第3章蛋白质分子设计
理学蛋白质分子设计
• 先讲理论 • 后面举几个例子
蛋白质分子设计策略
• 理性设计策略
– 前提:充分了解结构与功能的关系
• 随机突变+功能筛选
– 前提:不了解结构与功能的关系
• 理性设计+随机突变+功能筛选
– 前提:不完全了解结构与功能的关系
分子设计的种类
小改:少数残基的替换,突变或修饰 中改:分子拼接,肽段或结构域的替换 大改:从头设计,全新蛋白质的设计
具体方法:
利用R55受体的结构 模建R75受体的结构
根据淋巴毒素与R55 的作用情况,模拟肿 瘤坏死因子与R55受 体的相互作用情况。
根据肿瘤坏死因子与 R55受体的相互作用 情况,模拟肿瘤坏死 因子与R75受体的相 互作用情况。
Gln67与R55作用不明显,但与R75的Asp有静电作用, 将它突变为结构相似但带电相反的Glu会降低TNF与 R75的作用,但不会改变与R55的作用。
0 0.02 0.2 2 20 200
Protein (ng)
mTSA BSA SEA
融合蛋白与A431细胞结合的剂量曲线
mTSA与A431细胞结合的特异性试验 A.Positive control EGF; B. pmTSA ; C. mTSA binding blocked by EGF; D. Blank control :PBS
基于结构的药物设计
确定靶蛋白的结合口袋,以结合口袋的结构环境设 计药物; 未知受体结构时,根据具有相同或相似生物学活性 的已知化合物的结构叠合,反推受体结合口袋的可能 结构环境,根据推测的受体结合口袋进行新型药物设 计。
蛋白质分子的模拟肽设计
骨架残基设计,肽库筛选 以结构为模板的分子设计。
高中生物选择性必修三 第3章 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课后篇巩固提升基础巩固1.(2020·辽宁营口二中高二期末)下列有关基因工程与蛋白质工程的叙述,正确的是()A.蛋白质工程与基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质,所以二者没有区别B.基因工程是蛋白质工程的关键技术C.通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然的蛋白质D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的答案B解析基因工程原则上只能生产自然界中已有的蛋白质,而蛋白质工程可以生产自然界中没有的新的蛋白质,两者存在区别,A项错误;蛋白质工程本质上是通过基因修饰或基因合成来完成对蛋白质分子的改造,是在基因工程的基础上发展出的第二代基因工程,B项正确;蛋白质工程改造后的蛋白质可能是自然界中没有的新的蛋白质,C项错误;蛋白质工程本质上是改造基因,不是直接改造蛋白质分子,D 项错误。
2.(2020·山东省实验中学高二期中)凝乳酶是奶酪生产中的关键酶。
通过蛋白质工程生产高效凝乳酶,不需要的步骤是()A.蛋白质的结构设计B.蛋白质的结构和功能分析C.凝乳酶基因的定向改造D.将定向改造的凝乳酶导入受体细胞答案D解析蛋白质的结构设计属于蛋白质工程的步骤,A项正确;蛋白质的结构和功能分析属于蛋白质工程的步骤,B项正确;蛋白质工程通过改造或合成基因来实现对蛋白质的改造,C项正确;需要将定向改造的凝乳酶基因导入受体细胞,而不是将定向改造的凝乳酶导入受体细胞,D项错误。
3.(2020·山东济南外国语学校高二期中)下图为蛋白质工程的流程图,下列说法正确的是()A.利用蛋白质工程制造出的蛋白质都是自然界本来就有的B.蛋白质工程是一项完全摆脱基因工程技术的全新的生物工程技术C.过程a、b分别是转录、翻译D.蛋白质工程不可能构建出一种新的基因答案C解析基因工程原则上只能生产自然界已经存在的蛋白质,蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质,A项错误;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,B项错误;据图可知,过程a、b分别是转录、翻译,C项正确;蛋白质工程中可根据预期蛋白质的结构构建出一种全新的基因,D项错误。
2020_2021学年新教材高中生物第3章基因工程4蛋白质工程的原理和应用课件新人教版选择性必修32
【解析】选B。基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入 适宜的生物体,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,蛋白质工程是指以蛋白 质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过基因修饰或基因合成,对现 有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产或生活需要。 本题中合成的β-干扰素是基因定点突变后的表达产物,不是天然的,因此属于 蛋白质工程。
