蛋白质工程ppt详细版.ppt
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。
蛋白质工程
蛋白质
1.蛋白质的功能：1.催化 2.调节 3.受体 4.转运 5.贮存 6.运动 7.结构成分 8防御 9异常功能
2.氨基酸构型：指一个分子中原子的特定空间排布，不同的构型如果没有共价键的破坏是不能互变的
3.氨基酸构象：指具有相同的结构式和相同的构型的分子在空间里可能的多种状态，构象形态间的改变不涉及共价键的破坏
4.氨基酸的等电点：在某一PH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的PH值称为该氨基酸的等电点
等电点：（PI）在某一PH溶液中，氨基酸解离成阴离子和阳离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液中的PH值称为氨基酸的等电点。
（1）PH
（2）加酸 解离出正电荷
5.肽键：由一个氨基酸的a-羧基与别一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成的化学键，肽键中的C-N键具部分双键性质，不能自由旋转
6.肽单位：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
7.肽平面：肽键具有一定程度的双键性质，参与肽键的六个原子C、H、O、N、Cα1、Cα2不能自由转动，位于同一平面，此平面就是肽平面，也叫酰胺平面。
8.蛋白质一级结构：多肽链中氨基酸的排列顺序，由遗传密码的排列顺序决定，一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，主要化学键是肽键
9.Anfinsen原理：决定蛋白质分子高级结构的全部信息都包含在一级结构即多肽链的氨基酸序列中，蛋白质的一级结构决定了二级、三级等高级结构，这就是著名的Anfinsen原理
蛋白质二级结构：蛋白质分子中某一段肽键的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象
10.蛋白质的二级结构：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。主要化学键：氢键
蛋白质工程 2
----------------------------精品word文档 值得下载 值得拥有----------------------------------------------
----------------------------精品word文档 值得下载 值得拥有----------------------------------------------
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第三节 蛋白质工程
学习目标：
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由；
2.简述蛋白质工程的原理；
课前导学：
一、蛋白质工程的概念
1．蛋白质工程是指通过物理化学、生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助技术、基因定点诱变和重组DNA技术改造 ，以
改造天然蛋白质，甚至创造 的蛋白质的技术。
2.蛋白质工程的关键技术是 ，因此又被称为 基因工程。
二、蛋白质工程的原理
（一）基本流程
1. ：获得蛋白质分子的结构信息，确定蛋白质的结构。
2. ：利用已知的蛋白质结构信息，构建蛋白质的空间结构模型。
3. ：包括基因的分离、诱变、克隆、表达等，它们是蛋白质工程的关键技术。
4. ：纯化蛋白质，对蛋白质的结构和功能进行测定和分析。
5. ：分析蛋白质的生物学和化学特性，为进一步预测和设计奠定基础。
蛋白质工程(1)
蛋白质工程：以蛋白质的结构与功能为基础，利用基因修饰或基因合成而改造现存蛋白质或组建新型蛋白质的现代生物技术，是基因工程的深化和发展。
蛋白质结构：一级结构：蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。
二级结构：一段连续的肽单位借助氢键排列成具有周期性结构的构象。
三级结构：蛋白质多肽链在各种二级结构的基础上，进一步盘曲折叠形成具有一定规律的三维空间。
四级结构：由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链组成的蛋白质的寡居蛋白，通过肽链间的次级键相互结合形成的空间结构。
蛋白质超二级结构：相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成规则排列的组合体，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合体称为超二级结构，或结构模体。
结构域：指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。结构域是蛋白质折叠中的一个结构层次，介于超二级结构和三级结构之间，是蛋白质三级结构的基本单位，也是蛋白质功能的基本单位。
蛋白质变性：天然蛋白质分子受到某些物理因素（热、紫外线、高压）或化学因素（有机溶剂、脲、胍、酸、碱）的影响，引起蛋白质天然结构的破坏，导致生物活性的降低或完全丧失。
蛋白质折叠：蛋白质因所含氨基酸残基的亲水性、疏水性、带正电、带负电……等等特性通过残基间的相互作用而折叠成一立体的三级结构。
