蛋白质工程1
蛋白质工程(1)
lac Z
lac Y
乳糖操纵子
• 乳糖操纵子包含启动子Plac、操纵 基因O和3个结构基因
① lacZ：β-半乳糖苷酶
② lacY：β-半乳糖苷透性酶
③ lacA：β-半乳糖苷转乙酰酶
lac A
• 操纵子上游的lac I 编码阻遏蛋白。
蛋白质工程(1)
P lac I
Plac O
lac Z
lac Y
ampr
lacZ’
• 在以E. coli为宿主的生产中，常使 用可以根据培养温度调整拷贝数的 runaway质粒（如pCP3），42 ℃时 拷贝数最高可达几千个。
复制起点ori
蛋白质工程(1)
启动子的强度
• 启动子的强度是指一个启动子 能够多大程度地结合RNA聚合 酶并引发转录过程。
原核基因启动子
蛋白质工程(1)
洗涤剂用酶
• 在长期保存的过程中，洗涤剂中的漂白成分会引起 酶的失活，可能是由于位于活性中心附近的Met被 氧化所引起。
• 如果把该Met替换为其他氨基酸，可以提高酶分子 的抗氧化性能。
• 例如：来源于芽孢杆菌的一种碱性蛋白酶，将其 Met222替换为Ala后，经100mM H2O2处理15min后残 余活力由野生型的30%提高到70%。（诺维信 Novozymes的产品Esperase®。）
• 因此在实际生产中，更多使用的是那些仅在需要时 才进行强力表达的诱导性启动子。
• E. coli的诱导表达系统几乎全部是利用E. coli 来源 的各种操纵子中的启动子，如lac启动子。
蛋白质工程(1)
E. coli 的乳糖操纵子lac operon
P lac I
调节基因
启动子
蛋白质工程基本思路
蛋白质工程基本思路蛋白质工程是一种利用基因重组技术对蛋白质进行改造的方法，可以用于增强蛋白质的稳定性、活性、亲和力等特性，也可以用于创造新的蛋白质功能。
下面将从基本思路、方法和应用等方面对蛋白质工程进行详细介绍。
一、基本思路1. 获得目标蛋白质基因首先需要获取目标蛋白质的基因序列，可以通过PCR扩增、文库筛选、合成等方法获取。
同时需要考虑到目标蛋白质在表达宿主中是否会出现折叠不正确、聚集等问题。
2. 设计突变或插入针对目标蛋白质的结构和功能，设计突变或插入序列，以实现所需的改变。
常见的突变包括点突变、缺失突变、插入突变等。
3. 构建表达载体将目标基因克隆到适当的表达载体中，如pET系列载体、pUC系列载体等。
同时需要考虑到表达宿主是否能够正确折叠和修饰目标蛋白。
4. 表达与纯化将表达载体转化到宿主中，进行表达。
通常需要优化表达条件，如温度、诱导剂浓度等。
之后进行蛋白质的纯化，常用的方法包括亲和层析、离子交换层析、凝胶过滤层析等。
5. 检测蛋白质的性质和功能对获得的蛋白质进行性质和功能的检测，如分子量分析、动态光散射、荧光光谱分析等。
二、方法1. 有机合成法有机合成法是一种通过改变氨基酸序列来改变蛋白质结构和功能的方法。
该方法需要先合成所需氨基酸序列的DNA片段，然后通过PCR扩增和连接来构建目标基因。
这种方法可以实现多种不同类型的突变，但是需要考虑到突变对蛋白质稳定性和活性的影响。
2. DNA重组法DNA重组法是一种通过重组DNA序列来实现目标蛋白质结构和功能改变的方法。
该方法需要先将目标基因分离出来，然后通过PCR扩增或限制性内切酶切割等方法将所需序列插入到目标基因中。
这种方法可以实现较大范围的序列改变，但是需要考虑到插入对蛋白质稳定性和活性的影响。
3. 选择性演化法选择性演化法是一种通过引入随机突变和筛选来实现目标蛋白质结构和功能改变的方法。
该方法需要先将目标基因插入到合适的表达载体中，然后通过随机突变或DNA重组来产生多个突变体。
蛋白质工程定义
蛋白质工程定义介绍蛋白质工程是一门综合学科，涉及到生物学、生物化学、生物信息学等多个领域。
蛋白质工程的目标是通过合成或改造蛋白质的结构和性质，开发出具有特定功能的新型蛋白质。
蛋白质工程在药物研发、生物能源、农业和环境保护等领域具有广泛的应用前景。
蛋白质工程的起源和发展蛋白质工程起源于20世纪70年代，当时科学家们开始尝试通过改变蛋白质的氨基酸序列来改变其性质。
随着技术的进步，研究人员可以通过基因工程的手段来合成具有特定性质的蛋白质。
1982年，第一个通过基因工程合成的人类蛋白质——胰岛素成功问世，这标志着蛋白质工程的重要突破。