【解析】选C。蛋白质工程的目的是获取人类需要的蛋白质,由于蛋白质的合成
是受基因控制的,因此对蛋白质结构进行设计改造,最终通过改造或合成基因来
实现。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
【概念·诊断】 1.随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展,蛋白质工程广泛应用于医 药和其他工农业生产中,下列有关描述正确的是____________。 ①蛋白质工程对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的 ②基因工程遵循中心法则,而蛋白质工程不遵循 ③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,也需要利用 基因工程的基本工具,需要经历基因工程的操作流程 ④由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化,空间结构千差万别,蛋白质工程操 作难度很大 ⑤蛋白质工程不能改变蛋白质的活性
资料三 北京大学李龙团队开发出新型可遗传编码的乙酰胆碱和多巴胺荧光探 针,该探针表达后形成荧光蛋白与神经递质受体的融合体,当相应的神经递质与 上述融合体结合后发出荧光。 (1)在神经系统中,多巴胺通常以__________方式由__________________释放后 与相应的受体结合。 (2)有人提出一种治疗帕金森病的思路:利用从囊胚中____________(部位)获得 的细胞,对其进行诱导分化后, 用以补充死亡的黑质多巴胺能神经元,这属于一种__________工程的应用。
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容1. 哎呀呀,你知道蛋白质分子设计吗?这就好像是我们给蛋白质这个“小宝贝”来个大变身!比如说,就像给一个普通的玩具熊精心打扮,让它变得超级特别!它的概念呢,就是人为地对蛋白质的结构和功能进行改造和设计呀,是不是很神奇?基本内容包括对蛋白质的氨基酸序列进行改造,就像是给玩具熊换一件更酷的衣服一样。
2. 嘿,蛋白质分子设计,这可不是一般的酷哦!它就像是个魔法棒,可以让蛋白质变得不一样!举个例子,就像我们打造一个独一无二的机器人,给它各种厉害的功能。
它的基本内容呢,有对蛋白质的活性中心进行修饰,这相当于给这个神奇的“机器”关键部位进行优化升级啊。
3. 哇塞,蛋白质分子设计呀,是超级有趣的事情呢!好比是我们给一只普通的小狗训练出各种高难度技能!它的概念呢,简单说就是有目的地去改变蛋白质哦。
基本内容还包括构建全新的蛋白质结构,这感觉就像凭空创造出一只全新的、超级厉害的宠物一样令人兴奋。
4. 来呀,了解一下蛋白质分子设计嘛!你想想,这不就是给蛋白质来个大改造嘛,像给一辆普通汽车改装成超级赛车!而它的基本内容里,优化蛋白质的稳定性,就如同让赛车在高速行驶中更稳定、更可靠,多棒啊!5. 哎呀呀,蛋白质分子设计呀,可有意思啦!可以把它想象成我们给一个普通的房子进行大改造,变得超级豪华!它的概念当然就是有计划地对蛋白质进行改变啦。
基本内容中的改变蛋白质的折叠方式,就像是重新设计房子的布局一样重要呢。
6. 嘿嘿,蛋白质分子设计,这简直太让人着迷啦!就如同我们把一个平凡的角色打造成超级英雄!它的概念就是主动地去塑造蛋白质,而其基本内容里的融合不同蛋白质的功能域,不就像给超级英雄赋予各种无敌的能力一样嘛!总之,蛋白质分子设计太神奇、太有意义啦,可以让我们创造出各种我们想要的蛋白质来帮助我们解决好多问题呢!。
蛋白质分子的结构教学设计
蛋白质分子的结构教学设计引言蛋白质是生物体内基本的生物大分子之一。
在生物化学和生物学教学中,了解蛋白质分子的结构对于理解其功能和作用至关重要。
本文档描述了一种针对蛋白质分子结构的教学设计,旨在帮助学生深入了解蛋白质分子的组成和三维结构。
教学目标- 了解蛋白质的组成,包括氨基酸的基本结构和连接方式;- 掌握蛋白质分子的一级、二级和三级结构的概念;- 理解蛋白质分子的结构与功能之间的关系;- 能够使用一些基本的工具和方法解析蛋白质分子的结构。
教学内容和方法1. 蛋白质的组成和氨基酸(约占教学时间的20%)蛋白质的组成和氨基酸(约占教学时间的20%)- 介绍蛋白质的组成,包括氨基酸是构成蛋白质的基本单位;- 解释氨基酸的结构和分类,重点介绍20种常见氨基酸的特点;- 通过示意图和示例展示氨基酸的连接方式和多肽链的形成过程。
2. 蛋白质的一级和二级结构(约占教学时间的30%)蛋白质的一级和二级结构(约占教学时间的30%)- 讲解蛋白质的一级结构,即氨基酸序列的排列方式;- 介绍蛋白质的二级结构,包括α-螺旋、β-折叠和无规卷曲;- 使用实例和模型展示不同类型的二级结构。
