生物技術與人類生活6蛋白質工程課件

8-02蛋白質工程學習目的初步了解蛋白質結構，以及蛋白質分子設計和蛋白質修飾和表達等的基本原理。了解如何利用蛋白質工程技術和其他相關技術獲得更加符合人類需求且比天然蛋白質更優(yōu)良的蛋白質。8-02蛋白質工程8-02.1蛋白質結構基礎8-02.1.1蛋白質結構的基本構件

蛋白質、核酸、多糖和脂類等生物大分子的結構與功能。蛋白質工程8-02.1.1蛋白質結構的基本構建8-0蛋白質的化學組成基本元素:

有機元素:碳、氫、氧和氮無機元素:堿金屬、堿土金屬和重金屬

蛋白質:、胨、肽氨基酸分類:

非極性R基氨基酸、不帶電荷的極性R基氨基酸、帶正電荷的R

基氨基酸、帶負電荷的R基酸性氨基酸

蛋白質工程

8-0蛋白質的一級結構各種氨基酸的簡寫符號名稱三字母符號單字母符號名稱三字母符號單字母符號丙氨酸AlaA異亮氨酸IleI精氨酸ArgR亮氨酸LeuL天冬酰胺AsnN賴氨酸LysK天冬氨酸AspD蛋氨酸MetMAsn或AspAsxB苯丙氨酸PheF半胱氨酸CysC脯氨酸ProP谷氨酰胺GlnQ絲氨酸SerS谷氨酸GluE蘇氨酸ThrTGln或GluGlxZ色氨酸TrpW甘氨酸GlyG酪氨酸TyrY組氨酸HisH纈氨酸ValV8-02.1.1蛋白質結構的基本構建蛋白質工程8-0蛋白質的一級結構多肽鏈

:由許多氨基酸按一定的排列順序通過肽鍵相連而成。酰胺鍵

:一個氨基酸的氨基與另一氨基酸的羧基縮合失去一分子水。

肽鍵結構

蛋白質工程8-0蛋白質的一級結構XYZ人ThrThrIle豬AlaThrIle牛AlaAlaVal圖6-2豬、牛和人的胰島素的一級結構蛋白質工程8-02.1.2蛋白質的高級結構α螺旋結構

β折疊結構

蛋白質工程

8-02.1.2蛋白質的高級結構三級結構:在三維空間中沿著多方向進行卷曲、折疊、盤繞而成的近似球形的結構。蛋白質構象作用力:R基之間的氫鍵非極性R基之間的疏水基相互作用α螺旋和β折疊中的肽鏈內或肽鏈間的氫鍵帶正負電荷的R基之間的離子鍵蛋白質工程

8-02.1.2蛋白質的高級結構亞基(三級結構)

一條多肽鏈組成。

數條多肽鏈組成，這些多肽鏈通常以二硫鍵相連接成為亞基。

四級結構亞基聚合而成亞基之間非共價鍵結合均一四級結構非均一四級結構

蛋白質工程8-02.1蛋白質結構基礎8-02.1.3蛋白質分子之間的相互作用

蛋白質工程8-02.1.3蛋白質分子之間的相互作用鉬鐵蛋白和鐵蛋白相互作用示意圖(引自Schlessmanetal.)鐵蛋白鉬鐵蛋白蛋白質工程8-02.1蛋白質結構基礎8-02.1.4蛋白質結構與功能的關系蛋白質必須具備特定的結構，才能表現特定的功能，在蛋白質肽鏈中有一些基團對特定功能而言是必需基團，另一些是非必需基團。在體內，蛋白質分子是如何利用它的特定結構執(zhí)行特定的生物功能的。

蛋白質工程8-02.1.4蛋白質結構與功能的關系

鐵蛋白的分子結構是由鐵核和蛋白質殼組成的。

鐵蛋白的隧道可分為電子隧道和物質交換隧道，前者起著傳遞電子的作用，后者起著物質交換的通道作用。

鐵蛋白蛋白質殼通過柔性調節(jié)產生電子傳遞現象。蛋白質工程8-02.1.4蛋白質結構與功能的關系

鐵蛋白分子結構圖A：蛋白質殼；B：鐵核；C：三相物質交換隧道

A蛋白質工程8-02.1.4蛋白質結構與功能的關系proteaseinhibitor-proteasecomplexinhibitor

絲氨酸蛋白酶抑制劑(Serpins)抑制蛋白酶活性的途徑與機理蛋白質工程8-02蛋白質工程8-02.2蛋白質工程的研究方法8-02.2.1蛋白質工程的研究策略

蛋白質工程的基本途徑：從預期功能出發(fā)，設計期望的結構，合成目的基因且有效克隆表達或通過誘變、定向修飾和改造等一系列工序，合成新型優(yōu)良蛋白質。

蛋白質工程8-02.2.1蛋白質工程的研究策略蛋白質工程的主要研究手段:利用所謂的反向生物學技術，其基本思路是按期望的結構尋找最適合的氨基酸序列，通過計算機設計，進而模擬特定的氨基酸序列在細胞內或在體內環(huán)境中進行多肽折疊而成三維結構的全過程，并預測蛋白質的空間結構和表達出生物學功能的可能及其高低程度。