蛋白质工程的方法和技术蛋白质工程利用多种方法和技术来实现对蛋白质的改造，其中常用的包括：1. 随机突变通过人工合成或随机突变的方式，改变蛋白质的氨基酸序列，进而改变蛋白质的结构和功能。
这种方法常用于寻找具有新功能的蛋白质。
2. 有针对性的突变通过对蛋白质的氨基酸序列进行有选择性的突变，例如点突变、插入突变和缺失突变，可以改变蛋白质的稳定性、抗原性以及其他性质。
3. 蛋白质摘要和重组将两个或多个蛋白质的功能单元进行重新组合，可以获得具有新特性的重组蛋白质。
4. 手性选择通过合成手性选择性的氨基酸或引入特定的修饰基团，改变蛋白质的手性结构，并调节其生物活性。
5. 蛋白质折叠和组装通过调控蛋白质的折叠和组装过程，可以控制蛋白质的结构和功能。
这种方法常用于改善蛋白质的稳定性和可溶性。
蛋白质工程在药物研发中的应用蛋白质工程在药物研发中发挥着重要作用。
通过对药物靶点蛋白质的改造，可以提高药物的选择性和疗效，减少副作用。
同时，蛋白质工程还可以用于合成新型药物载体和药物传递系统，提高药物的稳定性和药效。
蛋白质工程在生物能源领域的应用蛋白质工程在生物能源领域也有广泛的应用。
通过改造酶和微生物的代谢途径，可以提高生物能源的产量和转化效率。
蛋白质工程还可以用于合成新型酶类催化剂，提高能源生产过程中的反应速率和选择性。
蛋白质工程1
蛋白质工程一、名词解释：1.蛋白质工程:是研究蛋白质结构和定点改造蛋白质结构的一门学科。
它利用基因工程手段，通过有控制的基因修饰和基因合成，对现有蛋白质进行定向改造，以期获得性能更加优良、更符合人类社会需要的蛋白质分子。
2.抗体:指机体的免疫系统在抗原刺激下产生的可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白。
3.人-鼠嵌合抗体：用鼠可变区和人恒定区融合形成的抗体。
4.人源化抗体：将鼠杂交瘤抗体的超变区嫁接到人抗体上形成的抗体。
5.一级结构：是多肽链中氨基酸残基从N-末端到C-末端的排列顺序及二硫键的位置。
6.二级结构：是指多肽链主链借助氢键排列成特有的规则的重复构象。
7.超二级结构（结构模体）：一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中，彼此靠近、按特定的几何排布形成排列规则的、在空间结构上能够辨认的、可以同一结构模式出现在不同蛋白质中的二级结构组合体，称为结构模体。
8.发夹式β模体（或ββ组合单位）：两段相邻的反平行β链被一环链连接在一起构成的组合单位，其形貌与发夹相似，称为发夹式β模体。
9.希腊钥匙模体：四段紧邻的反平行β链以特定的方式来回往复组合，其形貌类似于古希腊钥匙上特有的回形装饰纹，故称为希腊钥匙型模体。
10.β-α-β模体:是序列上连续、相邻的两股平行β链和一段α螺旋连接而形成的组合。
11.结构域：二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体，称为结构域。
12.三级结构：在二级结构、结构模体的基础上，进一步盘曲、折叠形成的，包括主链、侧链在内的所有原子和基团的空间排布。
13.四级结构：是指在多条肽链组成的一个蛋白质分子中，各亚单位在寡聚蛋白质中的空间排布及亚单位间的相互作用。
14.优势构象：任何氨基酸侧链中的组成基团都可以绕着其间的C-C单键旋转，从而产生各种不同的构象。
AA分子的各种构象异构体并不是平均分布的, 总是以其最稳定的构象为主要的存在形式即为优势构象。
蛋白质工程1
思路不同： 基 因工 程是遵循中心法则 ， 从 DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基 本上是生产出自然界已有的蛋白质。
蛋白质工程是按照以下思路进行的：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。
五、蛋白质工程的程序和操作方法
蛋白质工程的诞生的标志
1983年，Ulmer在“Science”上发表以 “Protein Engineering‘’ (蛋白质工程)为题的 专论，一般将此视为蛋白质工程诞生的标志。
(Kevin M. Ulmer ( Science 219:666-671). )
. ABSTRCT