3. 蛋白质的三级结构(约占教学时间的40%)蛋白质的三级结构(约占教学时间的40%)- 说明蛋白质的三级结构,即通过氨基酸间的各种相互作用而形成的立体结构;- 突出蛋白质的折叠和空间构象,以及与功能的相关性;- 引入X射线晶体学和核磁共振等方法解析蛋白质的三维结构。
4. 蛋白质结构与功能(约占教学时间的10%)蛋白质结构与功能(约占教学时间的10%)- 强调蛋白质结构与功能之间的紧密关系;- 举例说明蛋白质的不同结构对其功能的影响;- 解释蛋白质结构变化与疾病发生的关联。
教学评估- 组织学生参与讨论和解析蛋白质分子的结构相关问题;- 设计小组活动,让学生通过实践运用所学知识解决蛋白质结构相关问题;- 进行小测验,测试学生对蛋白质结构知识的掌握情况。
第三章 蛋白质一级结构及测定
③Cleland试剂的还原作用
Cleland′s指出二硫赤苏糖醇(dithioerythriotol)及二 硫苏糖醇(dithiothriotol)在氧化还原能力上是比较强的试 剂,只要0.01摩尔就能使蛋白质的-S-S-还原,反应基本与 疏基乙醇相似,且在许多球蛋白反应中,可以不用变性剂。
还原蛋白不稳定,SH基极易氧化重新生成-S-S-键。稳定 SH基的方法可用烷基化试剂使SH基转变为稳定的硫醚衍生 物。
它能选择性 地切割由甲 硫氨酸的羧 基所形成的 肽键
R1 O + HO -CH-C-N-CH-C=NH-CH-C~ 2 Br O H2C O CH2 + CH2-S-C N ¼»ÁÇË ×ùòèá R H O H 2O +-CH-C-N-CH-C O O H2C-CH2
R
H
R1 O H2N-CH-C~ C¶ ë ¶ NÄ ¶ ËÄÎ ©Ë
R1 R2 Rh H2N-CHCO~NH-CHCO~NH-CHCOOH R1 R2 õë £Â õë £Â £±¼È³Ìõ뻺Σ ¨½×©éá£Â¯Ïï© Î Ë NH2NH2 Þ® o 100 C 5~10h Rh
H2N-CH-CONHNH2+H2N CH CONHNH2+....+H2N-CH COOH
OH- pH9 —
苯异硫氰酸酯 ( PITC ) S
=
②与Edman试剂反应的 产物为:苯乙内酰硫脲氨 基酸(PTH-氨基酸) ③PTH-氨基酸可用乙 酸乙酯抽提,再用纸层析 或薄层层析鉴定
S C
-NH-C-NHCHCO-NHCHCO —
苯氨基硫甲酰多肽 (氨基酸)
S-C C N H - —
R H+ O
蛋白质分子设计
稳定性,日本大阪大学蛋白质工程研究所的
Satoshi Nishikawa等人尝试在Tyr(酪氨酸)24
和Asn(天冬酰氨)84位引入第三个二硫键。
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• 分子设计和理论验证:从该酶晶体结构可以看出这
两个残基是远离催化位点的,经过分子动力学计算证明在 这两个残基之间有可能形成二硫键,并且不会影响催化位 点的结构。并且采用分子力学和分子动力学方法从核糖核 酸的复合物晶体结构建立起核糖核酸突变体的模型。
当我们开始对某一天然蛋白质进行蛋白质分子设计时:
首先要查找PDB了解这个蛋白质的三维结构是否已被
收录。如果PDB中没有收录又未见文献报道,我们需要
通过蛋白质X射线晶体学及NMR方法测定蛋白质的三维结
构,或者通过结构预测的方法构建该蛋白质三维结构模
型。 2019/10/30
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设计目标及解决办法
改变蛋白质的性质,必须改变蛋白 质的序列。
抗体分子由2条重链,2条轻
链组成,重链有4个结构域,轻
链有2个结构域;抗原的识别部
分位于由轻、重二链处于分子顶
部的个1个结构域,该结构域是
一个高度可变区。抗体分子与抗
原分子互补的决定子是由可变区
的一些环状肽段组成的。
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意义
中改——分子剪裁
Winter等人将小鼠单抗体分子重链的互补决定子 用基因操作办法换到人的抗体分子的相应部位上, 使得小鼠单抗体分子所具备的抗原结合专一性转 移到人的抗体分子上。
定义:
小改是指对已知结构的蛋白质进行少数
几个残基的替换,这是目前蛋白质工程中最为 广泛使用的方法。
蛋白质分子设计原理
蛋白质分子设计原理
嘿,朋友们!今天咱来聊聊超有意思的蛋白质分子设计原理!
你想想看啊,蛋白质就像是一个神奇的小机器,它有着各种各样复杂而精妙的结构。
这就好比搭积木,不同的积木块组合起来能搭出不一样的造型,蛋白质也是如此。
比如说血红蛋白吧,它就像是专门负责运输氧气的快递员,把氧气准确无误地送到身体各个地方。
那蛋白质分子设计原理呢,就是我们去掌握如何设计出这些厉害的“小机器”。
怎么设计呢?这可不是随随便便就能搞定的。
就好像你要做一道超级美味的菜,得精心挑选食材,精确掌握火候一样。
我们得了解蛋白质的各种特性,它的结构呀、功能啊等等。
然后通过各种技术手段,去改变、去优化。
你难道不觉得这很神奇吗?我们竟然可以像上帝一样,去塑造这些小小的分子!比如说设计一种新的蛋白质来治疗疾病,哇,那可真是太酷了!
