蛋白質(zhì)工程及應(yīng)用

1、第第三三章章 蛋白質(zhì)工程及其在食蛋白質(zhì)工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用品工業(yè)中的應(yīng)用概述 蛋白質(zhì)是對(duì)生命至關(guān)重要的一類生物大分子物質(zhì)，各種生命功能、生命現(xiàn)象、生命活動(dòng)都和蛋白質(zhì)有關(guān)。在生命有機(jī)體催化、運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、識(shí)別和調(diào)節(jié)等許多方面，起著關(guān)鍵的作用。酶酶.幾乎全都是蛋白質(zhì)。幾乎全都是蛋白質(zhì)。肌肉收縮、精子移動(dòng)、細(xì)胞分裂過程中的染色體移動(dòng)肌肉收縮、精子移動(dòng)、細(xì)胞分裂過程中的染色體移動(dòng).高等生物的有序生長和分化過程。高等生物的有序生長和分化過程?？贵w蛋白能識(shí)別和結(jié)合特異性的外源物質(zhì)，使人體具備抗體蛋白能識(shí)別和結(jié)合特異性的外源物質(zhì)，使人體具備抵抗各種細(xì)菌、真菌和病毒的能力。抵抗各種細(xì)菌、真菌和病毒的能力。

2、由神經(jīng)細(xì)胞膜蛋白構(gòu)成的離子通道，負(fù)責(zé)神經(jīng)沖動(dòng)的形由神經(jīng)細(xì)胞膜蛋白構(gòu)成的離子通道，負(fù)責(zé)神經(jīng)沖動(dòng)的形成和傳導(dǎo)。成和傳導(dǎo)。血紅蛋白具有結(jié)合和釋放氧的能力，是血液中氧、二氧血紅蛋白具有結(jié)合和釋放氧的能力，是血液中氧、二氧化碳和氫離子的攜帶者?；己蜌潆x子的攜帶者。另外，人體的毛發(fā)和指甲屬于角蛋白，而血栓是由血纖另外，人體的毛發(fā)和指甲屬于角蛋白，而血栓是由血纖蛋白單體聚合而成的。蛋白單體聚合而成的。蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能1.1.催化功能：催化功能：酶酶2.2.調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)功能：激素激素3.3.結(jié)構(gòu)功能：結(jié)構(gòu)功能：皮、毛、骨、牙、細(xì)胞骨架皮、毛、骨、牙、細(xì)胞骨架4.4.運(yùn)輸功能：運(yùn)輸功能：血紅蛋白血紅蛋白5

3、.5.免疫功能：免疫功能：免疫球蛋白免疫球蛋白6.6.運(yùn)動(dòng)功能：運(yùn)動(dòng)功能：鞭毛、肌肉蛋白鞭毛、肌肉蛋白7.7.儲(chǔ)藏功能：儲(chǔ)藏功能：酪蛋白酪蛋白8.8.生物膜功能：生物膜功能：及神經(jīng)傳導(dǎo)等及神經(jīng)傳導(dǎo)等 蛋白質(zhì)是蛋白質(zhì)是生命生命的體現(xiàn)者，離開了蛋白質(zhì)，生的體現(xiàn)者，離開了蛋白質(zhì)，生命將不復(fù)存在?？墒牵矬w內(nèi)存在的天然蛋白命將不復(fù)存在。可是，生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，有的往往不盡人意，需要進(jìn)行改造。質(zhì)，有的往往不盡人意，需要進(jìn)行改造。由于蛋白質(zhì)是由許多由于蛋白質(zhì)是由許多氨基酸氨基酸按一定順序連接按一定順序連接而成的，每一種蛋白質(zhì)有自己獨(dú)特的氨基酸順序，而成的，每一種蛋白質(zhì)有自己獨(dú)特的氨基酸順序，所以

4、改變其中關(guān)鍵的氨基酸就能改變蛋白質(zhì)的性所以改變其中關(guān)鍵的氨基酸就能改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)。質(zhì)。而氨基酸是由三聯(lián)體密碼決定的，只要而氨基酸是由三聯(lián)體密碼決定的，只要改變改變構(gòu)成遺傳密碼的一個(gè)或兩個(gè)堿基就能達(dá)到改造蛋構(gòu)成遺傳密碼的一個(gè)或兩個(gè)堿基就能達(dá)到改造蛋白質(zhì)的目的。白質(zhì)的目的。蛋白質(zhì)工程的一個(gè)重要途徑就是根據(jù)人們的蛋白質(zhì)工程的一個(gè)重要途徑就是根據(jù)人們的需要，對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因重新進(jìn)行設(shè)需要，對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使合成的蛋白質(zhì)變得更符合人類的需要。計(jì)，使合成的蛋白質(zhì)變得更符合人類的需要。蛋白質(zhì)工程就是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能為基礎(chǔ)，利用蛋白質(zhì)工程就是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能為基礎(chǔ)，

