蛋白质工程1
蛋白质工程重点
一、名词解释1、蛋白质工程（Protein Engineering）——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的工程技术。
2、结构模体（supersecondary structure，motif）——介于蛋白质二级结构和三级结构之间的空间结构,指相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，排列形成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构组合体，并充当三级结构的构件（block building），其基本形式有αα、βαβ和βββ等。
3、结构域（domain）——是在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体。
4、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。
5、分子伴侣（molecular chaperone）——一大类相互之间没有关系的蛋白质，它们具有的共同功能是帮助其他含蛋白质的结构在体内进行非共价的组装和卸装，但不是这些结构在发挥其正常的生物学功能时的永久组成部分。
6、晶胞(Unit cell)——空间点阵的单位（大小和形状完全相同的平行六面体），是晶体结构的最小单位。
7、核磁共振现象（nuclear magnetic resonance ，NMR）——指核磁矩不为零的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂(Zeeman splitting)，共振吸收某一特定频率的射频辐射（radio frequency, RF）的物理过程。
8、化学势（位）移（）——在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。
9、耦合常数（J）——由于自旋裂分形成的多重峰中相邻2峰间的距离。
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。
蛋白质工程的原理应用实例
蛋白质工程的原理应用实例1. 背景介绍蛋白质工程是一种利用基因工程技术对蛋白质进行设计和改造的方法。
通过对蛋白质的序列和结构进行修改和调整，可以获得具有特定功能和性质的新型蛋白质。
蛋白质工程在药物研发、生物技术、农业和食品工业等领域有着广泛的应用。
2. 蛋白质工程的原理蛋白质工程的原理基于对蛋白质的结构和功能的理解，并利用现代分子生物学和生物化学技术进行实现。
其主要步骤包括：2.1 蛋白质分子结构的分析和预测蛋白质工程的第一步是对目标蛋白质的结构进行分析和预测。
可以利用蛋白质数据库和计算机模拟方法对蛋白质的结构和功能进行预测和分析，为后续的设计提供基础。
2.2 基因构建和克隆根据对目标蛋白质结构的分析和预测，设计并合成相应的基因序列。
将目标基因序列插入到适当的表达载体中，然后转化到宿主细胞中进行克隆。
通过改变基因序列可以实现对蛋白质结构和功能的改造。
2.3 蛋白质的表达和纯化经过基因构建和克隆后，利用适当的宿主细胞表达目标蛋白质。
通常可以选择大肠杆菌、酵母等常用的表达宿主细胞。
表达蛋白质后，通过纯化方法将蛋白质从其他细胞组分中分离出来。
2.4 蛋白质功能和性质的改造通过对蛋白质基因序列的改造，可以实现对蛋白质功能和性质的改变。
常用的方法包括点突变、插入、删除等。
通过这些方法可以改变蛋白质的催化活性、结构稳定性、抗原性等特性。
3. 蛋白质工程的应用实例3.1 制药领域蛋白质工程在制药领域有着广泛的应用。
例如，利用蛋白质工程可以改变药物的药代动力学，提高其生物利用度和稳定性。
同时，蛋白质工程还可以用于药物的靶向传递系统的设计，提高药物的疗效和减少副作用。
3.2 生物技术领域蛋白质工程在生物技术领域也有着重要的应用。
通过对酶的结构和功能进行改造，可以得到具有改良特性的酶，用于生物催化和生物制造过程中。
此外，蛋白质工程还被应用于蛋白质荧光标记、蛋白质相互作用的研究等方面。
3.3 农业领域在农业领域，蛋白质工程被用来改良农作物的性状。
蛋白质工程
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。
它运用基因工程手段，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反复构象。
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、在空间结构上可以辨认的、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。
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，涉及主链、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互相作用。