咱再举个例子,胰岛素。
要是没有它,糖尿病患者可就遭罪了。
那如果我们能更好地设计出胰岛素,让它发挥更好的作用,这得给多少人带来福音啊!
蛋白质分子设计原理真的超级重要,它就像是打开新世界大门的钥匙。
我们可以利用它去创造奇迹,去解决那些看似不可能解决的问题。
所以啊,大家一定要好好了解这神奇的蛋白质分子设计原理,说不定哪天你也能成为那个创造奇迹的人呢!我的观点就是,蛋白质分子设计原理是充满无限可能和魅力的,值得我们深入探索和研究。
蛋白质分子设计[详细讲解]
蛋白质分子设计[引言]蛋白质是一类非常有用的物质,在生物体的进化过程中起着非常重要的作用。
与其它化学试剂比较:(1)分子量非常大;(2)在机体内稳定;(3)专一性的优劣。
分子生物学的发展弥补了上述缺点,如定位突变、PCR使蛋白质可能工程化生产。
蛋白质设计(蛋白质的结构、功能预测)涉及多学科的交叉领域,包括材料学、化学、生物学、物理及计算机学科。
其应用范围涵盖了药物、食品工业中的酶、污水处理、疫苗、化学传感器等,设计的蛋白质也不仅仅限于20种天然氨基酸,也包括非天然氨基酸、有机/无机模块。
蛋白质设计的目的:(1)为蛋白质工程提供指导性信息;(2)探索蛋白质的折叠机理。
蛋白质设计分类:(1)基于天然蛋白质结构的分子设计;(2)蛋白质从头设计。
存在问题:与天然蛋白质比较:(1)缺乏结构独特性;(2)缺乏明显的功能优越性。
第一节基于天然蛋白质结构的分子设计一、概述蛋白质结构与功能的认识对蛋白质设计至关重要,需要多学科的配合。
蛋白质设计循环如下:1.对要求的活性进行筛选。
2.对蛋白质进行表征,如测定序列、三维结构、稳定性及催化活性。
3.专一型突变产物。
4.计算机模拟。
5.蛋白质的三维结构。
在PDB中搜索,无纪录即进行X射线、NMR方法或预测并构建三维结构模型。
6.蛋白质结构与功能的关系。
蛋白质突变体设计的三个主要步骤:1.突变位点和替换氨基酸的确定。
(1)确定对蛋白质折叠敏感的区域。
(2)功能上的重要位置。
(3)其它位置对蛋白质突变体的影响。
(4)替换或加减残基对结构特征的影响。
2.能量优化和蛋白质动力学方法预测修饰后蛋白质的结构。
3.预测结构与原始蛋白质结构比较,预测新蛋白质性质。
上述设计工作完成后,再进行蛋白质合成或突变实验,分离、纯化并对新蛋白质定性。
二、蛋白质设计原理1.内核假设。
假设蛋白质独特的折叠形式主要由蛋白质内核中的残基相互作用决定。
所谓内核指蛋白质在进化过程中的保守区域,由氢键连接的二级结构单元组成。
生物化学:第三章 蛋白质参考答案
第三章 蛋白质1. 在生物缓冲体系中,何种氨基酸具有缓冲作用?答:组氨酸具有缓冲作用。
因为组氨酸含有咪唑基团。
而咪唑基解离常数为6.0,即解离的质子浓度与水的相近,因此组氨酸既可作为质子供体,又可作为质子受体。
在pH=7附近有明显的缓冲作用。
2. 什么是氨基酸的p K和 pI ?它们的关系如何?答:p K指解离常数的负对数,表示一半的氨基酸解离时的pH值;pI指氨基酸所带的正负电荷相等时的溶液的pH值,即等电点。
中性氨基酸:pI= (p K1 + p K2) / 2酸性氨基酸:pI= (p K1 + p K R) / 2碱性氨基酸: pI= (p K2+ p K R) / 23. 计算 0.1 mol/L 的谷氨酸溶液在等电点时主要的离子浓度。
答:因此,0.1 mol/L 的谷氨酸溶液在等电点时主要离子(即两性离子)的浓度为0.083mol/L。
4. 大多数的氨基酸,其α-羧基的p K a都在 2.0 左右,其α-氨基的p K a都在 9.0 左右。
然而,肽中的α-羧基p K a值为 3.8,α-氨基p K a值在7.8。
请解释这种差异。
答:α-氨基酸分子中带正电荷的α-氨基阻止了α-羧基负离子的质子化,即能稳定羧基负离子,因而提高了羧基的酸性。
同理,羧基负离子对质子化的氨基(NH3+)同样有稳定作用,从而降低了其酸性,提高了其碱性。
在肽分子中,由于两个端基(COO-和NH3+)相距较远,这种电荷间的相互作用要弱得多,因此其p K a值与α-氨基酸中氨基和羧基的p K a值存在明显差异。
5、写出五肽 Ser-Lys-Ala-Leu-His 的化学结构,计算该肽的 pI,并指出该肽在pH = 6.0 时带何种电荷。
答:6、人的促肾上腺皮质激素是一种多肽激素。
它的氨基酸序列为Ser-Tyr-Ser- Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly-Lys-Pro-Val-Gly-Lys-Lys-Arg-Arg-Pro-Val-Lys-Val-Tyr-Pro-Asp-Ala-Gly-Glu-Asp-Gln-Ser-Ala-Glu-Ala-Phe-Pro-Leu-Glu-Phe;(1)在pH=7条件下,此多肽带有何种电荷?(2)用CNBr处理此多肽,可以得到多少肽段?答:(1)经分析,当pH=7时,多肽中的Ser的游离氨基,Phe的游离羧基以及4个Glu、3个Arg、4个Lys、2个Asp的侧链基团带有电荷。
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-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。
高中生物学选择性必修3蛋白质工程的原理和应用
互动探究
新教材·生物(RJ) 选择性必修3
1.(科学思维)科学家对胰岛素进行改造是否要获得相应的目的基因? 如何获得?