5、利用基因工程的手段，按照人類自身的需要，定向地改造基因工程的手段，按照人類自身的需要，定向地改造天然的蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、天然的蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。u蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程的概念19831983年，美國生物學(xué)家額爾默首先提出了年，美國生物學(xué)家額爾默首先提出了“蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程”的概念。蛋白質(zhì)工程的實(shí)踐依據(jù)的概念。蛋白質(zhì)工程的實(shí)踐依據(jù)DNADNA指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)，因指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)，因此，人們可以根據(jù)需要對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因進(jìn)此，人們可以根據(jù)需要對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使合成出來

6、的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變得符合人們行重新設(shè)計(jì)，使合成出來的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變得符合人們的要求。的要求。具體地說，蛋白質(zhì)工程就是通過對(duì)蛋白質(zhì)已知結(jié)構(gòu)和具體地說，蛋白質(zhì)工程就是通過對(duì)蛋白質(zhì)已知結(jié)構(gòu)和功能的了解，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，利用基因定點(diǎn)誘功能的了解，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，利用基因定點(diǎn)誘變等技術(shù)，特異性地對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行改造，借變等技術(shù)，特異性地對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因進(jìn)行改造，借以改善蛋白質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)（熱穩(wěn)定性、酶的專以改善蛋白質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)（熱穩(wěn)定性、酶的專一性），一性）， 或利用化學(xué)和物理手段，對(duì)目標(biāo)基因按預(yù)期或利用化學(xué)和物理手段，對(duì)目標(biāo)基因按預(yù)期設(shè)計(jì)進(jìn)行修飾和改造，合成新的蛋白質(zhì)。并由此深入設(shè)

7、計(jì)進(jìn)行修飾和改造，合成新的蛋白質(zhì)。并由此深入研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。u蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程就是運(yùn)用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能和分子蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程就是運(yùn)用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能和分子遺傳學(xué)知識(shí)，從改變或合成基因入手，定向地改造天然遺傳學(xué)知識(shí)，從改變或合成基因入手，定向地改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)制造新的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)制造新的蛋白質(zhì)三個(gè)步驟：三個(gè)步驟：1 1、獲得目的蛋白質(zhì)晶體，并利用、獲得目的蛋白質(zhì)晶體，并利用X X射線技術(shù)通過晶體射線技術(shù)通過晶體衍射儀收集衍射數(shù)據(jù)，然后對(duì)晶體進(jìn)行測量、分析，衍射儀收集衍射數(shù)據(jù)，然后對(duì)晶體進(jìn)行測量、分析，確定蛋

8、白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。確定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。2 2、借助計(jì)算機(jī)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行飾變，通過建立數(shù)據(jù)庫和、借助計(jì)算機(jī)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行飾變，通過建立數(shù)據(jù)庫和人工智能等途徑確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系確定需人工智能等途徑確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系確定需要修飾的位點(diǎn)。要修飾的位點(diǎn)。u蛋白質(zhì)工程的蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)和研究過程目標(biāo)和研究過程目標(biāo)：根據(jù)人們的需要改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)創(chuàng)造自然目標(biāo)：根據(jù)人們的需要改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)創(chuàng)造自然界原來沒有的全新蛋白質(zhì)界原來沒有的全新蛋白質(zhì)三個(gè)步驟：三個(gè)步驟：3、運(yùn)用定點(diǎn)突變技術(shù)等一系列基因操作技術(shù)手段來改、運(yùn)用定點(diǎn)突變技術(shù)等一系列基因操作技術(shù)手段來改變編碼蛋白質(zhì)的基因，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)

9、的改變。變編碼蛋白質(zhì)的基因，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的改變。對(duì)已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)對(duì)已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)“下手下手”，從結(jié)構(gòu)測定入手。，從結(jié)構(gòu)測定入手。創(chuàng)造全新的蛋白質(zhì)，要根據(jù)已有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能創(chuàng)造全新的蛋白質(zhì)，要根據(jù)已有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的信息資料進(jìn)行分子設(shè)計(jì)的信息資料進(jìn)行分子設(shè)計(jì)-基因表達(dá)基因表達(dá)-對(duì)表達(dá)產(chǎn)對(duì)表達(dá)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行檢測、分析。物的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行檢測、分析。必經(jīng)之路：（飾變、分析、檢測、修改）必經(jīng)之路：（飾變、分析、檢測、修改）*Nu蛋白質(zhì)工程的蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)和研究過程目標(biāo)和研究過程 蛋白質(zhì)工程是蛋白質(zhì)工程是在深入理解目標(biāo)蛋白質(zhì)的在深入理解目標(biāo)蛋白質(zhì)的“結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-功功能能 ”關(guān)系的基

