蛋白质工程学考试复习
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一、蛋白质工程的概念
以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关 系作为基础，通过化学、物理和分子生物学的 手段进行基因修饰或基因合成，对现有蛋白质
进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足
人类对生产和生活的需求。
工程化：理念－设计－制造－功能实现
1
h
蛋白质工程产生的标志
1982年，Winter等首次
报道了通过定点诱变获 得改性的酪氨酸tRNA合 成酶(Nature,299,1982)
分子伴侣 （molecular chaperone） 折叠酶：催化与折叠直接有关的化学反应的酶。
蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI) 肽基脯氨酰顺反异构酶(peptidyl prolyl cis-trans isomerase, PPI)
17
5
h
L-型的氨基酸
构型configuration：一个分子中原子的特定空间排布（L-型的单 一手性分子）
构型转化时必须有共价键的断裂和重新形成 不同构型分子除镜面操作外不能以任何方式重合 化学上可以分离，不可由单键旋转相互转换
6
h
构象conformation：组成分子的原子或基团绕单键 旋转而形成的不同空间排布
对现有蛋白质进行改造，
——基础的应用与验证（实验科学）
或制造一种新的蛋白质，
以满足人类对生产和生活 3. 创造和/或改造蛋白质
的需求。
3
h
——终目标（工程学）
蛋白质工程的支撑技术
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
4
h
如何认识蛋白质？
蛋白质家族（family）
一组进化上相关的蛋白质，这些蛋白质共享一个或多个结构域
蛋白质的物理性质
等电点、分子量、沉降系数、分子半径、跨膜区结构域等
蛋白质的细胞定位
在细胞中定位（cellular component）
蛋白质的生物功能
哪个生化过程中起作用（biological process），起怎样的分子功能（molecular function）
1983年，Ulmer首先提出了 ➢ ---Deliberate design and
production of proteins with novel
“Protein Engineering”的概念 or altered structure and
（Science, 1983，219: 666-671）
9
h
平行式构象：φ= -119O， ψ = ＋113O 反平行式： φ= -139O， ψ = ＋135O
10 h 在平行（a）和反平行（b）β－折叠片中氢键的排列
3.转角（turn)
3.1．β转角(-turn)
由四个AA组成; 第一个AA的来自百度文库-C=O 和第四个AA的 –
N-H 之间形成氢键 一个不很稳定的环状结构。
构象转化时不需要共价键的断裂和重新形成 化学上难以区分和分离
7
h
1.α-螺旋 结构（α-helix）
多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构.
肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行。 中心无空腔。 稳定 蛋白质分子为右手-螺旋。
8
h
莱纳斯· 卡尔· 鲍林
β折叠的结构特点
氢键是在片层间而不是片层内形成。
13
h
3.第二遗传密码的特点
简并性
氨基酸序列不同的肽链可以有极为相似甚至相同的三维结构。
多意性
相同的氨基酸序列可以在不同的条件下决定不同的三维结构。
全局性和复杂性
在肽链上相距很远的残基可以在空间上彼此靠近而相互作用， 并对分子总体结构产生重要影响；后形成的肽段可以影响已经 形成的肽段的构象从而造成对分子整体的影响等。
properties, that are not found in natural proteins.
2
h
三、蛋白质工程的研究内容
以蛋白质分子的结构 规律及其生物功能的关系 作为基础，通过化学、物
1. 蛋白质结构分析&功能研究
——基础（关系学）
理和分子生物学的手段进
行基因修饰或基因合成， 2. 结构、功能的设计和预测
The prospects for protein engineering, including the roles of x-ray crystallography, chemical synthesis of DNA, and computer modelling of protein structure and folding , are discussed.
14
h
一、蛋白质和新生肽链折叠
新生肽链的折叠
不仅指肽链在空间的盘旋卷曲，而是包括广义的新生肽链的整 个成熟过程，包括化学修饰、跨膜转运、亚基组装、水解激活 等。
蛋白质的折叠(protein folding) 从体内新生的多肽链或体外变性的多肽链的一维线性氨
基酸序列转化为具有特征三维结构的活性蛋白质的过程。
h
molecular chaperone
A large and diverse group of unrelated proteins that all share the functional property of assisting the noncovalent assembly and/or disassembly of protein containing structures in vivo, but are not permanent components of these structures when they are performing their normal biological functions.