提示:是。应该以现有的胰岛素结构为基础,设计满足新功能需要的新 结构,推测出相关的氨基酸序列,然后根据密码子找出相应的 DNA 序列, 再进行人工合成或改造得到目的基因。
新教材·生物(RJ) 选择性必修3
表达出蛋白质
的检测与鉴定
通过改造相应的基因达到对蛋
实质
基因重组
白质进行改造的目的
新教材·生物(RJ) 选择性必修3
可以创造出自然界不存在 生产自然界已存在的
结果
的蛋白质
蛋白质
①主要集中在对现有蛋白
质进行改造,如干扰素、天
①已被广泛应用,如
冬氨酸激酶和二氢吡啶二
区别
转基因植物、动物、
应用及 羧酸合成酶等
要注射胰岛素治疗。目前临床使用的胰岛素制剂注射 120 min 后才出现高峰。
科研人员通过一定的工程技术手段,将胰岛素 B 链的第 28 位和第 29 位氨基
知识点二 蛋白质工程的应用
梳理教材
新教材·生物(RJ) 选择性必修3
1.在医药工业方面的应用 (1)研发速效胰岛素类似物:科学家通过改造__胰_岛__素__基__因___使 B28 位脯氨 酸替换为天冬氨酸或者将它与 B29 位的赖氨酸交换位置,从而有效抑制了 ___胰__岛__素__的__聚__合____,研发出速效胰岛素类似物。 (2) 提 高 干 扰 素 的 保 存 期 : 将 干 扰 素 分 子 上 的 一 个 _半__胱__氨__酸___ 变 成 ___丝__氨__酸___,提高了干扰素的保存时间。 (3)改造抗体:将小鼠单克隆抗体上____结__合__抗__原__的__区__域____“嫁接”到人 的抗体上,降低了诱发人体免疫反应的强度。
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。
第3章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用
【答案】C
第3章 基因工程
【解析】蛋白质工程是根据人们的需要首先要预期蛋白质的相应功 能,然后设计预期的蛋白质结构,推测其应有的氨基酸序列,根据相应 的氨基酸序列推导出基因中的脱氧核苷酸序列,再合成相应的目的基 因,C正确。
第3章 基因工程
蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 (1)速效胰岛素类似物的研发:通过改造__胰__岛__素__基__因____实现了对相 应氨基酸序列的改造,使B28位脯氨酸替换为__天__冬__氨__酸____或者将它与 B29位的__赖__氨__酸____交换位置,从而抑制胰岛素的聚合。
第3章 基因工程
2.蛋白质工程崛起的缘由 (1)基因工程的实质及不足: ①实质:将一种生物的___基__因___转移到另一种生物体内,使后者可 以产生它本不能产生的___蛋__白__质__,进而表现出____新__的__性__状______。 ②不足:基因工程在原则上只能生产自然界已存在的__蛋__白__质___。 (2)蛋白质工程崛起的缘由:天然蛋白质是生物在长期进化过程中形 成的,它们的___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。若不能直接满足人类需要,就必 须人为对其进行改造,蛋白质工程从而崛起。
第3章 基因工程
【规律总结】蛋白质改造的三种类型的“改” 第一类为“大改”,即制造出自然界中不存在的全新蛋白质。 第二类为“中改”,即在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的 结构域。 第三类为“小改”,即改造蛋白质分子中的几个氨基酸的残基。 素养达成:本重难点通过对蛋白质工程的概念分析和原理分析,培 养“生命观念”“科学思维”素养。
【解析】蛋白质工程中了解蛋白质分子的结构是非常关键的工作, 如蛋白质的空间结构、氨基酸的排列顺序等,这对于合成或改造基因至 关重要,A正确;蛋白质工程的进行离不开基因工程,因为对蛋白质的 改造要通过对基因的改造来完成,B错误;图中a、b过程分别表示转 录、翻译,C正确;通过蛋白质工程可对现有蛋白质进行改造,也可制 造出一种新的蛋白质,D正确。
第三章蛋白质的分子设计修改
• Java-based on-line biomolecular modeling package –B /~nwhite/Biomer
■蛋白质设计目前存在的问题
设计的蛋白质与天然蛋白质比较,缺乏结构的独特性及明显的功能优 越性。所有设计的蛋白质有正确的形貌、显著的二级结构及合理的热 力学稳定性,但一般说来它们三级结构的确定性较差