10、礎(chǔ)上，進(jìn)行嚴(yán)格的分子設(shè)計(jì)，定向改造關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行嚴(yán)格的分子設(shè)計(jì)，定向改造一個(gè)預(yù)期的新特性的蛋白質(zhì)。一個(gè)預(yù)期的新特性的蛋白質(zhì)。一般的兩種情況：一般的兩種情況：對(duì)天然的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造。（已有的蛋白質(zhì)）對(duì)天然的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造。（已有的蛋白質(zhì)）完全重建一個(gè)自然界原來沒有的蛋白質(zhì)。（全新的）完全重建一個(gè)自然界原來沒有的蛋白質(zhì)。（全新的）對(duì)對(duì)天然天然的蛋白質(zhì)操作有：的蛋白質(zhì)操作有：少數(shù)幾個(gè)少數(shù)幾個(gè)AAAA殘疾進(jìn)行替換（小改）殘疾進(jìn)行替換（小改）分子剪裁（中改）分子剪裁（中改）局部重建（大改）局部重建（大改） 重建一個(gè)自然界重建一個(gè)自然界原來沒有原來沒有的蛋白質(zhì)：的蛋白質(zhì)： 從頭設(shè)計(jì)一個(gè)全新的蛋白質(zhì)從頭

11、設(shè)計(jì)一個(gè)全新的蛋白質(zhì) 目前，蛋白質(zhì)工程主要進(jìn)行的是中改、小改。目前，蛋白質(zhì)工程主要進(jìn)行的是中改、小改。 “大改大改”和和“從頭設(shè)計(jì)從頭設(shè)計(jì)”，要求必須全面掌握蛋白質(zhì)，要求必須全面掌握蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)的規(guī)律，掌握高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)的規(guī)律，掌握高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的相關(guān)性。相關(guān)性。 現(xiàn)存的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫還滿足不了對(duì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫還滿足不了對(duì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的研究的研究 實(shí)例1：玉米中賴氨酸的含量比較低 如果對(duì)賴氨酸合成過程中的兩個(gè)關(guān)鍵酶進(jìn)行改造,可以使玉米葉片和種子中的游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。原因：賴氨酸合成過程中兩個(gè)關(guān)鍵酶天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成

12、酶的活性，受細(xì)胞內(nèi)賴氨酸濃度的影響。當(dāng)賴氨酸濃度達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)抑制這兩種酶的活性。 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參

13、加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。 思考：對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)？應(yīng)該從對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。 二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1 1、蛋白質(zhì)

14、工程的目標(biāo)、蛋白質(zhì)工程的目標(biāo) 根據(jù)人們對(duì)根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能蛋白質(zhì)功能的特定需求，的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。2 2、天然蛋白質(zhì)的合成過程天然蛋白質(zhì)的合成過程DNADNA（基因）（基因）轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄mRNAmRNA翻譯翻譯蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)基因基因表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）形成氨基酸序列的多肽形成氨基酸序列的多肽鏈鏈形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能行使生物功能中心法則（centraldogma） 生物的遺傳信息從生物的遺傳信息從 DNA DNA傳遞給傳遞給mRNAmRNA的過程稱為轉(zhuǎn)的過程稱為轉(zhuǎn)錄。根據(jù)錄。根據(jù)mRNAmRNA

15、鏈上的遺傳信息合成蛋白質(zhì)的過程鏈上的遺傳信息合成蛋白質(zhì)的過程，被稱為翻譯和表達(dá)。，被稱為翻譯和表達(dá)。19581958年年CrickCrick將生物遺傳信將生物遺傳信息的這種傳遞方式稱為中心法則。息的這種傳遞方式稱為中心法則。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)翻譯翻譯轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制復(fù)制復(fù)制DNARNA中心法則中心法則：遺傳信息由DNA mRNA 蛋白質(zhì)的流動(dòng)途徑。補(bǔ)充和完善之處：A：RNA作為遺傳物質(zhì)能自我復(fù)制，并作為mRNA指導(dǎo)PRO的合成。 B：RNA能以逆轉(zhuǎn)錄的方式將遺傳信息傳遞給DNA分子。 復(fù)制復(fù)制：是親代雙鏈DNA按堿基配對(duì)原則，準(zhǔn)確形成兩個(gè)相同核苷酸序列的子代DNA分子的過程。兩條DNA鏈

16、都可作為復(fù)制的模板。 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄：是以一條DNA鏈為模板，將DNA鏈上儲(chǔ)存的遺傳信息按堿基配對(duì)原則準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成互補(bǔ)的mRNA的過程。 翻譯翻譯：是以mRNA為模板，將mRNA上的遺傳信息轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)的氨基酸序列的過程。 中心法則中心法則：遺傳信息由DNA mRNA 蛋白質(zhì)的流動(dòng)途徑。 、蛋白質(zhì)工程的基本途徑蛋白質(zhì)工程的基本途徑預(yù)期的蛋白質(zhì)功能預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）（基因）討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸丙氨酸色氨酸色氨酸賴氨

17、酸賴氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸（1 1）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。首先應(yīng)該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出首先應(yīng)該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出mRNAmRNA序列，序列，每種氨基每種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的三聯(lián)密碼子，只要查一下遺傳密碼子酸都有對(duì)應(yīng)的三聯(lián)密碼子，只要查一下遺傳密碼子表，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。表，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律推出脫氧核苷酸序列再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律推出脫氧核苷酸序列。但。但是由于上述氨基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多個(gè)三是由于上述氨

