能不能完全满足人类生产和生活的需要。
这就需要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。
这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。
自主学习
一、概念：以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系为基础，通过物理、化学与生物化学等技术，并借助计算机辅助设计、和重组DNA技术，以天然蛋白质，甚至创造自然界中的蛋白质，以满足生产、生活需要。
二、基本方法、原理
从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)，具体见下图：
三、蛋白质工程的主要知识点分析
①关键技术是，其主要包括内容有等。
②实施蛋白质工程的前提条件是。
③测定蛋白质空间结构常用的方法：测定其三维空间结构，了解其构象。
④蛋白质改造的方法及其含义
“大改”——是指根据的性质和特点，设计并制造出自然界中的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能。
“中改”——是指在蛋白质分子中替代或。
“小改”——是指通过基因的，有目的地改造蛋白质分子中
部位的一个或几个，以改善蛋白质的性质和功能。
⑤改造蛋白质的核心技术是，常用方法是，基本过程
是 .
四、蛋白质工程的应用
(1)在酶工程领域：有目的的提高酶的热稳定性，增加耐酸、碱、有机溶剂的能力；增强酶的活性；大量生产人类需要的酶:常用方
法，。
(2)在生物工程制药：增加相关药物的功能；减少对人体的不良影响：如鼠-人嵌合抗体的形成
(3)在农业生产方面：改善光合作用有关酶的活性，提高光合效率。
典型例题
1.关于蛋白质工程的说法错误的是（）
A．蛋白质工程定向改造蛋白质的分子的结构，使之更加符合人类需要
B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构
C．蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又成为第二代基因工程
解析：蛋白质工程是通过基因修饰或基因合成，而对现有蛋白质进行改造或制造出一种新的蛋白质，而不是直接对蛋白质进行操作。
2.基因工程与蛋白质工程的区别是（）
A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作
B.基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成不是天然存在的蛋白质
C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平（或性状水平）操作
D．基因工程完全不同于蛋白质工程
课后题组
1.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是()
A.单倍体育种
B.杂交育种
C.基因工程育种
D.多倍体育种
2. 蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）
A. 氨基酸结构
B. 蛋白质空间结构
C. 肽链结构
D. 基因结构
4. 蛋白质工程的基本流程正确的是( )
①蛋白质分子结构设计
②DNA合成
③预期蛋白质功能
④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A. ①②③④
B. ④②①③
C. ③①④②
D. ③④①②
5. 蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（）
A. 氨基酸种类增多
B. 氨基酸种类减少
C. 仍为天然存在蛋白质
D. 可合成天然不存在蛋白质
6、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（）
A．科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品
B．生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面C．蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用D．蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多。