第二节 基于天然蛋白质结构的分子设计
■一、概述
即使蛋白质的三维结构已知,选择 一个合适的突变体依然困难,这说明 蛋白质设计任务的艰巨性,它涉及多 种学科的配合,如计算机模拟专家、 X 射线晶体学家、蛋白质化学家、生 物技术专家等的合作与配合。
蛋白质分子设计
第一节 分子设计概况 第二节 基于天然蛋白质结
构的分子设计 第三节 全新蛋白质设计 第四节 计算蛋白质设计 第五节 基于结构的药物分
子设计
第一节 分子设计概况
随着理论化学方法六十年来不断发展,加上近年来计算 机技术突飞猛进,分子设计已经从炼金术士的梦想走上实 际的研究和应用。世界最大的二十家药厂无一例外地运用 分子设计的方法把药物筛选的范围缩小到原先的1/5到1/10 。从电子结构出发,设计具有特殊性质的新材料、新化合 物也开始走向现实。 分子设计也称为分子建模(Molecular Modeling),目前已 经成为有的外国大学化学系的课程。它包括理论化学方法 和计算机化学方法。理论化学方法包括量子化学、统计热 力学和非平衡统计力学等。
…………………………
■ 小结
第一节 分子设计概况
分子设计历史 – 计算化学 (量子化学, 分子力学等) – 结构化学 (晶体学,谱学等) – 计算机技术 (计算数学,软硬件,数据库,图形学等)
高中生物选择性必修三 3 4 蛋白质工程的原理和应用(导学案)
第三章第4节蛋白质工程的原理和应用课前自主探究一.蛋白质工程的概念理解①基础:蛋白质分子的及其与的关系。
②手段:改造或合成。
③结果:对现有蛋白质进行或制造出。
二、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质和不足:(1)实质:将一种生物的基因转移到,后者可以产生它本不能产生的,进而表现出。
(2)基因工程存在的不足:原则上只能生产自然界的蛋白质。
2.蛋白质工程的崛起:(1)理论和技术条件:、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
(2)天然蛋白质存在不足:天然蛋白质的符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合的需要。
(3)实例:玉米中赖氨酸的含量比较低,将赖氨酸合成过程中两种酶的替换,就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
三、蛋白质工程的基本原理1.目标:根据人们对功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。
2.方法:或。
3.流程:从预期的蛋白质功能出发→设计预期的→推测应有的序列→找到并改变相对应的序列(基因)或合成新的→获得所需要的蛋白质。
四、蛋白质工程的应用1.在医药工业方面的应用(1)研发速效胰岛素类似物:科学家通过改造使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置,从而有效抑制了,研发出速效胰岛素类似物。
(2)提高干扰素的保存期:将干扰素分子上的一个变成,提高了干扰素的保存时间。
(3)改造抗体:将小鼠单克隆抗体上“嫁接”到人的抗体上,降低了诱发人体免疫反应的强度。
2.在其他工业和农业方面的应用(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶:利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种。
(2)改造某些重要的酶:利用蛋白质工程改造参与的酶,以提高植物光合作用的效率。
易错易混辨析(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。
()(2)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为基础。
()(3)基因工程在分子水平对基因进行操作,蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作。
()(4)蛋白质工程可以改造酶,提高酶的热稳定性。
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⑧ 结构及功能的专一性。形成独特的结构,独特的 分子间相互作用是生物相互作用及反应的标志
蛋白质设计的目标及解决办法
设计目标
热稳定性 对氧化的稳定性 对重金属的稳定性 pH稳定性 提高酶学性质