18、基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多個(gè)三聯(lián)密碼子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)聯(lián)密碼子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排列出雜，至少可以排列出1616種種。密碼子：密碼子：UCAUG A UUAmRNA密碼子密碼子密碼子密碼子密碼子密碼子mRNAmRNA上決定一個(gè)氨基酸的三個(gè)相鄰堿基上決定一個(gè)氨基酸的三個(gè)相鄰堿基密碼子總數(shù)：密碼子總數(shù)：4 43 3=64=64種種( (其中其中6161種密碼子是對(duì)應(yīng)氨基酸種密碼子是對(duì)應(yīng)氨基酸 和起始；另有和起始；另有3 3個(gè)不對(duì)應(yīng)氨基酸，只對(duì)應(yīng)終止個(gè)不對(duì)應(yīng)氨基酸，只對(duì)應(yīng)終止) )1 1種密碼子只對(duì)應(yīng)種密碼子只對(duì)應(yīng)1 1種氨基酸；種氨基酸；1 1種

19、氨基酸可以對(duì)應(yīng)多種密碼子種氨基酸可以對(duì)應(yīng)多種密碼子。 密碼子在生物界基本是通用的。這也是生物彼密碼子在生物界基本是通用的。這也是生物彼此間存在親緣關(guān)系的證據(jù)之一此間存在親緣關(guān)系的證據(jù)之一 。GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C） mRNAmRNA序列序列 脫氧核苷酸脫氧核苷酸序列序列GCT (GCT (或或C C或或A A或或G) TGGAAA (G) TGGAAA (或或G)ATGTTT (G)ATGTTT (或或C)C)CGA (CGA (或或G G或或T T或或C) ACCTTTC) ACCTTT（

20、或（或C)TACAAA (C)TACAAA (或或G)G)（2 2）確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能）確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（合成或改造目的基因（DNADNA）？）？確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)人類的需要改造它，通過人類的需要改造它，通過人工合成的方法人工合成的方法或從基因庫中獲取?；驈幕驇熘蝎@取。4 4、蛋白質(zhì)工程與基因工程的關(guān)系、蛋白質(zhì)工程與基因工程的關(guān)系 蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程，是包含多學(xué)科的綜合科技工程領(lǐng)域。 基因工程是通過基因操作把外源基因轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)纳矬w內(nèi)，并在其中進(jìn)行表

21、達(dá)，它的產(chǎn)品是該基因編碼的天然存在的蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，利用基因工程的手段，按照人類自身的需要，定向地改造天然的蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。 蛋白質(zhì)工程自誕生之日起，就與基因工程密不可分。蛋白質(zhì)工程根據(jù)對(duì)分子預(yù)先設(shè)計(jì)的方案，通過對(duì)天然蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造，來實(shí)現(xiàn)對(duì)它所編碼的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造。因此，它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質(zhì)，而是經(jīng)過改造的、具有了人類所需要的優(yōu)點(diǎn)的蛋白質(zhì)。5 蛋白質(zhì)工程與酶工程的關(guān)系 絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程與蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別？ 酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學(xué)的手段，應(yīng)用于

22、生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產(chǎn)和應(yīng)用兩方面組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。 通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設(shè)計(jì)酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點(diǎn)在于對(duì)已存酶的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點(diǎn)則在于對(duì)已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng)然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會(huì)應(yīng)用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。 蛋白質(zhì)分子的生物功能，與蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)密不可分。決定蛋白質(zhì)這種特殊生物功能的關(guān)鍵因素是它的分子構(gòu)象分子構(gòu)象 。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋

23、白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 基本組成單位-氨基酸組成生物體蛋白質(zhì)的20種氨基酸組成生物體蛋白質(zhì)的20種氨基酸 肽（肽鍵與肽) 肽鍵就是由氨基酸的肽鍵就是由氨基酸的-羧基與相鄰的氨基酸的羧基與相鄰的氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵化學(xué)鍵肽（肽鍵與肽)肽肽: :氨基酸通過肽鍵連結(jié)起來的化合物氨基酸通過肽鍵連結(jié)起來的化合物二肽二肽: :兩個(gè)氨基酸形成的肽兩個(gè)氨基酸形成的肽三肽三肽: :三個(gè)氨基酸形成的肽三個(gè)氨基酸形成的肽多肽多肽: :許多氨基酸形成的肽許多氨基酸形成的肽蛋白質(zhì)蛋白質(zhì): :大多為大多為100100個(gè)以上氨基酸組成的多肽個(gè)以上氨基酸組成的多肽氨基酸殘基氨基酸殘基: :多肽鏈中多肽

24、鏈中不完全不完全的氨基酸。的氨基酸。氨基酸由于形成肽鍵而失去了一分子水，因氨基酸由于形成肽鍵而失去了一分子水，因此表現(xiàn)出其分子的不完整。此表現(xiàn)出其分子的不完整。氨基末端：氨基末端：多肽鏈中含有自由多肽鏈中含有自由-氨基的一氨基的一端。端。簡稱簡稱N-N-端端羧基末端：羧基末端：多肽鏈中含有自由多肽鏈中含有自由-羧基的一羧基的一端。端。 簡稱簡稱C-C-端端蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指氨基酸按一定的順序通過肽鍵蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指氨基酸按一定的順序通過肽鍵相連而成的多肽鏈，也是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)相連而成的多肽鏈，也是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)。每一種蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基