3.2．γ转角(γ-turn) 由3个AA构成的转角
11
h
四、维系蛋白质结构的作用力
肽键 二硫键 氢键
离子键 金属离子配位键
疏水键 范德华力
12
h
第二遗传密码
现有的遗传密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链的信息传递， 因此是不完整的。
无结构的多肽链到有完整结构的功能蛋白质信息传递部分—遗传 密码的第二部分，即蛋白质中氨基酸序列与其三维结构的对应关 系，称之为第二遗传密码或折叠密码
15
h
3.体外蛋白质折叠与细胞内新生肽链折叠的区别
完整肽链在试管内的重折叠相当于翻译完成后才折叠，与新生肽 链的合成延伸与折叠同时进行不同。
细胞内新生肽链折叠是一个比蛋白质体外重折叠快得多的过程。 温度、浓度、pH值不同 细胞和试管另一个重要差别是“大分子拥挤”问题。
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三、帮助蛋白质和新生肽链折叠的生物大分子
以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关 系作为基础，通过化学、物理和分子生物学的 手段进行基因修饰或基因合成，对现有蛋白质
进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足
人类对生产和生活的需求。
工程化：理念－设计－制造－功能实现
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蛋白质工程产生的标志
1982年，Winter等首次
报道了通过定点诱变获 得改性的酪氨酸tRNA合 成酶(Nature,299,1982)
分子伴侣 （molecular chaperone） 折叠酶：催化与折叠直接有关的化学反应的酶。
蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI) 肽基脯氨酰顺反异构酶(peptidyl prolyl cis-trans isomerase, PPI)
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L-型的氨基酸
构型configuration：一个分子中原子的特定空间排布（L-型的单 一手性分子）
构型转化时必须有共价键的断裂和重新形成 不同构型分子除镜面操作外不能以任何方式重合 化学上可以分离，不可由单键旋转相互转换
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构象conformation：组成分子的原子或基团绕单键 旋转而形成的不同空间排布
对现有蛋白质进行改造，
——基础的应用与验证（实验科学）
或制造一种新的蛋白质，
以满足人类对生产和生活 3. 创造和/或改造蛋白质
的需求。
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——终目标（工程学）
蛋白质工程的支撑技术
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
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如何认识蛋白质？
蛋白质家族（family）
一组进化上相关的蛋白质，这些蛋白质共享一个或多个结构域
蛋白质的物理性质
等电点、分子量、沉降系数、分子半径、跨膜区结构域等
蛋白质的细胞定位
在细胞中定位（cellular component）
蛋白质的生物功能
哪个生化过程中起作用（biological process），起怎样的分子功能（molecular function）
1983年，Ulmer首先提出了 ➢ ---Deliberate design and
production of proteins with novel
“Protein Engineering”的概念 or altered structure and
（Science, 1983，219: 666-671）
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平行式构象：φ= -119O， ψ = ＋113O 反平行式： φ= -139O， ψ = ＋135O
10 h 在平行（a）和反平行（b）β－折叠片中氢键的排列
3.转角（turn)
3.1．β转角(-turn)
由四个AA组成; 第一个AA的来自百度文库-C=O 和第四个AA的 –
N-H 之间形成氢键 一个不很稳定的环状结构。
构象转化时不需要共价键的断裂和重新形成 化学上难以区分和分离
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1.α-螺旋 结构（α-helix）
多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构.
肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行。 中心无空腔。 稳定 蛋白质分子为右手-螺旋。
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莱纳斯· 卡尔· 鲍林
β折叠的结构特点
氢键是在片层间而不是片层内形成。
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3.第二遗传密码的特点
简并性
氨基酸序列不同的肽链可以有极为相似甚至相同的三维结构。
多意性
相同的氨基酸序列可以在不同的条件下决定不同的三维结构。
全局性和复杂性
在肽链上相距很远的残基可以在空间上彼此靠近而相互作用， 并对分子总体结构产生重要影响；后形成的肽段可以影响已经 形成的肽段的构象从而造成对分子整体的影响等。
properties, that are not found in natural proteins.
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三、蛋白质工程的研究内容
以蛋白质分子的结构 规律及其生物功能的关系 作为基础，通过化学、物
1. 蛋白质结构分析&功能研究
——基础（关系学）
理和分子生物学的手段进
行基因修饰或基因合成， 2. 结构、功能的设计和预测
The prospects for protein engineering, including the roles of x-ray crystallography, chemical synthesis of DNA, and computer modelling of protein structure and folding , are discussed.
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一、蛋白质和新生肽链折叠
新生肽链的折叠
不仅指肽链在空间的盘旋卷曲，而是包括广义的新生肽链的整 个成熟过程，包括化学修饰、跨膜转运、亚基组装、水解激活 等。
蛋白质的折叠(protein folding) 从体内新生的多肽链或体外变性的多肽链的一维线性氨
基酸序列转化为具有特征三维结构的活性蛋白质的过程。
h
molecular chaperone
A large and diverse group of unrelated proteins that all share the functional property of assisting the noncovalent assembly and/or disassembly of protein containing structures in vivo, but are not permanent components of these structures when they are performing their normal biological functions.
3.2．γ转角(γ-turn) 由3个AA构成的转角
11
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四、维系蛋白质结构的作用力
肽键 二硫键 氢键
离子键 金属离子配位键
疏水键 范德华力
12
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第二遗传密码
现有的遗传密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链的信息传递， 因此是不完整的。
无结构的多肽链到有完整结构的功能蛋白质信息传递部分—遗传 密码的第二部分，即蛋白质中氨基酸序列与其三维结构的对应关 系，称之为第二遗传密码或折叠密码
15
h
3.体外蛋白质折叠与细胞内新生肽链折叠的区别
完整肽链在试管内的重折叠相当于翻译完成后才折叠，与新生肽 链的合成延伸与折叠同时进行不同。
细胞内新生肽链折叠是一个比蛋白质体外重折叠快得多的过程。 温度、浓度、pH值不同 细胞和试管另一个重要差别是“大分子拥挤”问题。
16
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三、帮助蛋白质和新生肽链折叠的生物大分子