解决办法
引入二硫桥,增加内氢键数目,改善内疏水 堆积,增加表面盐桥
把Cys转换为Ala或Ser,把Met转换为Gln、 Val、Ile或Leu,把Trp转换为Phe或Tyr
蛋白质工程
第一章绪论 第二章蛋白质结构基础 第三章蛋白质分子设计 第四章蛋白质的修饰和表达 第五章蛋白质理化性质的分析和鉴定 第六章蛋白质工程的实际应用
蛋白质分子设计
基于天然蛋白质结构的分子设计
• 蛋白质设计原理 • 蛋白质设计中结构与功能关系的研究 • 天然蛋白质剪接
全新蛋白质设计
• 蛋白质的从头设计
设计一个Pro-Gly的转折。在链的两端设计 一个二硫键,形成一个环状结构。
5.线性多肽折叠为球状结构
• 不用模板或交叉连接而通过线性多肽折叠 成球形的确定的三维结构是蛋白质设计追 求的目标之一
• 主要障碍:构象熵 • 实例:α-螺旋
根据α-螺旋的两亲性。形成的α-螺旋显著稳 定性是因为形成明显的疏水核,还有Glu 和 Lys形成的盐桥,螺旋偶极的电荷中和,增 加了在螺旋/转折连接处的柔性
2)利用能量优化及蛋白质动力学方法预测修 饰后的蛋白质结构
3)预测的结构与原始的蛋白质结构比较,利 用蛋白质结构-功能或功能-稳定性相关知识 及理论计算预测新蛋白质可能具有的性质
注意问题
A 应确定蛋白质折叠敏感的区域,包括带有 特殊扭角的氨基酸、盐桥、密堆积区等
B 应确定对功能非常重要的位置 C 考察剩余位置对所希望改变的影响 D 当进行互换或插入/删除残基是应考虑他们
第一节 基于天然蛋白质结 构 的分子设计
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变天然蛋白质
白 蛋白质结构预测
蛋白质晶体学
质 分 子 从数 设 据库
输入
计
蛋白质三维结构 结构与功能关系 蛋白质突变体设计及结构预测 几何优化及蛋白质动力学研究
流
结构分析与原先的结构比较
程
蛋白质合成定位突变
• 设计全新蛋白的主要障碍是肽链的构象熵。 当几个没有连接的肽链进行自助装时,熵 势垒比较难以克服。通过共价交叉连接可 以减少构象熵。
• 自然界唯一用于交叉连接的方法是二硫键。 蛋白设计时用DAB
4.在合成模板上肽的组装
• 在模板上组装合成蛋白的方法 • 特点:使用人工合成的模板代替天然蛋白
中的连接二级结构的单元 • 模板:寡肽,可形成两个反平行β折叠链,
相互作用 4)使用在螺旋中相隔一圈的残基间疏水的范德华相互作用 5)使用芳香-荷电-疏的相互作用
2.配体诱导组装
配位结合位点设计在结构中有几个相互作 用片断的界面处。如果这个位点对配体有 很高的亲和力,则结合配体的合适的自由 能将充分克服熵消耗并且驱动肽自组装
+
3.通过共价交叉连接实现肽的自组装
非极性残基由DNA密码子NTN编码 N:任何碱基 极性残基由DNA密码子VAN编码 V:C、A、G的混合
二、蛋白质功能的全新设计
• 蛋白质设计的目标是产生既能折叠为预想的 结构又具有有趣和有用的功能。功能设计主 要涉及键合及催化
• 为达到这些目的可以采用两条不同的途径: 反向实现蛋白质与工程底物的契合,改变功 能;从头设计功能蛋白质
2)通过共价交叉连接减小折叠的构象熵
蛋白质从头设计的手段
1.二级结构模块单元的自组装:
优点:设计或合成都比较简单 缺点:蛋白质的稳定性(熵较大,依赖浓度)
结构的简单重复
α螺旋设计使用的策略(p67):
1)使用大的形成螺旋倾向性的残基,如亮氨酸、谷氨酸或赖氨酸等 2)使用合适的集团去除端基电荷,防止与螺旋偶极不合适的电荷相互作用 3)使用极化或荷电氨基酸引入稳定的氢键或在螺旋中相隔一圈残基间的离子
6.基于组合库的全新蛋白质设计
• 核心问题:埋藏疏水部分 • 常用方法:二元模式 • 理论基础:极性(P)和非极性(N)氨基
酸的特性 • 含义:一方面要有利于形成二级结构,另
一方面又要埋藏疏水残基 • 应用:二级结构两亲片断的构建
P-N-P-N-P-N
P P
N
N
P
P
N P
P-N-P-P-N-N-P-P-N
蛋白质设计的目的
• 为蛋白质工程提供指导性信息 • 探索蛋白质的折叠机理
简单蛋白质建筑或骨架的从头设计是研 究蛋白质相互作用的类型及本质的很好 途径,为解决蛋白质折叠问题寻找定性 和定量的规律
蛋白质设计存在问题
• 设计的蛋白质与天然蛋白质相比缺乏结构 的独特性及明显的功能优越性
• 设计的蛋白质有正确的形貌、显著的二级 结构及合理的热力学稳定性,但三级结构 的确定性较差
蛋白质的功能设计