25、酸的組成和排每一種蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序即一級(jí)結(jié)構(gòu)，由這種氨基酸排列順序決定它的列順序即一級(jí)結(jié)構(gòu)，由這種氨基酸排列順序決定它的特定的空間結(jié)構(gòu)，也就是蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋特定的空間結(jié)構(gòu)，也就是蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的二級(jí)、三級(jí)等高級(jí)結(jié)構(gòu)。白質(zhì)的二級(jí)、三級(jí)等高級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu) A鏈鏈 Gly.Tle.Val.Glu.Gln.Cys.Cys.Aln.Ser.Val.Cys.Ser.Leu.Tyr.Gln.Leu.Glu.Asn.Tyr.Cys.Asn OH 1 2 6 7 11 20 B鏈鏈Phe.Val.Asn.Gln.His.Le

26、u.Cys.Gly.Ser.His.Leu.Val.Glu.Ala.Leu.Tyr.Leu.Val.Cys.Gly.Glu.Arg. 1 2 7 19 Gly.Phe.Phe.Tyr.Thr.Pro.Lys.Ala OH 30 牛牛胰胰島島素素的的化化學(xué)學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)SSSSSS牛牛胰胰島島素素的的一一級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)（1 1）氫鍵：）氫鍵：氫原子與負(fù)電性強(qiáng)的原子氫原子與負(fù)電性強(qiáng)的原子（如氧、氮等）間形成。對(duì)蛋白質(zhì)分子三（如氧、氮等）間形成。對(duì)蛋白質(zhì)分子三維構(gòu)象的維護(hù)很重要。維構(gòu)象的維護(hù)很重要。（2 2）靜電引力）靜電引力：正負(fù)帶電基團(tuán)之間的吸正負(fù)帶電基團(tuán)之間的吸引力。對(duì)蛋白質(zhì)分子三維構(gòu)象的穩(wěn)定引力。

27、對(duì)蛋白質(zhì)分子三維構(gòu)象的穩(wěn)定貢獻(xiàn)貢獻(xiàn)不是很大不是很大，也稱為離子鍵或鹽鍵，也稱為離子鍵或鹽鍵（3 3）范德華力：）范德華力：原子團(tuán)相互接近時(shí)誘導(dǎo)原子團(tuán)相互接近時(shí)誘導(dǎo)所致。它變化多樣，對(duì)維持蛋白質(zhì)活性中所致。它變化多樣，對(duì)維持蛋白質(zhì)活性中心的構(gòu)象心的構(gòu)象影響很大影響很大維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵（4 4）疏水相互作用）疏水相互作用：是非極性基團(tuán)為了是非極性基團(tuán)為了避開水相而群集在一起的作用力。疏水避開水相而群集在一起的作用力。疏水作用是維持蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的作用是維持蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的重要因素重要因素（5 5）二硫鍵：）二硫鍵：作用很強(qiáng)，對(duì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)作用很強(qiáng)，對(duì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象

28、起重要作用構(gòu)象起重要作用氫鍵、離子鍵、疏水作用和范德華力氫鍵、離子鍵、疏水作用和范德華力等次級(jí)鍵是非共價(jià)鍵等次級(jí)鍵是非共價(jià)鍵肽鍵、二硫鍵、酯鍵等被稱之為共價(jià)肽鍵、二硫鍵、酯鍵等被稱之為共價(jià)鍵鍵蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性結(jié)構(gòu)的構(gòu)象，是多肽鏈局部的空間成具有周期性結(jié)構(gòu)的構(gòu)象，是多肽鏈局部的空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）主要形式：主要形式：-螺旋螺旋、-折疊折疊、 - -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲等等-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角蛋白質(zhì)分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的二級(jí)結(jié)構(gòu) 螺旋螺旋折折疊片疊片轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角自由自由回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)三級(jí)結(jié)構(gòu)三

29、級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤曲而成特進(jìn)一步盤曲而成特定格式的三級(jí)結(jié)構(gòu)。定格式的三級(jí)結(jié)構(gòu)。四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)很多蛋白質(zhì)分子是由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立的、具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多很多蛋白質(zhì)分子是由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立的、具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的。肽鏈組成的。這些多肽鏈之間只是通過疏水作用等次級(jí)鍵結(jié)合成為有序排列的這些多肽鏈之間只是通過疏水作用等次級(jí)鍵結(jié)合成為有序排列的特定的空間結(jié)構(gòu)，形成了四級(jí)結(jié)構(gòu)。特定的空間結(jié)構(gòu)，形成了四級(jí)結(jié)構(gòu)。在四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子中，每個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位稱在四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子中，每個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位稱為亞基