蛋白质定向进化：在实验室中模仿自然进化的关键步骤-突变、重组和筛选，在较短时间内完成漫长的自然进化过程，有效地改造蛋白质，使之适于人类的需要。
蛋白质的分子设计：蛋白质的分子设计就是为有目的的蛋白质工程改造提供设计方案，确保获得比天然蛋白质性能更加优越的新型蛋白质。
第二遗传密码：氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在着对应关系，人们称之为第二遗传密码或折叠密码。
蛋白质的化学修饰：凡通过活性基团的引入或去除，而使蛋白质一级结构发生改变的过程。
蛋白质组：基因组表达全部蛋白质及其存在方式，或基因组、一个细胞或一种生物表达的所有蛋白质。
蛋白质工程 3
蛋白质工程
胡峰 生技31201班 学号：201204470
蛋白质工程，是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学，计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识通过对基因的人工定向改造等手段，对蛋白质进行修饰，改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。
一. 是对天然蛋白质的一个或几个氨基酸残基进行修改。它往往利用点突变的技术，在维持蛋白质原有功能的基础上，改进某一些性质特点。
案例：1.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。
2.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。因此，将胰岛素B链改为B28Lys－B29Pro，获得单体速效胰岛素。
二．对蛋白质分子中某些结构单元或肽段进行分子裁剪，在不同的蛋白质分子之间替换结构单元，以期得到新的功能组合。
蛋白质工程 4
蛋白质工程
1、 抗体库的筛选（主要内容）
概述
抗体库的经典筛选法
细胞筛选法
组织筛选法
体内筛选法
蛋白质芯片筛选法
选择性感染筛选法
1、 抗体库技术具有高效筛选能力
经典方法是用固相或液相化得抗原与抗体库孵育，通过数轮吸附-洗脱-扩增，使特异性克隆得以富集。
简便、快速、高效
2、 影响筛选效果的因素
库容、多样性、保存条件、扩增情况、筛选手段等
3、 筛选方法分类
a) 纯化抗原进行的筛选
b) 非纯化抗原进行的筛选
4、 筛选方法分类
A、纯化抗原进行的筛选
（1）固相化抗原筛选法
纯抗原包被在固相载体表面,加入抗体库进行筛选
（2）抗原液相筛选法
纯抗原标记生物素，链亲和素包被磁珠 / 在溶液中与抗体库作用，进行筛选
B、 非纯化抗原进行的筛选
(1) 细胞筛选法
可筛选常规手段无法得到的针对细胞表面分子的特异抗体，如抗肿瘤细胞的抗体。
(2) 组织或体内筛选法
将抗体库注入动物体内进行筛选,直接用组织筛选
(3) 蛋白质芯片筛选法
运用蛋白质芯片进行筛选 / 可高密度、自动化
6、经典筛选法
A、固相化抗原筛选法
（1）酶标板筛选法
抗原包被，抗体库孵育，洗脱，扩增
（2）免疫试管筛选法
基本过程：抗原包被，抗体库孵育，洗脱，扩增 显著增加包被抗原的面积和抗原抗体接触机会
B、 液相化抗原筛选法
消耗抗原较少可控；不会破坏抗原表位
基本环节：生物素标记抗原，抗体库孵育，链亲和素磁珠孵育，磁棒回收目的物，洗涤，扩增。
优点：效率高—极大增加了抗原与抗体库接触机会。 可调整筛选体系参数。可预定所期望的抗体亲和力
5、 目的抗体的分析鉴定：抗体片段表达克隆的ELISA分析。采用ELISA法对抗体表达克隆进行鉴定
6、 细胞筛选法
A、细胞法
用于难以得到或对其性质一无所知的抗原的筛选
蛋白质工程 5
课题4 蛋白质工程
教学目标
考点：蛋白质工程（A级，课标要求：1 .举例说出蛋白质工程崛起的缘由 2.简述蛋白质工程的原理；3.通过讨论、进展追踪等活动，提高收集资料、处理资料、撰写专题综述报告的能力。）
案例引入
通过图片引入，想让一种生物性状在另一种生物中表达，在种内可以通过常规杂交育种的方法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，需基因工程。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构，性能不能完全满足人类生产和生活的需要。这就需要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。
自主学习
一、概念：以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系为基础，通过物理、化学与生物化学等技术，并借助计算机辅助设计、 和重组DNA技术 ，以
天然蛋白质，甚至创造自然界中 的蛋白质，以满足生产、生活需要。
二、基本方法、原理
从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)，具体见下图：
三、蛋白质工程的主要知识点分析
①关键技术是 ，其主要包括内容有 等。
②实施蛋白质工程的前提条件是 。
③测定蛋白质空间结构常用的方法：测定其三维空间结构 ， 了解其构象 。
④蛋白质改造的方法及其含义
“大改”——是指根据 的性质和特点，设计并制造出自然界中 的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能。
1.4 蛋白质工程的崛起
蛋白质
1. 蛋白质的概念
