蛋白质工程的应用实例共28页
蛋白质工程技术在生产中的应用
蛋白质工程技术在生产中的应用蛋白质工程技术是一种快速发展的生物技术，它不仅可以解决传统蛋白质生产过程中所存在的诸多问题，提升了工业化生产的效率和质量，更重要的是，它在医药、食品、环境、工业等领域的广泛应用，为人类带来了诸多福利。
本文将介绍蛋白质工程技术在生产中的应用。
一、蛋白质工程技术简介蛋白质工程技术是一种基于遗传工程、蛋白质化学和结构生物学的生物技术，在这个技术领域中，生物学家和化学家通过对蛋白质分子结构和功能的深入研究，发现了很多改变蛋白质分子结构和性质的方法，并运用这些方法对基因进行修改，从而实现对蛋白质产量、纯度、活性、稳定性、抗原性等方面的调控和提升。
二、蛋白质工程技术在医药领域的应用1、生产重组蛋白目前，生产重组蛋白是蛋白质工程技术在医药领域的主要应用之一。
复杂的蛋白质在传统的人工合成方法中难以得到大量的高质量的纯品，而重组DNA技术可以通过改变基因序列从而使得蛋白质在微生物生产的过程中得以大量表达。
在此基础上，通过蛋白纯化技术，可以得到高纯度、高效性的重组蛋白。
目前，重组蛋白已被广泛用于疫苗和药物的生产，如造血因子、生长激素、转化因子等，为治疗多种疾病提供了新的选择。
2、制备抗体类生物制品除了生产重组蛋白外，蛋白质工程技术还可用于开发抗体类生物制品，如单克隆抗体（mAb）等。
mAb是一种重要的抗体治疗药物，通过对基因进行修饰，可以使其在体内产生高效、特异性强的抗体，并对多种癌症、自身免疫性疾病等病症的治疗有着重要的作用。
3、开发新型蛋白质药物蛋白质药物是一类新颖而有效的药物，通过蛋白质工程技术，可以开发出更多种类的蛋白质药物，具有高效、靶向、可调节等优点。
以激动剂为例，这种具有高效、短效、剂量可控等特点的药物，在治疗高胰岛素同型性低血糖症、肿瘤、肺炎等方面有着广泛的应用前景。
三、蛋白质工程技术在食品领域的应用1、生产乳清蛋白粉乳清蛋白是一种高蛋白质、低脂肪、低糖的营养食品，具有免疫调节、抗氧化、增强肌肉力量等多种功效。
蛋白质工程的原理和应用课件-高二生物人教版选择性必修3
中，目前可行的直接操作对象是（ A ）
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质
练习与应用（P96）
二.拓展应用 T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4 溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后 以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是， 在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提 高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本 原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因 是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有 很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特 性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小 等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。
氨基酸组成
B28位脯氨酸替换为天 冬氨酸或将它与B29位
的赖氨酸交换位置
有效抑制胰 岛素的聚合
行使
功能 预期 结构
折叠 多肽链
翻译 mRNA
改造
转录 新胰岛 素基因
通过基因定点突变
一个氨基酸的改变或两个氨基酸位置互换
三、蛋白质工程的应用
半胱
氨酸
1.医药工业方面
②产生易保存的干扰素
天然干 扰素不 易保存
第六章蛋白质工程在食品工业中的应用
一、蛋白质工程的概念
蛋白质工程，是以蛋白质结构和功能的研究为基础，运用遗传工程的方法，借 助计算机信息处理技术，从改变或合成基因入手，定向的改造天然蛋白质或设 计全新的人工蛋白质分子，使之具有特定的结构、性质和功能，能更好的为人 类服务的一种生物技术。 蛋白质工程是继基因工程以后又一个可根据人们自己的意愿改造天然生物大分 子，甚至可以设计和创造全新的非天然的生物大分子的生物技术。蛋白质工程 可赋予蛋白质特殊的性质和功能，满足人们在某些特定条件下的特殊需要。选 择蛋白质为研究对象，是基于蛋白质具有多种多样的功能，以及它在各行各业 的广泛应用，因而会使这一技术更具有实际价值和开发前景。通常蛋白质工程 是以基因操作为基础的，是基因工程技术的发展和延伸，所以又被称为“第二 代遗传工程”。
三、蛋白质工程技术的发展历史
另一方面，同步辐射、强 X 射线源及镭探测器的使用，使数据收集过程大大加 速，从而使测定一个大分子结构所需的时间比过去大为缩短。例如，Bossman 等人仅用了 13 个月的时间就完成了分子质量为 800×104 Da 感冒病毒的结构测 定，而 Harrison 完成第一个植物病毒的结构测定却花了整整十年的艰苦努力。 近年来，随着蛋白质结构测定技术的改进和先进仪器设备的采用，已经积累了 大量的有关蛋白质高级结构和一级结构的数据，使我们能够从中寻找出一些有 关蛋白质折叠方式、结构以及与其功能性相关的规律，加之 DNA 测序技术的发 展，大大加速了蛋白质工程工作的研究进展。
1．建立蛋白质工程的研究方法系统
对蛋白质工程而言，已知基因的蛋白质也可以很容易地通过基因定位诱变的方 法，根据“中性突变”原则，把蛋白质结构功能元件两端的 DNA 序列修饰成限 制性内切酶位点而不改变蛋白质的氨基酸顺序，实现某段基因编码 DNA 的重组， 最后实现对蛋白质结构功能区域的分解重组。这类方法应用较多的是抗体免疫 球蛋白分子上的试验，在轻链、重链 12 个结构域中，有试验将人的抗体分子重 链上的抗原互补决定簇换成了小鼠的抗原决定簇，结果小鼠的单抗分子所具备 的抗原结合专一性的确转移到人的抗体上了。这就可以用小鼠制备单抗，然后 转移给人的抗体，使重组体具有与人的单抗一致的效果，这种制备的方法要比 直接制备方法简单方便。有些蛋白质的功能特性与特定的氨基酸侧链有关，这 类蛋白质的改造，一般来说不需要以完整的空间结构为基础进行分子设计，只 要改变相应的氨基酸种类即可，但是如何进行改变，换成哪种氨基酸，置换后 将会对蛋白质结构功能有何影响，则要仔细研究和筛选了。