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重要的存在形式即为优势构象。
15.交错构象：是能量上最有利的排布，在这种构象中，一个碳原子的取代基正好处在另一个碳原子的两个取代基之间。
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。
高三知识点生物蛋白质工程
高三知识点生物蛋白质工程生物蛋白质工程是现代生物技术领域的一个重要分支，它的出现对于改善人类生活质量、促进医药发展具有重要的意义。
本文将探讨高三生物知识中的蛋白质工程，深入了解其原理、应用和未来发展。
一、蛋白质工程的概念和原理蛋白质工程是通过改变蛋白质的结构和功能，利用现代生物技术手段，创造具备特定功能和特性的新型蛋白质，或者改进现有蛋白质的性质和表达方式。
其原理主要通过研究蛋白质的结构和功能关联，以及蛋白质的基因序列来实现。
二、蛋白质工程的应用1. 药物研发：蛋白质工程在药物研发中发挥了重要的作用。
通过改造蛋白质的结构和功能，可以提高药物的有效性和生物利用度，降低副作用和毒性，进一步提高药物的安全性和疗效。
2. 农业领域：蛋白质工程可以用于农业生产中，通过改变植物的基因表达，使其在抗病虫害、抗逆境等方面具有更好的性能，从而提高作物的产量和质量。
3. 工业应用：蛋白质工程在工业领域中也得到了广泛应用。
例如，通过改造微生物菌株的基因，制造出能够高效产生酶的工业微生物，用于生产生物降解剂、生物染料等工业原料。
4. 环境保护：蛋白质工程可以应用于环境保护领域。
例如，通过改良植物和微生物的基因，使其具有更强的污染物降解能力，从而实现土壤和水体的修复和净化。
三、蛋白质工程的挑战与前景尽管蛋白质工程在各个领域中具有广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战。
首先是基因编辑技术的不完善，目前的技术存在着剪切效率低、难以定点编辑等问题；其次是目前对于蛋白质结构与功能的理解还不够深入，限制了蛋白质设计和修饰的效果；此外，生物安全问题也是蛋白质工程发展中需要重视的问题。
然而，蛋白质工程仍然被广泛认为是生物技术的热点领域，它的发展前景十分广阔。
随着技术不断进步，蛋白质工程有望为医学、农业、环境保护等领域的问题提供更好的解决方案。
例如，疫苗的研发、治疗性蛋白质的生产和应用，都将得到更大的突破和进展。
结语蛋白质工程是一门融合了生物学、化学、医学等多学科知识的科学技术。
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
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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
（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。
FБайду номын сангаасod Biotechnology
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1．基本结构
20种常见氨基酸中，19种都具有如下共同的 化学结构：
R
H2N-CH-CO2H
其中心碳原子(Cα)除结合一个H原子外，还分别连接一个 氨基(NH2)和一个羧基 (COOH)，构成氨基酸的主链，它们 在所有氨基酸中都是相同的。R称为氨基酸的侧链，不同 氨基酸的区别就是其侧链R的化学结构不同。
长链环一般易受蛋白酶降解，它们常常结合金属离子(主 要是Ca2+)来稳定自己并拮抗蛋白酶的攻击。
短肽链环的构象取决于特定氨基酸残基位置
对I型β转折，任何氨基酸都可出现在其i～(i+3)的位置，但 Pro不能出现在i+2位置。 在I型和Ⅱ型转折中，Gly主要位于i+3，Pro主要位于i+1； Asp、Asn、Ser和Cys经常出现在i位置，其侧链常与i+2残 基NH成氢键；Gly和Asn最常出现在Ⅱ型转折的i十2位置， 因为它们最易于接受在此位置所要求的主链构象角。 I’型转折的i+1和i+2位的优势氨基酸为Gly，Ⅱ’型在i+2位为 Gly。
1．基本结构参数 2．螺旋偶极子 3．两亲性螺旋 4．倾向于形成α螺旋的氨基酸 5．310螺旋和π螺旋
四、β层
1．β链 2．平行β层和反平行β层 3．混合型β层和扭转β层
五、环肽链
1．回折(reverse turn)
（1） β转折 （2）γ转折
2．β发夹
（1）β发夹(β－hairpin) （2）β凸起(β－bulge)
蛋白质工程
井健
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。
