第四章 蛋白质工程幻灯片.pptVIP

蛋白质工程与食品产业 蛋白质的功能与结构 蛋白质工程的诞生 蛋白质工程的基本步骤和改造方法 食物蛋白质改性技术 蛋白质工程在食品产业中的应用 一、蛋白质的功能与结构 1.1蛋白质的功能 1.2蛋白质的结构 1.1蛋白质的功能 (1)蛋白质是构成生命的重要物质之一 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。 1.催化功能：酶 2.调节功能：激素 3.结构功能：皮、毛、骨、牙、细胞骨架 4.运输功能：血红蛋白 5.免疫功能：免疫球蛋白 6.运动功能：鞭毛、肌肉蛋白 7.储藏功能：酪蛋白 8.生物膜功能 (2) 蛋白质的应用 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。 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。 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。 1.2蛋白质的结构 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。 肽键的形成 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。 多肽链的折叠可分为四种不同层次的结构。一级结构：仅指肽链中的氨基酸线型排列顺序，不考虑空间的排列。 牛胰岛素的氨基酸序列 二级结构：主链原子的局部空间排列，不包括侧链构象和与其他链段的相互关系，如?-螺旋、?-折叠等主链构象单元就是二级结构。 ?-螺旋 ?-折叠 三级结构：蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间结构。 碳酸酐酶的多肽骨架示意图 四级结构：具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构。其中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基。四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。如血红蛋白分子中四个亚基之间的空间关系。 血红蛋白的结构 二、蛋白质工程的诞生 蛋白质工程是指基于蛋白质结构功能的研究结果，通过基因工程技术，改造现有蛋白质和设计制造新蛋白质。 蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。 天然的正常构象是蛋白质的最佳状态，它既能高效地发挥功能，又便于机体的正常调控，因而极易失活而中止作用。但在生物体外，特别是工业化的粗放生产条件下，这种可被灵敏调节的特性就表现为酶分子性质的极不稳定性，导致难以持续发挥应有的功能，成为限制其推广应用的主要原因。如温度、压力、机械力、重金属、有机溶剂、氧化剂以及极端pH值等都会影响它的作用。 蛋白质工程技术针对这一现状，对天然蛋白质进行改造改良或全新设计模拟，使目的蛋白质具有特殊的结构和性质，能够抵御外界的不良环境，即使在极端恶劣条件下也能继续发挥作用，因而蛋白质工程具有广阔的应用前景。 佩里（Perry）1984年通过将溶菌酶中Ile(3)改成Cys(3)，并进一步氧化生成 Cys(3)-Cys（97）二硫键，使酶热稳定性提高，显著改进了这种食品工业用酶的应用价值。 蛋白质工程的研究内容 内容主要有两个方面： 根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质； 确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系； 在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。 生物理论和技术在下列九方面促进了蛋白质工程的诞生： ①新的克隆技术，特别是完整的cDNA的克隆技术； ②快速测定DNA序列的方法； ③从DNA序列推算蛋白质序列的较好的计算机程序系统； ④蛋白质序列数据库的建立，使一级结构相似的蛋白质能被很快地鉴定出来，并由此研究其功能上的相似性； ⑤对原核生物和真核生物基因表达调控的进一步深入了解； ⑥用于基因体外诱变的化学、酶学和合成技术的进展； ⑦X-光晶体学的进展，包括较好的长晶体策略、同步辐射的应用、电子区域检测器的出现，以及计算机辅助数据分析； ⑧用计算机图像系统为工具直接观察晶体数据； ⑨核磁共振技术的改进，使溶液中的原子分布能得到直接检测。 主要包括：分子遗传学、蛋白质结构功能的理论与