蛋白质工程的原理和应用(教学课件) 高二下学期生物人教版(2019)选择性必修3
结晶牛胰岛素发展小史
01 蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的优势及缺陷①优势：目的基因→ 重组DNA 分子→受体细胞→定向改造生物遗传特 性→获得蛋白质产品②缺陷：基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。不 一定完全符合人类生产和生活的需要。理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
思考 ·讨论
苯丙 氨酸
赖氨酸
丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
(2)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因?确定目的基因的碱基序列 会 用 到基 因定点突变技 术来进行碱基的 替换、增添等 。举例
赖氨酸含量低合成时需： 天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成酶。苏氨酸(352位)产量提高异亮氨酸
MSYNLLGFLQRSSNFCOQKLLWQLNGRLEYOLKDRMNFDIPEEIKQLQQF QKEDAALNIY EMLQNIFAIF RQDSSSTGWN ETIVENLLAN VYHQINHLKT VLEEKLEKED FTRGKLMSSL HLKRYYGRILHYLKAKEYSH
II.其它工业方面
蛋白质工程——难度大蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而 这种高级结构往往十分复杂。要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不 断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工 程将会给人类带来更多的福祉。
(amprimarydstsructuernece)
级结构
判断(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质 ( (2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA 来实现的 ((3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性
蛋白质工程的原理和应用 新教材课件-高二生物人教版(2019)选择性必修3
转录
多肽链
mRNA
第一步、难度最大
从预期的蛋白质功能出发→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。
构建基因表达载体 导入受体细胞（需要酶和载体）
蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
异想天开
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入 合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后 的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些 蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设 计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级 结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物 体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具 有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生 理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入 的研究。
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； ②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； ③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
三、蛋白质工程的基本原理 天然蛋白质的合成过程
DNA(基因）
转录
翻译 mRNA
多肽链 折叠等
表达生物特有 的功能或性状
四、蛋白质工程的应用
1.研发速效胰岛素类似物
定点突（诱）变
天然蛋白 质易形成 二聚体或 六聚体
预期 功能
降低胰岛 素的聚合
蛋白质工程的原理和应用课件高二下学期生物人教版选择性必修3
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，使它防治病虫害的效果增强。
三、蛋白质工程的应用
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为 蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而 这种高级结构往往十分复杂。要设计出更加符合 人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随 着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来 更多的福祉。
一、蛋白质工程崛起的缘由 【实例】对天然酶的改造
玉米中赖氨酸含量比较低
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）
改造
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 赖氨酸含量提高5倍
