蛋白质工程及其在食品工业中的应用.

生物的遗传信息从 DNA传递给mRNA的过程 称为转录。根据mRNA链上的遗传信息合成 蛋白质的过程，被称为翻译和表达。1958 年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称 为中心法则。
复制：是亲代双链DNA按碱基配对原则，准确 形成两个相同核苷酸序列的子代DNA分子的过程。 两条DNA链都可作为复制的模板。 转录：是以一条DNA链为模板，将DNA链上储存 的遗传信息按碱基配对原则准确转换成互补的 mRNA的过程。 翻译：是以mRNA为模板，将mRNA上的遗传信息 转换成蛋白质的氨基酸序列的过程。 中心法则：遗传信息由DNA 蛋白质的流动途径。 mRNA
第五章
蛋白质工程及其在食品 工业中的应用
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 大分子物质，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。
酶.几乎全都是蛋白质。 肌肉收缩、精子移动、细胞分裂过程中的染色体移 动.
6、蛋白质工程与酶工程的 关系


绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白 质工程有什么区别？ 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。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。
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.生物膜功能及神经传导等
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。
蛋白质工程产物

是自然界原本不存在的新的蛋白质。
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。
一、蛋白质工程的崛起的缘由
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。
实例1：玉米中赖氨酸的含量比较低
原因：赖氨酸合成过程中两个关键酶— —天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶 的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响。当 赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两 种酶的活性。 如果对赖氨酸合成过程中的两个关键酶 进行改造,可以使玉米叶片和种子中的游离 赖氨酸分别提高5倍和2倍。
高等生物的有序生长和分化过程。
抗体蛋白能识别和结合特异性的外源物质，使人体 具备抵抗各种细菌、真菌和病毒的能力。 由神经细胞膜蛋白构成的离子通道，负责神经冲动 的形成和传导。
血红蛋白具有结合和释放氧的能力，是血液中氧、 二氧化碳和氢离子的携带者。
另外，人体的毛发和指甲属于角蛋白，而血栓是由 血纤蛋白单体聚合而成的。
氨基酸残基:多肽链中不完全的氨基酸。 氨基酸由于形成肽键而失去了一分子水，因 此表现出其分子的不完整。 氨基末端：多肽链中含有自由α-氨基的一 端。简称N-端 羧基末端：多肽链中含有自由α-羧基的一 端。 简称C-端
蛋白质的一级结构
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。
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，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。
实例2:工业用酶
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。一般 来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期， 提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由 于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。
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。
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。 （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。
亮氨酸 赖氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸
丝氨酸 苏氨酸 色氨酸 酪氨酸 缬氨酸
2.组成生物体蛋白质的20种氨基酸
氨基酸
赖 组 脯 苏 丝 色 天冬 精 Lys His Pro Thr Ser Try Asp Arg
英文
Lysine Histidine Proline Threonine Serine Tryptophan Aspartic acid Arginine Glycine Phenylalanine
1
Gly.Phe.Phe.Tyr.Thr.Pro.Lys.Ala OH 30 牛胰岛素的化学结构
维持蛋白质空间结构的化学键
（1）氢键：氢原子与负电性强的原子 （如氧、氮等）间形成。对蛋白质分子三 维构象的维护很重要。 （2）静电引力：正负带电基团之间的吸 引力。对蛋白质分子三维构象的稳定贡献 不是很大，也称为离子键或盐键 （3）范德华力：原子团相互接近时诱导 所致。它变化多样，对维持蛋白质活性中 心的构象影响很大
β-转角
蛋白质分子的二级结构
β转角 β折 叠片 α螺旋
自由 回转
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盘 曲而成特定格式的三级结构。
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。 这些多肽链之间只是通过疏水作用等次级键结合成为有 序排列的特定的空间结构，形成了四级结构。 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。
中心法则：遗传信息由 DNA mRNA 蛋 白质的流动途径。
DNA
复制
补充和完善之处： A：RNA作为遗传物质能自 我复 制 ， 并 作 为 mRNA指导 PRO的合成。 B：RNA能以逆转录的方 式将遗传信息传递给DNA 分子。
转录 逆转录
RNA
蛋白质 翻译
复制
３、蛋白质工程的基本途径
预期的蛋白质功能
（4）疏水相互作用：是非极性基团为了 避开水相而群集在一起的作用力。疏水 作用是维持蛋白质高级结构的重要因素 （5）二硫键：作用很强，对稳定蛋白质 构象起重要作用 氢键、离子键、疏水作用和范德华力 等次级键是非共价键 肽键、二硫键、酯键等被称之为共价 键
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
5、蛋白质工程与基因工程的关系
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，是包含多学科 的综合科技工程领域。
基因工程是通过基因操作把外源基因转 入适当的生物体内，并在其中进行表达， 它的产品是该基因编码的天然存在的蛋白 质。
蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之 间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的 需要，定向地改造天然的蛋白质，甚至创造新的、 自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。 蛋白质工程自诞生之日起，就与基因工程密不可 分。蛋白质工程根据对分子预先设计的方案，通过 对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对它所编码 的蛋白质进行改造。因此，它的产品已不再是天然 的蛋白质，而是经过改造的、具有了人类所需要的 优点的蛋白质。
“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。
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序列（基因）
4.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。 蛋白质工程是指通过生物技术手段对蛋 白质的分子结构或者对编码蛋白质的基因进 行改造，以便获的更适合人类需要的蛋白质 产品的技术。
Glutamine Asparagine Isoleucine
肽（肽键与肽2)
肽键就是由氨基酸的 α-羧基与相邻的氨基酸的 α-氨基脱水缩合而形成的 化学键
肽（肽键与肽3)
肽:氨基酸通过肽键连结起来的化合物
二肽:两个氨基酸形成的肽 三肽:三个氨基酸形成的肽 多肽:许多氨基酸形成的肽 蛋白质:大多为100个以上氨基酸组成的多肽
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 。
蛋白质分子的一级结构
牛 胰 S—S A链 岛 Gly.Tle.Val.Glu.Gln.Cys.Cys.Aln.Ser.Val.Cys.Ser.Leu.Tyr.Gln.Leu.Glu.Asn.Tyr.Cys.Asn OH 素 1 2 6 7 11 20 S S 的 一 S S B链 级 结 Phe.Val.Asn.Gln.His.Leu.Cys.Gly.Ser.His.Leu.Val.Glu.Ala.Leu.Tyr.Leu.Val.Cys.Gly.Glu.Arg. 7 19 构 1 2
三、 蛋白质的结构
蛋白质分子的生物功能，与蛋白质分 子的结构密不可分。决定蛋白质这种特 殊生物功能的关键因素是它的分子构象 。
基本组成单位--氨基酸
组成生物体蛋白质的20种氨基酸
氨基酸 氨基酸 氨基酸 氨基酸
丙氨酸 精氨酸 天冬酰氨 天冬氨酸 半胱氨酸
谷氨酰胺 谷氨酸 甘氨酸 组氨酸 异亮氨酸
氨基酸
谷 缬 半胱 丙 亮 酪 甲硫 (蛋) Glu Val Cys Ala Leu Tyr Met
英文
Glutamic acid Valine Cysteine Alanine Leucine Tyrosine Methionine
Gly 甘 苯丙 Phe
Gln 谷酰 天冬酰 Asn Ile 异亮
二、蛋白质工程的基本概念
1、蛋白质工程的目标
根据人们对蛋白质功能的特定需求， 对蛋白质的结构进行分子设计。 2、天然蛋白质的合成过程
DNA（基因）
转录
mRNA
翻译
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蛋白质
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
中心法则 （central dogma）