生物技术导论教案

生物技术导论教案

——蛋白质工程教学目的：1、了解蛋白质工程的概念、蛋白质的基础结构、基本原理；2、理解蛋白质的研究方法； 3、了解蛋白质组学；4、通过适当组织讨论让同学们积极参与课堂，掌握和了解一些基本的蛋白质工程运用。

教学重点：1、蛋白质的高级结构；2、蛋白质组学；3、蛋白质的研究方法；

教学难点： 1、改变蛋白质结构的方法；2、蛋白质功能和结构设计。

讲解内容：主要内容简介——本次课讲授《生物技术导论》（P154-167），包括教学内容蛋白质的结构基础、蛋白质的研究方法、蛋白质工程的运用实例、蛋白质组学；其中重点讲授：蛋白质的研究方法、蛋白质组学。

详细内容

（一）蛋白质结构基础

1、蛋白质的结构

（1）结构：蛋白质分子是由氨基酸首尾相连缩合而成的共价多肽

链，但是天然蛋白质分子并不是走向随机的松散多肽链。每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构或称三维结构，这种三维结构通常被称为蛋白质的构象，即蛋白质的结构。

（2）功能：各种生命功能、生命现象、生命活动都和蛋白质有关：a.蛋白质执行着酶的功能。 b.通过激素调节代谢作用。 c.产生相应的抗体。 d.构建各种生物膜。

2、蛋白质工程概念：蛋白质工程就是以蛋白质的结构与功能为基础，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。

3、蛋白质的结构基础

（1）蛋白质的一级结构（primary structure) 定义：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。

图1：蛋白质一级结构

（2）蛋白质二级结构（secondary structure）定义：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的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象）主要形式：α-螺旋、β-折叠、β-转角等多媒体展示蛋白质的二级结构

图二：蛋白质二级结构

（3）蛋白质三级结构（tertiary structure）三级结构主要针对球状蛋白质，是指整条多肽链由二级结构元件构建成的总三维结构。

图三：蛋白质三级结构

（4）蛋白质四级结构（quaternary structure）四级结构是指在亚基和亚基之间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。四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基。

图四：蛋白质的四级结构

4、蛋白质分子间的相互作用亚基间的聚合可以被解离，可以重新聚合；四级结构的蛋白质分子亚基间可以杂交；多肽与蛋白质分子间可以聚合。

（二）蛋白质工程的研究方法

1、蛋白质工程的研究策略

反向生物学技术：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。即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。

2、蛋白质全新设计（1）设计目标的选择包括：结构设计和功能设计，目前主要侧重结构设计结构设计一般从蛋白质的二级结构开始，模拟蛋白质结构的稳定性功能设计主要进行天然蛋白质功能的模拟 2）蛋白质设计技术与方法序列最简化法： 3）改变现有蛋白质的结构（主要）

基本步骤：（1）分离纯化目标蛋白。（2）分析目标蛋白质的一级结构。（3）分析目标蛋白质的三维结构以及结构与功能的关系。（4）根据蛋白质的一级结构设计引物，克隆目的基因。（5）根据蛋白质的

三维结构和结构与功能的关系以及蛋白质改造的目的设计改造方案。（6）对目的基因进行人工定点突变。（7）改造后的基因在宿主细胞中的表达。（8）分离纯化表达的蛋白质并分析其功能，评价是否达到设计目的人工定点突变方法。

（三）蛋白质工程技术的应用

1、胰蛋白酶

2、金属硫蛋白

3、人白细胞介素-2

4、组织纤溶酶原激活因子

5、枯草杆菌蛋白酶。

（四）蛋白质组学（Proteomics）

1、人类蛋白质组计划概述： 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。“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。

2、蛋白质组学的研究内容包括：

（1）蛋白质鉴定：可以利用一维电泳和二维电泳并结合Western 等技术，利用蛋白质芯片和抗体芯片及免疫共沉淀等技术对蛋白质进行鉴定研究。（2）翻译后修饰：很多 mRNA 表达产生的蛋白

质要经历翻译后修饰如磷酸化，糖基化，酶原激活等。翻译后修饰是蛋白质调节功能的重要方式。（3）蛋白质功能确定：如分析酶活性和确定酶底物，细胞因子的生物分析，配基 -受体结合分析，基因表达产物-蛋白质的功能分析。另外对蛋白质表达出来后在细胞内的定位研究也在一定程度上有助于蛋白质功能的了解。荧光蛋白表达系统就是研究蛋白质在细胞内定位的一个很好的工具。（4）分子医学的发展。如寻找药物的靶分子。很多药物本身就是蛋白质，而很多药物的靶分子也是蛋白质。药物也可以干预蛋白质-蛋白质相互作用。

4、蛋白质组学研究技术

（1）蛋白质组研究中的样品制备。（2）蛋白质组研究中的样品分离和分析双向凝胶电泳－质谱技术、二维色谱相色谱－毛细管电泳(LC-CE) (2D-LC)、二维毛细管电泳 (2D-CE)。

5、蛋白质组学发展趋势在基础研究方面，蛋白质组研究技术被应用到各种生命科学领域。在应用研究方面，蛋白质组学将成为寻找疾病分子标记和药物靶标最有效的方法之一。在技术发展方面，蛋白质组学的研究方法将出现多种技术并存，各有优势和局限的特点（五）、讨论：

1、蛋白质工程发展趋势。

2、蛋白质组学研究的研究意义。

3、相互交流对于这节课的体会和认知。

课堂小结：本章简要介绍了蛋白质的基础结构、基本原理，概括地描述了蛋白质工程的技术。通过举例阐明了利用蛋白质工程和基因