北大现代分子生物学课件蛋白质工程概论.pptx

蛋白质工程概论;前言;蛋白质工程（protein engineering）研究在过去的25年间发展迅速，已取得一批较好成果，并开始应用于医学、农业、轻工等各个领域。 2000年6月26日，人类基因组的工作草图宣告完成，并进入了后基因组时代（post-genome era）。 后基因组时代，中心任务是揭示基因组及其所包含的全部基因的功能，并在此基础上阐明生命体的遗传、进化、发育、生长、衰老、死亡的基本生物学规律，以及与人类健康和疾病相关的生物学问题。;;一、蛋白质工程的概念 Protein Engineering;;二、蛋白质工程的理论基础;（一）工、农业以及医药卫生事业的高速发展 为蛋白质工程的开展开拓了广阔应用前景;;;2.在多肽药物、抗体以及其他活性蛋白质的基础与应用研究中，同样存在着蛋白质结构的改造问题 如白细胞介素-2（IL-2）是一种免疫反应调节因子，在医学上具有广泛的用途。结构研究证明，IL-2是由133个氨基酸残基组成的多肽，有3个半胱氨酸，1个二硫键，而125位上的半胱氨酸处于游离状态，在分离纯化IL-2的过程中，易发生二硫键错配，致使整个多肽活性降低。 定点诱变将编码链上编码125位半胱氨酸的密码子TGT转换成丝氨酸或丙氨酸的密码(TCT或GCA)，结果可以避免二硫键的错配，使产品IL-2的活性提高了7倍。;;（二）蛋白质结构与功能关系研究技术的建立推动了蛋白质结构与功能关系的研究，从而为蛋白质改造提供了理论依据;;;因此在对蛋白质进行改造之前必需对其结构与功能的关系进行充分地研究，了解影响蛋白质特性的氨基酸或氨基酸序列是哪些？改变这个（些）氨基酸是否会影响蛋白质的功能？ 阐明蛋白质的三维结构，进而研究其与生物学功能的关系已成为了解生命现象的关键，并成为蛋白质工程的基础。 蛋白质结构与功能关系研究技术主要包括蛋白质晶体学、蛋白质动力学、生物信息学等。;1．蛋白质晶体学 蛋白质晶体学（protein crystallography）是利用X射线衍射法（X-ray diffraction method）的原理解释蛋白质晶体中的原子在空间的位置与排列，并了解其与功能的关系。 20世纪50年代末用X射线晶体学方法测定了第一个蛋白质——肌红蛋白的结构. 现已有400多种蛋白质的三维结构被搞清。 通过蛋白质三维结构的研究有助于了解蛋白质是如何发挥生物学功能的。;;2．蛋白质动力学 线性多肽是如何折叠成具有三维特征的天然结构？蛋白质在与其他物质（蛋白质、核酸或酶的底物等）相互作用时，其三维结构又是经历怎样的动态过程而发挥其活性？只有了解这些问题，才能预测基因水平的改造最终会对蛋白质结构与功能产生何种后果，才能谈得上具有真正意义的分子设计，才能真正的理解生命现象。蛋白质动力学正是研究这一课题的。 ;3.生物信息学 生物信息学的神速发展为蛋白质动力学的研究提供了方便有效的技术。 生物信息学是利用计算机控制的图像显示系统，把所要研究蛋白质的已知三维结构显示在屏幕上，分析哪些残基对分子内相互作用可能是重要的，哪些残基对分子间相互作用可能是重要的。前者通常为结构的稳定所必需，后者多系分子识别及活性重要部位。 然后通过计算机按预先设想替换一些侧链基团，再用计算机寻找经过“微扰”后蛋白质分子的能量趋于极小的状态，预测由于这种替换可能造成的后果。 生物信息学是蛋白质工程研究必不可少的。目前已有蛋白质结构与特性分析所需的生物信息数据库，可供选择。;（三）基因工程理论和技术的发展，为蛋白质的改造和生产提供了必要的技术手段;2.定点诱变技术的建立为改造蛋白质的特性提供了技术策略 稳定蛋白质空间构象的主要因素是蛋白质分子众多基团间的相互作用，如肽键、氢键、静电作用、疏水残基间的疏水键以及二硫键等。 研究表明，上述稳定蛋白质空间构象的因素是由蛋白质一级结构中某一个或某一段氨基酸序列决定的，人工改变或修饰这些氨基酸残基，有可能增加蛋白质的稳定性，又不影响其生物学活性。 ;;目前我们已经能对蛋白质的结构进行改造，甚至于能制造出全新的蛋白质，这得益于分子生物学理论与技术的发展。 20世纪70年代初期，DNA重组技术诞生，并成功地应用于基因操作，从而产生了基因工程。 而基因工程的诞生，特别是DNA重组技术和定点诱变技术的建立，使我们有可能从基因水平改造蛋白质分子中氨基酸的序列，为蛋白质工程的诞生，奠定了技术基础。;所谓基因定点诱变（site-directed mutagenesis），就是在DNA水平上，在体外试管中通过碱基取代、插入或缺失改变基因DNA序列中任何一个（或几个）特定的碱基，使蛋白质结构基因中某个或某些氨基酸编码顺序加以改变，从而改变蛋白质结构的技术。 该技术具有简单易行重复性高等优点。它适用于: 基因结构与功能的研究， 通过