蛋白质是对生命至关重要的一类生物大分子，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。如血浆蛋白质、纤维状蛋白质、酶蛋白质等 。
2. 生活中的蛋白质
展示各种生活中蛋白质的图片。 还有些什么？
3. 蛋白质的功能
蛋白质是一类重要而复杂的生物大分子，它广泛地存在于所有生物界的机体之中，具有许多重要的作用：
①酶：构成生物体新陈代谢的几乎全部的化学反应都是在活性蛋白质-酶的催化下进行的；
②抗原抗体：高等动物的免疫反应，也主要是通过蛋白质即抗原和抗体来完成的；，免疫球蛋白
③运动：运动时的肌肉收缩靠的是某些蛋白质的相互作用来完成的；鞭毛、肌肉蛋白
④呼吸：运输氧和二氧化碳的是血红蛋白；
⑤激素：具有代谢和调节功能的是多种蛋白质激素。
蛋白质的应用
①蛋白质是人类赖以维持生命的重要营养来源之一。人们需要从各种肉、蛋、奶、豆类等主要食品中获得所需的蛋白质营养。
②用蛋白质诊断和治疗某些疾病。淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶用于帮助消化，治疗某些消化不良性疾病；胰岛素用于治疗严重的糖尿病；转氨酶作为肝病变的指标等。
③食品工业和轻工业中主要应用蛋白质或利用蛋白质的性质制造各种产品。例如，酿造业要用蛋白酶来增加酱油的鲜味等。用于人类衣着的羊毛、纺织品和皮革主要组成是蛋白质。
4. 蛋白质的结构
① 氨基酸是蛋白质的基本结构单位，各种氨基酸之间通过肽键彼此按直线形头尾相连，构成不同长短的肽链。
② 肽链又以一定方式折叠盘绕成独特的空间结构，这时才产生具有生物活性的天然蛋白质。
③ 多肽链的折叠可分为四种不同层次的结构。
1.4蛋白质工程的崛起
1.4蛋白质工程的崛起
创设情
岛胰素造改然天岛素制剂胰在存储易中形成二体和六聚体聚，缓延岛胰素从注部射位入进血，液而从延缓其降了糖作血，用这是胰岛b23素b-2氨基酸残基结8所致构。利用蛋质白工程技术变这改残些，基则降可其聚低作合，用使胰素岛快起速作用。该速效胰素已岛过通床实临验。这制剂的种成形是正用了利白蛋质工技术。程
境主
自务：阅读教任第材62页二段时第间：分钟问3:1.题因基程工实的是什么？质习
2.学基工程因的肢就是不么什?.3天蛋白然质的不是肢什？么
4蛋.质白程的目的是什么？工
反问一蛋、黑工程崛质的起至由缘题归属于1基、因工程应当的用1()基因工程虚的质：一将种物的生因转基安远另一至种物生体内，使者后生产不本能生产蛋白的质进，而现表出以性状。
的2()因基程工的不：足原则上只能生在自然产界已存的在白质蛋。
纳
问题
归属于2天然、蛋质黑的肢不天然白蛋质生物就是在虽说期过化程中成形的它，们的构和功结合乎能够特物种定期存款的须要，生却不定一完全符合类人产生生活的和须要。
3、要蛋白工程质的目生的产符合人类产和生生活的要需的蛋白。质纳
比如
满足人：生类产生和的需要活造改
干素扰(半胱酸氨)体外很保难玉存米赖氨酸不含中比量高较
扰素(干氨酸丝)外可体保存以年玉半中赖氨酸米含量提高数可倍天冬酸激酶氨(32位的苏氨酸)二5吡啶二氢酸羧合酶成1(04位天冬的酰)胺改造天冬氨酸激酶(异亮氨酸)氢二吡二啶羧合酸成(异亮酶酸氨)改造
独立自主
任务：阅读教第材62第三段页时间：3分钟题问1.蛋：质工白的程标目是什么？ 自学2.蛋白质工程的原？理考26页思二个第号问3.蛋质工白的程基本径途什是？么
.4总出结么什是白质蛋工程？
反问二蛋白、质工程的基本理1、目原：
《蛋白质工程》 讲义
《蛋白质工程》 讲义
一、蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指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，以满足人类的生产和生活的需求。
通俗地说，蛋白质工程就是“在分子水平上对蛋白质进行加工”，就好像是一个极其精细的“分子裁缝”，对蛋白质这个“布料”进行裁剪、拼接和修饰，让它具备我们所期望的性能和功能。
二、蛋白质工程的发展历程
蛋白质工程的发展并非一蹴而就，而是经历了一个逐步演进的过程。
早期的研究主要集中在对蛋白质的化学修饰上，试图通过化学方法改变蛋白质的结构和功能。但这种方法存在很多局限性，比如修饰的位点和程度难以精确控制，而且可能会导致蛋白质的活性降低甚至失活。
随着基因工程技术的兴起，人们能够更加精确地操纵基因，从而为蛋白质工程的发展提供了强大的技术支持。通过基因重组和定点突变等技术，科学家可以有针对性地改变蛋白质中的氨基酸序列，进而实现对蛋白质结构和功能的改造。 近年来，随着结构生物学、生物信息学和计算机模拟技术的飞速发展，蛋白质工程进入了一个新的阶段。现在，我们可以在原子水平上解析蛋白质的结构，利用生物信息学方法分析蛋白质的结构与功能关系，并且通过计算机模拟来预测蛋白质结构和功能的变化，从而更加高效、准确地设计和改造蛋白质。
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的基本原理主要包括以下几个方面：
1、 蛋白质的结构与功能关系
要对蛋白质进行工程化改造，首先需要深入了解蛋白质的结构与功能之间的关系。蛋白质的结构决定了其功能，而功能的实现又依赖于特定的结构。例如，酶的活性中心的结构决定了其催化反应的特异性和效率。
2、 基因指导蛋白质合成
蛋白质是由基因编码的，通过对基因进行操作，可以实现对蛋白质的改造。这就像是给蛋白质的“生产蓝图”进行修改，从而制造出具有新特性的蛋白质。
3、 定点突变技术
定点突变是蛋白质工程中常用的技术手段之一。通过在基因中特定的位置引入突变，从而改变蛋白质中相应的氨基酸序列，进而影响蛋白质的结构和功能。 4、 蛋白质的折叠与稳定性