30、，亞基多無生物學(xué)活性，具有完整四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子為亞基，亞基多無生物學(xué)活性，具有完整四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子才有生物活性。才有生物活性。血紅蛋白中四亞基兩兩相同，血紅蛋白中四亞基兩兩相同，分別稱為分別稱為1 、2、1、2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系 1、 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（1 1）相似的結(jié)構(gòu)具有相似的功能。）相似的結(jié)構(gòu)具有相似的功能。 一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間結(jié)構(gòu)及功能一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間結(jié)構(gòu)及功能也相似。也相似。 催產(chǎn)素、抗利尿激素都是由下丘腦神經(jīng)細(xì)胞催產(chǎn)素、抗利尿激素都是由下丘腦神經(jīng)細(xì)胞合成的九肽類激素合成的九肽類

31、激素, ,前者具有催產(chǎn)及使乳腺前者具有催產(chǎn)及使乳腺(Phe(Phe的的作用作用. .如圖為催產(chǎn)素結(jié)構(gòu)簡式如圖為催產(chǎn)素結(jié)構(gòu)簡式, ,若將異亮氨酸若將異亮氨酸(He)(He)和和亮氨酸亮氨酸(Leu)(Leu)分別替換為苯丙氨酸和精氨酸則為抗分別替換為苯丙氨酸和精氨酸則為抗利尿劑。催產(chǎn)素兼有抗利尿劑激素作用，抗利尿劑利尿劑。催產(chǎn)素兼有抗利尿劑激素作用，抗利尿劑激素也兼有催產(chǎn)素的作用。激素也兼有催產(chǎn)素的作用。 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系 1、 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（2 2）不同的結(jié)構(gòu)具有不同的功能）不同的結(jié)構(gòu)具有不同的功能 盡管催產(chǎn)素、抗利尿激素有相

32、似的功能，但它們的盡管催產(chǎn)素、抗利尿激素有相似的功能，但它們的結(jié)構(gòu)并不完全相同，因此生物學(xué)活性也有很大差異結(jié)構(gòu)并不完全相同，因此生物學(xué)活性也有很大差異 催產(chǎn)素的催產(chǎn)功能強(qiáng)于抗利尿劑激素。催產(chǎn)素的催產(chǎn)功能強(qiáng)于抗利尿劑激素。 抗利尿劑激素的利尿作用遠(yuǎn)強(qiáng)于催產(chǎn)素?？估騽┘に氐睦蜃饔眠h(yuǎn)強(qiáng)于催產(chǎn)素。 所以，一級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其功能必然改變。所以，一級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其功能必然改變。 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系 2、 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其生物活性的基礎(chǔ)，空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其生物活性的基礎(chǔ)，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其功能也必然隨之改

33、變。發(fā)生改變，其功能也必然隨之改變。 核糖核酸酶，不破壞它的一級(jí)結(jié)構(gòu)，只是破壞其氫核糖核酸酶，不破壞它的一級(jí)結(jié)構(gòu)，只是破壞其氫鍵，二硫鍵還原為巰基，該酶也會(huì)失去活性。鍵，二硫鍵還原為巰基，該酶也會(huì)失去活性。 原因：原因：二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 恢復(fù)結(jié)構(gòu)，酶的活性也可得到恢復(fù)?；謴?fù)結(jié)構(gòu)，酶的活性也可得到恢復(fù)。 食品蛋白的改性食品蛋白的改性 人類迫切需求具有功能特性和營養(yǎng)特性的蛋白質(zhì)一方面，開發(fā)蛋白質(zhì)資源（優(yōu)質(zhì)蛋白）。另一方面，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造-改性蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)的改性是指通過物理、化學(xué)和生物蛋白質(zhì)的改性是指通過物理、化學(xué)和生物 ( (酶酶) )的方法改的方法改變蛋白質(zhì)

34、的變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，從而改善它們的功能特性，使之達(dá)到食品，從而改善它們的功能特性，使之達(dá)到食品所需要的品質(zhì)特性，以擴(kuò)大蛋白質(zhì)在不同類型食品體系中的所需要的品質(zhì)特性，以擴(kuò)大蛋白質(zhì)在不同類型食品體系中的應(yīng)用范圍。應(yīng)用范圍。 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：利用生化因素或物理因素切斷蛋白質(zhì)分子中的主鏈或是對(duì)蛋白質(zhì)分子的側(cè)鏈基團(tuán)進(jìn)行修飾，從而引發(fā)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的改變，獲得具有功能特性和營養(yǎng)特性較好的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)改造方法 在基因水平上對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，按改造的規(guī)在基因水平上對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，按改造的規(guī)模和程度可以分為：模和程度可以分為：小改：小改：個(gè)別氨基酸的改變和一整段氨基酸序列的刪除、個(gè)別氨基酸的改變和一整

35、段氨基酸序列的刪除、置換或插入置換或插入中改中改：蛋白質(zhì)分子的剪裁，如結(jié)構(gòu)域的拼接：蛋白質(zhì)分子的剪裁，如結(jié)構(gòu)域的拼接大改：局部重建大改：局部重建從頭設(shè)計(jì)合成新型蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)合成新型蛋白質(zhì)一、一、 小改小改造造通過通過基因突變方法基因突變方法，以達(dá)到改變氨基酸進(jìn)而改造蛋白，以達(dá)到改變氨基酸進(jìn)而改造蛋白質(zhì)的目的。質(zhì)的目的。目前，主要采用的基因突變方法：目前，主要采用的基因突變方法：l基因基因定點(diǎn)定點(diǎn)突變突變l盒式盒式替換技術(shù)替換技術(shù)基因定基因定點(diǎn)點(diǎn)突變突變根據(jù)三聯(lián)體密碼，編碼根據(jù)三聯(lián)體密碼，編碼DNADNA（目的基因）的確定位點(diǎn)，（目的基因）的確定位點(diǎn)，改變其組成改變其組成核苷酸的順序或種類核苷