蛋白質工程8-02.2.1蛋白質工程的研究策略蛋白質工程8-02.2.2蛋白質的全新設計8-0蛋白質設計技術與方法

常用的蛋白質設計思路

是否存在蛋白質多聚體狀態(tài)；二級結構與預期目標是否吻合。

是否具有預定的三級結構。圓二色譜和核磁共振技術可用于研究蛋白質。

是否以單分子或多聚體形式存在。三級結構測定目前主要依靠熒光和核磁共振技術。體積排阻色譜法也可以用于判斷分子體積大小、聚合體數目和蛋白質結構是處于無規(guī)則狀態(tài)或三級結構等生化參數。蛋白質工程8-02.2.2蛋白質的全新設計

天然的鋅指多肽FSD-1多肽(從頭設計)蛋白質工程8-02.2.3改變現有蛋白質的結構8-0M13載體法該法的原理是利用人工合成帶突變位點的寡聚核苷酸作為引物，利用M13噬菌體載體系統(tǒng)合成突變基因。蛋白質工程8-0M13載體法

M13載體法基因人工定點突變示意圖（引自吳乃虎，1998）蛋白質工程8-0ＰＣＲ擴增法

該法的原理也是利用人工合成帶突變位點的誘變引物，通過ＰＣＲ擴增而獲得定點突變的基因。PCR定點誘變法可分為重組PCR定點誘變法和大引物誘變法兩種。蛋白質工程8-02.2.3改變蛋白質的現有結構

重組PCR定點突變法示意圖（引自吳乃虎，1998）蛋白質工程8-0PCR擴增法

大引物誘變法示意圖（引自吳乃虎，1998）蛋白質工程8-0PCR擴增法8-02蛋白質工程

8-02.3蛋白質工程的應用實例

8-02.3.1胰蛋白酶

223個氨基酸殘基和以異亮氨酸為N端的單肽鏈。Arg117位自溶點的缺失突變，得到缺失突變體，其結果表明該突變體的穩(wěn)定性明顯提高。將酶分子表面的正電荷改變成負電荷，以提高胰蛋白酶催化活性中心His57的pKa值，在pH較高的條件下顯示出對精氨酸具有更高的專一性。蛋白質工程8-02.3蛋白質工程的應用實例

8-02.3.2人白細胞介素-2

由133個氨基酸殘基組成，共有三個半胱氨酸。二硫鍵的錯誤配對將降低其生物學活性并對人具有抗原性。用基因定點突變方法可將IL-2的125位Cys改為絲氨酸（Ser）或丙氨酸（Ala），避免錯誤配對的產生，而且其熱穩(wěn)定性等方面也有較明顯的改善。蛋白質工程8-02.4蛋白質組學

針對有關基因或轉錄組數據庫的生物體或組織/細胞，建立其蛋白質組或亞蛋白質組及其蛋白質組連鎖群，即組成性蛋白質組學研究。

以重要生命過程或人類重大疾病為對象，進行重要的生理/病理體系或過程的局部蛋白質研究，即比較蛋白質組學研究

。

蛋白質組學支撐技術平臺或生物信息學研究。8-02蛋白質工程蛋白質工程8-02.4蛋白質組學

部分醫(yī)學科學重點研究領域

研究細胞的增殖、分化、異常轉化、腫瘤形成等方面，涉及白血病、乳腺癌、結腸癌和神經母細胞瘤等重大疾病。

蛋白質工程目前國內研究進展

重大疾病（如肝癌）、維甲酸誘導白血病細胞凋亡啟動模型。維甲酸定向誘導胚胎干細胞向神經系統(tǒng)分化的蛋白質組。血清中篩選診斷重大疾病的標志物——人血清蛋白質組學。各類腫瘤疾病形成過程中,參與信號轉導通道的蛋白質組。蛋白質工程8-02.4蛋白質組學復習思考題簡單敘述蛋白質結構的基本組件。簡述氨基酸的基本理化性質。簡單描述反向生物學的途徑。舉例說明對現有蛋白質進行改造的主要方法及其應用。什么是蛋白質組學？8-02蛋白質工程蛋白質工程主要參考文獻1．沈同，王鏡巖，趙邦悌.1980.生物化學（上，下冊）.北京：高等教育出版社2.王大成.2002.蛋白質工程.北京：化學工業(yè)出版社3.PenningtonSR，DunnMJ.2001.Proteomics:fromProteinSequencetoFuncation.NewYork:BIOSScientificPublisherLimited4.沈仁權，顧其敏，李泳裳等.1980.基礎生物化學.上海：上?？?/p>