蛋白质工程

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四、蛋白质工程的概念
1983年，美国生物学家额尔默首先提 出了“蛋白质工程”的概念。蛋白质工程 的实践依据DNA指导合成蛋白质，因此， 人们可以根据需要对负责编码某种蛋白质 的基因进行重新设计，使合成出来的蛋白 质的结构变得符合人们的要求。
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17
31
141 低活性 Cys 141 高活性 Cys 108 U/mg 106 U/mg
Cys Cys 17 Ser 31 Cys
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蛋白质是生命的体现者，离开了蛋白质，生命将 不复存在。可是，生物体内存在的天然蛋白质，有的 往往不尽人意，需要进行改造。 由于蛋白质是由许多氨基酸按一定顺序连接而成 的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改 变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。 而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成 遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目 的。蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的需 要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使 合成的蛋白质变得更符合人类的需要。
高贮存稳定性
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2、蛋白质工程产物 是自然界原本不存在的新的蛋白质。
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蛋白质一级结构
蛋白质的一级结构是指氨基酸按一定的顺序通过 肽键相连而成的多肽链，也是蛋白质最基本的结 构。 每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成 和排列顺序即一级结构，由这种氨基酸排列顺序 决定它的特定的空间结构，也就是蛋白质的一级 结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构。
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• 牛胰岛素的一级结构
S S A链 I I Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn 5 I 10 15 I 21 S S I S S B链 I I Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Ala 5 10 15 20 25 30
_________
图4-10 牛胰岛素的一级结构
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蛋白质二级结构
二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方 向排列成具有周期性结构的构象，是多肽 链局部的空间结构（构象）。 主要形式： α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规卷曲等
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三、食品蛋白质的功能性质
1. 流体动力学性质： 水的吸收和保持、溶胀性、黏附性、黏度、 沉淀、凝胶和形成其他各种结构时起作用的那 些性质，通常与蛋白质的大小、形状和柔顺性 有关。 2. 表面性质： 蛋白质的湿润性、分散性、溶解度、表面 张力、乳化作用、蛋白的起泡特性，以及脂肪 和风味的结合。
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三级结构
三级结构是指整条多肽链在二级结构的基础上进 一步折叠、卷曲而形成的特定空间结构。

四级结构
很多蛋白质分子是由两个或两个以上独立的、具 有三级结构的多肽链组成的。
在四级结构的蛋白质分子中，每个具有三级结构 的多肽链单位称为亚基，亚基多无生物学活性， 具有完整四级结构的蛋白质分子才有生物活性。
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主要内容
• 基因工程概述 • 工具酶
• 目的基因
• 基因载体 • 基因重组 • 基因的转化、增殖和表达 • 基因工程在食品工业中的应用
• 蛋白质工程
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问题2
重组β-干扰素。 • 干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。 • 将人干扰素的cDNA在大肠杆菌中进 行表达，产生的干扰素的抗病毒活性 为106 U/mg，只相当于天然产品的 十分之一。 • 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。
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Food Biotechnology 思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋 白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？ 应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造， 主要原因如下： （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，而且改造过 的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造， 即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法 遗传的。
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• 原因
• 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。
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（二）蛋白质功能
1. 蛋白结构的多样性决定了功能的多样性。 2. 在生命有机体催化、运动、结构、识别和 调节等方面具有很重要的功能。 3. 食品蛋白质的功能特性
– 是指食品体系在加工、贮藏、制备和消费过 程中蛋白质对食品生产所需要特征的那些物 理性质、化学性质。
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一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程产物 基因工程在原则上只能生产自然界已 存在的蛋白质。
这些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。
（2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容 易操作，难度要小得多。
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二、蛋白质的结构与功能
（一）蛋白质结构 蛋白质具有独特的基本结构和高 级结构：一级结构、二级结构、三级 结构、四级结构。
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蛋白质的生物学功能
• • • • • • • • 1.催化功能：酶 2.调节功能：激素 3.结构功能：皮、毛、骨、牙、细胞骨架 4.运输功能：血红蛋白 5.免疫功能：免疫球蛋白 6.运动功能：鞭毛、肌肉蛋白 7.储藏功能：酪蛋白 8.生物膜功能等
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“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。 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质 工程的有力推动和理论支持。
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问题1
• 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。
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蛋白质工程

蛋白质工程概述 蛋白质工程基本步骤及改造策略 蛋白质工程改造方法及原理 蛋白质工程在食品工业中的应用
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第一节
蛋白质工程概述
蛋白质是对生命至关重要的一类生物大分子， 各种生命功能、生命现象、生命活动都和蛋白质 有关。在生命有机体催化、运动、结构、识别和 调节等许多方面，起着关键的作用。
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血红蛋白中四亚基两两相同， 分别称为α1 、α2、β1、β2
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你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有 什么关系？我国科学家承担了什么任务？
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之 后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的 科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织 宣告成立。之后，该组织正式提出启动了两 项重大国际合作行动：一项是由中国科学家 牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另 一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆 蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组 计划的帷幕。