生物技术概论蛋白质工程课件

第三章蛋白质工程

ProteinEngineering主要讲授内容：1概述2蛋白质的结构基础3蛋白质工程的研究方法4蛋白质工程技术的应用5蛋白质组学本章要求：了解蛋白质的基础结构理解蛋白质的研究方法了解蛋白质的运用了解蛋白质组学蛋白质很重要具体表现在：1）蛋白质执行着酶的功能2）通过激素调节代谢作用3）产生相应的抗体4）构建各种生物膜1.2蛋白质工程蛋白质工程就是在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。蛋白质工程自诞生之日起，就与基因工程密不可分。2.1蛋白质的一级结构（primarystructure)

2.1.1定义

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。

2.1.2Anfinsen原理

每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序即一级结构，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构，也就是蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级三级等高级结构2蛋白质的结构基础2.1.3等电点蛋白质颗粒的电荷，既取决于其分子组成中碱性和酸性氨基酸的含量，又受所处溶液的pH影响。当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质游离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子（净电荷为O)，此时溶液的pH值称为蛋白质的等电点pI)。2.1蛋白质的一级结构四种不同的α－螺旋在平行（A）和反平行（B）β－折叠片中

氢键的排列RNase的一些二级结构2.3三级结构（tertiarystructure）

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胰岛素的三级结构

血红蛋白的四级结构2.5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2.6蛋白质空间结构分析蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结构与功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。蛋白质数据库，HPDB数据库蛋白质空间结构预测，如Homology等软件分析2.7蛋白质结构与功能的关系2.7.1结构决定功能必须基团、非必须基团2.7.2如何利用结构执行特定的功能的呢？正逐步被揭示3蛋白质工程的研究方法

3.1蛋白质工程的研究策略反向生物学技术根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据，可以预测一定氨基酸序列肽链空间结构和生物功能；反之也可以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。序列功能预测流程图

3.2蛋白质全新设计3.2.1设计目标的选择3.2.2蛋白质设计技术与方法序列最简化法3.2.3改变现有蛋白质的结构3.2.3.1基本步骤3.2.3.2人工定点突变M13载体法PCR法4蛋白质工程技术的应用4.1胰蛋白酶4.2金属硫蛋白4.3人白细胞介素-24.4组织纤溶酶原激活因子4.5枯草杆菌蛋白酶

4)增强机体对各种不良状态的适应能力：当机体处于各种不良状态时，体内MT含量增加，从而提高锌、铜、锰、铁、钼、硒、钴、碘等微量元素的浓度，机体适应能力随之增强。

5)锌元素的贮存库：每100毫克锌金属硫蛋白含6.9毫克锌，肝、肾中的锌元素主要是以金属硫蛋白的形式贮存。

6)防止细胞癌变：MT可消除自由基、重金属（砷、汞、镉、铬、镍）、烷化剂、电离辐射以及紫外线对DNA、RNA、酶、蛋白质以及细胞膜的损伤，从而可以防止它们的致癌、致突变作用

4.2金属硫蛋白从1978年到1999年共举行了四次国际专题研讨会，我国将MT列入863重大攻关计划，1995年列入国家级[火炬计划]。结果表明：MT在抗电离辐射、紫外线照射、解除金属毒素、治疗消化道溃疡、心肌梗塞、各种炎症、各种癌症、美容护肤、减轻吸烟及环境污染对人体的危害及抗过敏等方面均有显著疗效。结构域的拼接

5蛋白质组学（Proteomics）

2001年的Science杂志已把蛋白质组学列为六大研究热点之一，其“热度”仅次于干细胞研究

5.1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。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。

5.2蛋白质组学研究的研究意义和背景

随着人类基因组计划的实施和推进，生命科学研究已进入了后基因组时代。在这个时代，生命科学的主要研究对象是功能基因组学，包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。1996年，澳大利亚建立了世界上第一个蛋白质组研究中心：Australia

Proteome

Analysis

Facility

(

APAF

)

5.3蛋白质组学的研究内容包括：5.3.1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。5.3.2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。5.3.3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。5.3.4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。5.4蛋白质组学研究技术5.4.1

蛋白质组研究中的样品制备5.4.2

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

(2D-LC)、二维毛细管电泳

(2D-CE)、液相色谱－毛细管电泳

(LC-CE)

5.5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5.6蛋白质组学在临床研究中的应用

临床蛋白质组学是将蛋白质组学技术应用于临床医学研究，它主要围绕疾病的预防、早期诊断和治疗等方面开展研究，比如体液蛋白质组学、心血管蛋白质组学、药物蛋白质组学、肿瘤蛋白质组学