The prospects for protein engineering, including the roles of x ray crystallography, chemical synthesis of DNA, and compute modelling of protein structure and folding, are discussed. It is now possible to attempt to modify many different properties o proteins by combining information of crystal structure and protein chemistry with artificial gene synthesis. Such techniques offer the potential for altering protein structure and function in ways not possible by any other method
蛋白质工程
College of Food Science and Technology
Henan University of Technology
Food Biotechnology
17
31
141 低活性 Cys 141 高活性 Cys 108 U/mg 106 U/mg
Cys Cys 17 Ser 31 Cys
College of Food Science and Technology
Henan University of Technology
Food Biotechnology
• 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
（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。
College of Food Science and Technology Henan University of Technology
Food Biotechnology
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。
FБайду номын сангаасod Biotechnology
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。
蛋白质工程详细介绍蛋白质工程的方法和应用
蛋白质工程详细介绍蛋白质工程的方法和应用蛋白质工程详细介绍蛋白质工程是一种利用分子生物学和蛋白质化学的方法，对蛋白质进行定向的修饰和改造，以获得理想的蛋白质产物。
它的发展为生物药物研发和产业化提供了重要的技术支持，也为基因工程、农业生物技术等领域的发展带来了巨大的机遇。
本文将详细介绍蛋白质工程的方法和应用。
一、蛋白质工程的方法蛋白质工程的方法包括：1. 重组蛋白质表达系统：通过将目标蛋白质基因导入到适当的宿主细胞中，利用细胞的代谢途径合成目标蛋白质。
2. DNA重组技术：改变目标蛋白质的基因序列，以改变其结构和功能。
3. 非天然氨基酸插入：在蛋白质序列中插入非天然的氨基酸，改变蛋白质的性质。
4. 点突变：通过改变蛋白质特定氨基酸的编码，改变蛋白质的结构和功能。
5. 蛋白质折叠机理研究：通过研究蛋白质的二级、三级结构以及其折叠机理，为蛋白质工程提供理论基础。
二、蛋白质工程的应用蛋白质工程在许多领域有着广泛的应用，下面将介绍其中几个主要方面。
1. 生物药物蛋白质工程为生物药物的研发和产业化提供了关键技术。
通过工程改造，可以改善生物药物的稳定性、生物活性和药效持续时间等性质，提高其疗效和安全性。
蛋白质工程还可以生产重组蛋白、抗体和疫苗等生物药物，为疾病治疗提供新的手段。
2. 农业生物技术蛋白质工程在农业生物技术领域的应用主要包括转基因植物和转基因动物的产生。
通过引入外源基因，可以使植物和动物表达陌生蛋白，以改善农业产量、品质和抗逆性等特性。
蛋白质工程还可以改善植物和动物的饲料价值，提高畜禽养殖的效益。
3. 工业酶蛋白质工程在酶工业生产中有着重要的应用。
通过工程修饰，可以提高酶的催化效率、热稳定性和耐受性，从而降低生产成本，提高工业酶的使用效果。
蛋白质工程还可以创造新的工业酶，满足不同生产过程中对酶的需求。
4. 蛋白质结构与功能研究蛋白质工程在研究蛋白质结构和功能方面起到至关重要的作用。
通过蛋白质工程技术，可以合成具有特定功能的人工蛋白，深入研究蛋白质的结构与功能之间的关系。