蛋白质工程的主要内容和基本目的可以概括为：以蛋 白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过 有控制的修饰和合成，对现有蛋白质加以定向改造，设计、 构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、 更加符合人类社会需要的新型蛋白质。
第一章 蛋白质结构基础
第一章 蛋白质结构基础
蛋白质工程的基本目标 蛋白质工程的理论基础 蛋白质三维结构与功能的关系 蛋白质结构知识的重要性
第一节 蛋白质结构的基本组件
一、天然常见氨基酸 二、肽单位和多肽链 三、α 螺旋 四、β层 五、环肽链 六、疏水内核
一、天然常见氨基酸
构成蛋白质分子的基本化学单位是氨基酸。在所 有蛋白质中常见的天然氨基酸共20种。
反应形成的共价连接称为肽键：
R1
R2
H2N-CHCOOH+H2N-CH-COOH
R1
R2
H2N-CH-C-NH-CH-COOH+H2O
(2) 肽单位与多肽主链
由于局部双键性质，肽键连接的基团处
于同一平面，具有确定的键长和键角，是
多肽链中的刚性结构，称为肽单位(peptide unit)。有序连接的肽单位就是多肽链的主 链。因此，从结作用 疏水内核在蛋白质中的分布 疏水内核是蛋白质折叠的主要驱动力 疏水内核是天然蛋白质稳定的基本结构因素
第二节 蛋白质结构的组织和主要类型
• 蛋白质结构的特点与组织形式 • 蛋白质结构的复杂性 • 蛋白质结构的有序性
一、蛋白质结构的层次体系
丹麦生物化学家 Kai Linderstram 首先将蛋白质结构划分为 一级、二级和三级结构；
另有一种脯氨酸具有类似 而不相同的化学结构。它 们的侧链与主链N原子共 价结合，形成一个亚氨基 酸。结构的特殊性决定了 脯氨酸功能的特殊性。
2．基本性质
20种不同的氨基酸侧链具有各种各样的化学特 性，当它们以各种顺序结合成蛋白质分子时，其性 质会有更多的变化，使其蛋白质的特性远不同于简 单的有机分子。20种氨基酸侧链的性质是了解蛋白 质的基本出发点。
英国化学家 Bernal 又使用四级结构来描述复杂多肽链蛋白质 分子的亚基结构。
随着大量天然蛋白质的结构测定及以此为基础的综合分析， 在二级结构与三级结构之间又发现了结构模体(超二级结构)和 结构域，从而揭示了蛋白质结构的丰富层次体系(structure hirarchy)。
1．一级结构(primary structure)
团是蛋白质分子的基本建筑模块。
肽单位（阴影部分）连 接形成的多肽链
2．多肽链的构象
（1）扭角(torsion angle)或双面角(dihedral angle)系统 （2）多肽链的构象角 （3）Ramachandra构象图及多肽链构象的允许区
三、α螺旋
α螺旋(α-helix)是被首先肯定的一种蛋白质空间结构的 基本组件，并被证实普遍存在于各种蛋白质中。基于相关 小分子和肽单位结构的精确几何参数，美国加州理工学院 的Linus Pauling在1951年首先提出。螺旋结构并预言它稳定 地存在于蛋白质中。这一结构模型很快被美国剑桥的Max Parutz关于肌红蛋白和角蛋白的X射线衍射分析所支持，随 后被第一个实验测定的高分辨率肌红蛋白的晶体结构(John Kendrew , 1959)所证实。现在大量已知蛋白质结构中，发 现α螺旋普遍存在。
● 一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，或氨基酸沿线性多肽链的排列。 ● 在有二硫键的蛋白质中，一级结构的内容也常包含二硫键的数量和配对方式。 ● 一级结构是蛋白质结构层次体系的基础，它是决定更高层次结构的主要因素。 ● 一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理。 ● 两个不同蛋白质的一级结构如果具有显著相似性，则称它们彼此同源 (homology)。由于同源蛋白的编码DNA序列也有显著的相似性，因此一般认为它 们在进化上是相关的，是从一个共同的始祖基因(ancestral gene)进化而来。 ● 氨基酸是构成一级结构的基本元素，存在于天然蛋白质中的常见氨基酸共有20 种，它们彼此通过肽链相连。
（1） 疏水氨基酸 （2） 极性氨基酸 （3） 荷电氨基酸
3. 单一构型和旋转异构体
（1）构型与构象 （2）天然氨基酸的单一构型 （3）优势构象与旋转异构体
二、肽单位和多肽链
1．肽链和肽单位
(1)肽键与多肽
20种氨基酸在蛋白质中是通过肽键(peptide bond)连接在 一起的。一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合
长环肽链的构象常具有相当的柔性(flexibility)
功能意义：这类柔性肽链的构象一般在Ｘ射线结构分析 和NMR结构分析中都难于测定。但这种构象柔性常常对蛋 白质的功能发挥具有特定意义，通过这种柔性肽段的运动， 可以将蛋白质的活性中心打开，也可以将其关闭，以适应 在活性发挥不同阶段的不同立体化学环境要求。