36、酸的順序或種類，使基因發(fā)生定向變，使基因發(fā)生定向變異，使其控制合成的氨基酸種類、順序發(fā)生改變，合異，使其控制合成的氨基酸種類、順序發(fā)生改變，合成出具有預(yù)期氨基酸序列的修飾蛋白質(zhì)。成出具有預(yù)期氨基酸序列的修飾蛋白質(zhì)。這種通過造成一個(gè)或幾個(gè)堿基這種通過造成一個(gè)或幾個(gè)堿基定點(diǎn)突變定點(diǎn)突變，以達(dá)到修飾，以達(dá)到修飾蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)目的的技術(shù)，稱為基因定點(diǎn)突變技術(shù)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)目的的技術(shù)，稱為基因定點(diǎn)突變技術(shù)。1985年Wells提出的一種基因修飾技術(shù)，可經(jīng)過一次修飾，在一個(gè)位點(diǎn)上產(chǎn)生20種不同氨基酸的突變體，從而可以對(duì)蛋白質(zhì)分子中某些氨基酸進(jìn)行“飽和性”分析。利用定位突變?cè)跀M改造的氨基酸密碼兩側(cè)造成兩個(gè)原

37、載體和基因上沒有的內(nèi)切酶切點(diǎn)內(nèi)切酶切點(diǎn)，用該內(nèi)切酶消化基因，再用合成的發(fā)生不同變化的雙鏈DNA片段替代被消化的部分。這樣一次處理就可以得到多種突變型基因。 盒式突變技術(shù)盒式突變技術(shù) 二、蛋白質(zhì)分子的高級(jí)改造（結(jié)構(gòu)域的拼接）二、蛋白質(zhì)分子的高級(jí)改造（結(jié)構(gòu)域的拼接） 研究證明，在二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間還有一個(gè)結(jié)研究證明，在二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間還有一個(gè)結(jié)構(gòu)層次，即構(gòu)層次，即結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域由結(jié)構(gòu)域由螺旋、螺旋、折疊等二級(jí)結(jié)構(gòu)單位按一定的折疊等二級(jí)結(jié)構(gòu)單位按一定的拓?fù)鋵W(xué)規(guī)則構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)實(shí)體。拓?fù)鋵W(xué)規(guī)則構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)實(shí)體。結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)分子中一種基本的結(jié)構(gòu)單位，結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)分子中一種基本的結(jié)構(gòu)單

38、位，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域拼接域拼接是通過是通過基因操作基因操作把位于兩種不同蛋白質(zhì)上的幾把位于兩種不同蛋白質(zhì)上的幾個(gè)結(jié)構(gòu)域連接在一起，形成融合蛋白，它兼有原來兩個(gè)結(jié)構(gòu)域連接在一起，形成融合蛋白，它兼有原來兩種蛋白的性質(zhì)。種蛋白的性質(zhì)。 三、全新蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建三、全新蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建上述兩種蛋白質(zhì)改造方法，通常是從一個(gè)已知順序、上述兩種蛋白質(zhì)改造方法，通常是從一個(gè)已知順序、結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)出發(fā)，根據(jù)一定的目標(biāo)和設(shè)計(jì)方結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)出發(fā)，根據(jù)一定的目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案，使用多肽合成或者基因工程的方法，改變它的結(jié)案，使用多肽合成或者基因工程的方法，改變它的結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到改變其性質(zhì)的目的。構(gòu)，以期達(dá)到改變

39、其性質(zhì)的目的。如果要從頭設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)自然界不存在的蛋白質(zhì)，如果要從頭設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)自然界不存在的蛋白質(zhì)，則需要借助則需要借助多功能模板多功能模板和和蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)元件蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)元件組裝成組裝成某種具有特定功能的某種具有特定功能的人工蛋白質(zhì)分子人工蛋白質(zhì)分子。 蛋白質(zhì)工程在食品蛋白質(zhì)工程在食品工業(yè)工業(yè)中的應(yīng)用中的應(yīng)用 蛋白質(zhì)工程自問世以來，短短十幾年的時(shí)間，已取得蛋白質(zhì)工程自問世以來，短短十幾年的時(shí)間，已取得了引人矚目的進(jìn)展，在醫(yī)學(xué)和工業(yè)用酶方面也獲得了了引人矚目的進(jìn)展，在醫(yī)學(xué)和工業(yè)用酶方面也獲得了良好的應(yīng)用前景。良好的應(yīng)用前景。 提高提高蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括以下幾個(gè)方面的穩(wěn)定性包括以