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 （104位的天冬酰胺）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸） 赖氨酸含量提高2倍
二、蛋白质工程的基本原理
目的：改造或制造新蛋白质，满足人类的生产或生活的需要
直接操作对象： 基因 结果： 产生自然界原本不存在的蛋白质
一、蛋白质工程崛起的缘由
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。 基因工程的不足：
原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 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。
一、概念检测 1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。 （1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行
操作。（× ） （2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ×） （3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（√ ）
文档：蛋白质工程的实际应用
蛋白质工程的实际应用【提高稳定性】提高蛋白质的稳定性包括以下几个方面:(1)延长酶的半寿期;(2)提高酶的热稳定性;(3)延长药用蛋白的保存期;(4)抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失。
葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，朱国萍等人在确定第138位甘氨酸(Gly138)为目标氨基酸后，用双引物法对GI基因进行体外定点诱变，以脯氨酸(Pro138)替代Gly138，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果突变型GI比野生型的热半衰期长一倍;最适反应温度提高10~12℃;酶比活相同。
据分析，Pro替代Gly138后，可能由于引入了一个吡咯环，该侧链刚好能够填充于Gly138附近的空洞，使蛋白质空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性。
【融合蛋白质】脑啡肽(Enk)N端5肽线形结构是与δ型受体结合的基本功能区域，干扰素(IFN)是一种广谱抗病毒抗肿瘤的细胞因子。
黎孟枫等人化学合成了EnkN端5肽编码区，通过一连接3肽编码区与人α1型IFN基因连接，在大肠杆菌中表达了这一融合蛋白。
以体外人结肠腺癌细胞和多形胶质瘤细胞为模型，采用3H-胸腺嘧啶核苷掺入法证明该融合蛋白抑制肿瘤细胞生长的活性显著高于单纯的IFN，通过Naloxone竞争阻断实验证明，抑制活性的增高确由Enk导向区介导。
【活性改变】通常饭后30~60min，人血液中胰岛素的含量达到高峰，120~180min内恢复到基础水平。
而目前临床上使用的胰岛素制剂注射后120min后才出现高峰且持续180~240min，与人生理状况不符。
实验表明，胰岛素在高浓度(大于10-5mol/L)时以二聚体形式存在，低浓度时(小于10-9mol/L)时主要以单体形式存在。
设计速效胰岛素原则就是避免胰岛素形成聚合体。
类胰岛素生长因子-I(IGF-I)的结构和性质与胰岛素具有高度的同源性和三维结构的相似性，但IGF-I不形成二聚体。
IGF-I的B结构域(与胰岛素B链相对应)中B28-B29氨基酸序列与胰岛素B 链的B28-B29相比，发生颠倒。
生物人教版(2019)选择性必修3 3.4蛋白质工程的原理和利用(共25张ppt)
①加到鸡血细胞中，使鸡血细胞吸水张破(细胞膜和核膜的破裂)，从而释放出DNA ②加到含有DNA的物质的量浓度为2mol/L的NaCl溶液，调节NaCl溶液物质的量浓 度下降到0．14mol/L，使DNA黏稠物最大限度的析出
析出DNA 2次 ①用0.14 mol／L 的NaCI溶液析出DNA，过滤除去溶液中的杂质: ②用冷却的95％的酒精，获得含杂质较少的DNA丝状物（利用DNA不溶于酒精溶 液，但是细胞中的某些蛋白质则溶于酒精）
01 蛋白质工程崛起的缘由
前体物质
天冬氨酸激酶
赖氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
在玉米中活性很低， 造成赖氨酸含量较低
天冬氨酸激酶 （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 改造 （104位的天冬酰胺）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
提高产量
01 蛋白质工程崛起的缘由
以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，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，以满足人 类生产和生活的需求。
着重要应用。
01 蛋白质工程崛起的缘由
以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，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，以满足人 类生产和生活的需求。
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； ②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； ③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
的赖氨酸交换位置
折叠等
预期结构
行使 功能
速效胰岛 素类似物
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0033 蛋白质工程的应用