1.通过反向拟合天然蛋白质设计新的功能 2.键合及催化的从头设计 3.在全新蛋白质中引入结合位点 4.催化活性蛋白质的设计 5.膜蛋白及离子通道的设计 6.新材料的设计
第三节 计算蛋白质设计
• 蛋白质设计是一个理论与实验之间的循环。这个循 环已经在蛋白质的合理设计中得到了许多重要进展
蛋白质分子设计的分类
按照改造部位的多寡分为三类: • 第一类为“小改”,可通过定位突变或化
学修饰来实现; • 第二类为“中改”,对来源于不同蛋白的
结构域进行拼接组装; • 第三类为“大改”,即完全从头设计全新
的蛋白质(de novo design)
蛋白质的分子设计
可分为两个层次 • 在已知立体结构基础上所进行的直接将立
②所有蛋白质内部都是密堆积(很少有空穴大到可以 结合一个水分子或惰性气体),并且没有重叠。
③所有内部的氢键都是最大满足的(主链及侧链)
④ 疏水及亲水基团需要合理地分布在溶剂可及表面 及不可及表面
⑤ 在金属蛋白中,配位残基的替换要满足金属配位 几何,符合正确的键长、键角及整体的几何
⑥ 对于金属蛋白,大部分配基含有多于一个 与金属 作用或形成氢键的基团。其余形成围绕金属中心 的氢键网络,这涉及与蛋白质主链、侧链或水分 子的相互作用
蛋白质的全新设计
• 蛋白质结构的从头设计
• 蛋白质功能的从头设计
• 取得的进展:血红素结合蛋白、 氧化还原活性蛋白质、 DNA结合蛋白 基于蛋白质的高分子材料
一、蛋白质结构的从头设计
• 中心问题:设计一个具有稳定及独特的三维结构 的序列
• 克服的障碍:线性聚合链的构象熵 • 采取的策略:
1)使相互作用的强度与数目达到 最大(理论基础:分析已知结构 的天然蛋白质中的二级结构单元)
图
分离、纯化及表征
新蛋白质
蛋白质分子设计大致 涉及的几个重要方面
• 蛋白质来源:真菌、细胞、动物蛋白质和 植物蛋白质
• 筛选以及纯化蛋白质需要测定它们的序列、 三维结构、稳定性、催化活性等
蛋白质三维结构的判断
目前PDB(Protein Data Bank)已收集数以万计个 蛋白质晶体结构,但是通常蛋白质序列的数目比 蛋白质三维结构的数目大100倍。 1、对于已知三维结构的蛋白质:根据PDB中三维结 构对蛋白质进行设计 2、对于未知三维结构的蛋白质:如果PDB中没有收 录又未见文献报道,我们需要通过蛋白质X射线晶 体学及NMR方法测定蛋白质的三维结构,或者通 过结构预测的方法构建该蛋白质三维结构模型
对结构特征的影响,如疏水堆积、侧链取 向、氢键、盐桥等
对蛋白质通过点突变改造实例
三、蛋白质设计中的结构 -功能关系研究
• 定位突变在蛋白质结构与功能关系研究中的作用 • 突变蛋白质构象的探测
定位突变种类
• 插入一个或多个氨基酸残基 • 删除一个或多个氨基酸残基 • 替换或取代一个或多个氨基酸残基 • 最大量的定位突变是在体外利用重
• 计算机模拟技术在蛋白质设计循环中占有重 要位置。建立蛋白质三维结构模型,确立突 变位点或区域以及预测突变后的蛋白质的结 构与功能对蛋白质工程是至关重要的
• 专一性突变产物是蛋白质设计成败的关键。 一些新技术,如PCR及自动化技术的发展使各 种类型的基因工程变得快速、容易
二、蛋白质设计原理
①内核假设。所谓内核是指蛋白质在进化中保守的 内部区域。在大多数情况,内核由氢键连接的二 级结构单元组成
组DNA技术或PCR方法
突变蛋白质结构的评估
• 溶解性 • 热力学分析 • X射线晶体学及NMR谱 • 园二色散方法 • 单克隆抗体探测构象变化
蛋白质中功能残基的鉴定
1.根据已知结构信息确定功能残基 2.突变实验方法鉴定功能残基
随机突变和删除分析及连接片断扫描突变
3.利用蛋白质同源性鉴定功能残基
• Mathews及其合作者在溶菌酶内核中替换多至10个残基。 实验证明多重取代的蛋白仍具有活性以及协同折叠
• 这些结果说明不同的氨基序列具有相近的设计的结构
第二节 全新蛋白质设计
• 特征: 全新蛋白质设计是另一类蛋白质工程,合
成具有特异结构与功能的新蛋白质。根据 所希望的结构及功能设计蛋白 质或多肽的氨基酸序列
天然蛋白质的剪裁
• 分子剪裁:指在对天然蛋白质的改造中替 换1个肽段或1个结构域
• 应用:抗体分子的改造;Rop
结构与功能的容忍度
• 蛋白质结构及功能对残基的替换有一定的容忍度,即结构 与功能关系有一定的稳健度
• Fersht等替换了Barnase的所有内核残基。结果表明23%的 突变体保留了酶的活性
体结构信息与蛋白质的功能相关联的高层 次的设计工作 • 在未知立体结构的情形下借助于一级结构 的序列信息及生物化学性质所进行的分子 设计工作
蛋白质分子设计程序