40、下幾個(gè)方面：延長酶的半衰期；延長酶的半衰期；提高酶的熱穩(wěn)定性；提高酶的熱穩(wěn)定性；延長藥用蛋白的保存期；延長藥用蛋白的保存期；抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失。抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失。一、一、 消除酶的被抑制特性消除酶的被抑制特性19851985年，美國的埃斯特爾借助寡核苷酸介導(dǎo)的定位年，美國的埃斯特爾借助寡核苷酸介導(dǎo)的定位突變技術(shù)，用突變技術(shù)，用1919種種其他氨基酸分別替代枯草芽孢桿菌其他氨基酸分別替代枯草芽孢桿菌蛋白酶蛋白酶分子第分子第222222位殘基上位殘基上易氧化易氧化的甲硫氨酸，獲得的甲硫氨酸，獲得了一系列活性差異很大的突變酶。發(fā)現(xiàn)除了用了一系列活性差異很大的突變

41、酶。發(fā)現(xiàn)除了用半胱氨半胱氨酸酸代替甲硫氨酸的突變體以外，其他突變體的酶活性代替甲硫氨酸的突變體以外，其他突變體的酶活性都降低了。都降低了。 二、引入二硫鍵，改善蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性二、引入二硫鍵，改善蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性溶菌酶分子：由一條肽鏈構(gòu)成，并在空間上折疊形溶菌酶分子：由一條肽鏈構(gòu)成，并在空間上折疊形成二個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域，酶活性中心位于二個(gè)結(jié)構(gòu)成二個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域，酶活性中心位于二個(gè)結(jié)構(gòu)域之間。該酶分子在第域之間。該酶分子在第9797位和位和5454位殘基上是兩個(gè)未形位殘基上是兩個(gè)未形成二硫鍵的半胱氨酸成二硫鍵的半胱氨酸由于由于二硫鍵二硫鍵是一種穩(wěn)定蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的重要是一種穩(wěn)定蛋白質(zhì)分

42、子空間結(jié)構(gòu)的重要共價(jià)化學(xué)鍵，有如建筑所用的鋼筋一樣，因而能將分共價(jià)化學(xué)鍵，有如建筑所用的鋼筋一樣，因而能將分子中的不同部位牢固地聯(lián)結(jié)在一起。因此，提高酶熱子中的不同部位牢固地聯(lián)結(jié)在一起。因此，提高酶熱穩(wěn)定性最常用的辦法是在分子中增加一對(duì)或數(shù)對(duì)二硫穩(wěn)定性最常用的辦法是在分子中增加一對(duì)或數(shù)對(duì)二硫鍵。鍵。在高溫下在高溫下天冬酰胺天冬酰胺和和谷氨酰胺谷氨酰胺容易容易脫氨脫氨形成天冬氨酸和形成天冬氨酸和谷氨酸，而導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的改變，使蛋白質(zhì)失去谷氨酸，而導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的改變，使蛋白質(zhì)失去活性。活性。對(duì)釀酒酵母的對(duì)釀酒酵母的磷酸丙糖異構(gòu)酶磷酸丙糖異構(gòu)酶進(jìn)行誘變改造。這種酶有進(jìn)行誘變改造。這種酶有

43、兩個(gè)相同的亞基，每個(gè)亞基含有兩個(gè)相同的亞基，每個(gè)亞基含有2 2個(gè)個(gè)天冬酰胺天冬酰胺，由于它們，由于它們都位于亞基之間的界面上，可能對(duì)酶的熱穩(wěn)定性起決定都位于亞基之間的界面上，可能對(duì)酶的熱穩(wěn)定性起決定性作用。性作用。通過寡核苷酸介導(dǎo)的定向誘變技術(shù)，將第通過寡核苷酸介導(dǎo)的定向誘變技術(shù)，將第1414位和第位和第7878位上的位上的2 2個(gè)個(gè)天冬酰胺天冬酰胺分別轉(zhuǎn)變成分別轉(zhuǎn)變成Thr(Thr(蘇氨酸蘇氨酸) )和和Ile(Ile(異亮異亮氨酸氨酸) )殘基殘基，大幅度提高突變酶的熱穩(wěn)定性。，大幅度提高突變酶的熱穩(wěn)定性。 三、轉(zhuǎn)化氨基酸殘基，改善蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性三、轉(zhuǎn)化氨基酸殘基，改善蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性四、四、 改變酶的最適改變酶的最適pH值條件值條件葡萄糖異構(gòu)酶最適葡萄糖異構(gòu)酶最適pHpH為堿性，在為堿性，在8080穩(wěn)定，而在堿穩(wěn)定，而在堿性條件下，性條件下，8080時(shí)使高果糖漿焦化產(chǎn)生有害物質(zhì)，反時(shí)使高果糖漿焦化產(chǎn)生有害物質(zhì)，反應(yīng)只能在應(yīng)只能在6060進(jìn)行。進(jìn)行。采用采用盒式突變技術(shù)盒式突變技術(shù)將葡萄糖異構(gòu)酶分子中酸性氨基將葡萄糖異構(gòu)酶分子中酸性氨基酸酸(Glu(Glu谷或谷或AspA