第二章蛋白质工程,蛋白质设计

第一节蛋白质工程的物质基础概念：蛋白质工程(Protein Engineering)是以蛋白质的结构与功能的关系研究为基础，利用基因工程技术对现存蛋白质加以改造，组建成新型蛋白质的现代生物技术。

（一）蛋白质的来源（5min）微生物：生长周期短，容易实现遗传操作，可以产生胞外酶。

植物：生长周期长，季节性强。

动物：医学方面的蛋白质。

（二）蛋白质的结构（5min）一级结构，二级结构，超二级结构，结构域，三级结构，四级结构（三）蛋白质的功能（10min）蛋白质的生物学功能：①具有生物催化功能；②具有调节功能；③具有运输功能；④具有运动功能；⑤可作为机体的结构成分；⑥具有防御和保护功能；⑦可作为生物体发育和生长的营养物质。

（四）蛋白质的结构与功能的关系（5min）蛋白质的生物功能与结构紧密相关第二节蛋白质工程的原理（一）蛋白质工程的理论依据（5min）基因指导蛋白质的合成（二）蛋白质工程设计原理（5min）蛋白质分子设计：基因水平，蛋白质水平蛋白质分子设计的三种类型：小改，中改，大改第三节蛋白质工程的程序和操作方法（一）蛋白质工程的程序（10min）筛选纯化目的蛋白，研究其特性；制备晶体，氨基酸测序，X射线晶体衍射分析、核磁共振分析等研究，获得蛋白质结构与功能相关数据；结合生物信息学的方法对蛋白质的改造进行分析；由氨基酸序列及其化学结构预测蛋白质的空间结构，确定蛋白质结构与功能的关系，进而从中找出可以修饰的位点和可能的途径；根据氨基酸序列设计核酸引物或探针，并从cDNA文库或基因文库中获取编码该蛋白的基因序列；在基因改造方案设计的基础上，对编码蛋白的基因序列进行改造，并在不同的表达系统中表达；分离纯化表达产物，并对表达产物的结构和功能进行检测。

（二）蛋白质工程的操作方法（5min)理论基础：生物化学和结构生物学；蛋白质结构模拟预测平台：计算机辅助设计软件；提高设计的效率和正确性：分子生物学和基因工程技术，生物信息学。

《蛋白质工程的设计思路与应用》讲义一、蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。

它是在基因工程的基础上发展起来的第二代基因工程，其目的不仅仅是对天然蛋白质进行改造，更重要的是创造出自然界原本不存在的、具有优良特性的蛋白质。

二、蛋白质工程的设计思路（一）从预期的蛋白质功能出发首先，需要明确我们期望蛋白质具备什么样的功能。

这可能是提高某种酶的催化效率，增强抗体的特异性结合能力，或者赋予蛋白质新的功能，如荧光特性等。

（二）设计蛋白质的结构根据预期的功能，设计出可能实现该功能的蛋白质结构。

这需要对蛋白质的二级结构（如α螺旋、β折叠等）、三级结构（整体的三维构象）有深入的了解。

（三）推测应有的氨基酸序列在确定了蛋白质的结构后，通过对蛋白质结构与氨基酸序列关系的研究，推测出实现这种结构所需的氨基酸序列。

（四）找到对应的脱氧核苷酸序列根据推测出的氨基酸序列，找到对应的脱氧核苷酸序列。

因为氨基酸是由特定的密码子编码的，所以可以通过密码子表将氨基酸序列转换为脱氧核苷酸序列。

三、蛋白质工程的应用（一）在医药领域的应用1、开发新型药物通过蛋白质工程，可以对现有的药物蛋白进行改造，提高其疗效、降低副作用。

例如，对胰岛素进行改造，使其在体内的作用时间延长，减少注射次数。

2、设计治疗性抗体利用蛋白质工程技术，可以设计出更具特异性、亲和力和效力的治疗性抗体，用于治疗癌症、自身免疫性疾病等。

3、疫苗研发通过改造病毒或细菌表面的蛋白质，使其能够激发更强的免疫反应，从而开发出更有效的疫苗。

（二）在工业领域的应用1、酶工程对工业用酶进行改造，提高其催化效率、稳定性和对恶劣环境的耐受性，降低生产成本。

例如，在洗涤剂中使用的蛋白酶，经过蛋白质工程改造后，可以在更高的温度和更广泛的 pH 条件下发挥作用。

蛋白质工程和新型蛋白质的设计近年来，蛋白质工程和新型蛋白质的设计在生物科技领域中扮演着越来越重要的角色。

蛋白质是生命中最基本也是最重要的分子之一，具有多样的结构和功能，包括催化反应、运输物质和信号传导等。

因此，通过工程蛋白质或设计新型蛋白质，可以开发出具有新功能的生物材料，从而促进人类健康科学，改善生物工业以及提高生态环境。

蛋白质工程是指通过改变蛋白质分子结构中的氨基酸序列或结构域来获得新的或改进的蛋白质，达到期望的活性、稳定性和特异性等目的。

蛋白质工程的技术包括DNA重组技术、微生物发酵和蛋白结晶等。

蛋白质工程的研究领域包括蛋白质的酶学、医学、生物工程、材料科学等，应用广泛。

DNA重组技术是蛋白质工程的重要手段之一，它可以将不同物种的蛋白质基因的DNA序列合并，并通过表达、纯化和结晶等步骤，获得具有新的结构和功能的蛋白质资源。

随着技术的进步，新型蛋白质的设计越来越成为研究的热点。

新型蛋白质的设计方法包括计算机模拟、人工智能、人工合成和DNA重组等。

根据设计的目的，新型蛋白质可以具有诸如特殊的配体结合、增强的稳定性和抗药性等特性。

例如，通过基因重组、人工合成等方法，可以设计出一类称为“肽类药物”的新型药物。

与传统的小分子药物相比，肽类药物具有更高的亲和力和特异性，能够更加准确地作用于靶细胞或组织，减少不必要的副作用，从而为药物研发带来了新的思路。

在蛋白质工程和新型蛋白质的设计领域，还有许多待解决的问题和挑战。

例如，如何提高工程蛋白质的生产效率和纯度？如何维持工程蛋白质的稳定性和活性？如何设计出更加特异和最大程度上避免肝和肾的归属的肽类药物？都需要我们共同努力和钻研。

总之，蛋白质工程和新型蛋白质的设计拓宽了我们对于生命的认识和生物科技的发展。

未来，随着技术的不断完善，这一研究方向必将取得更加突出的成果，为人类带来更多的福祉。

理性设计和非理性设计：蛋白质工程的两种方法蛋白质工程是指修改或创造具有期望功能或性质的蛋白质，如催化活性、结合亲和力、稳定性、溶解性、特异性或新颖性。

蛋白质工程在各个领域有许多应用，如生物技术、医学、农业和工业。

蛋白质工程的两种主要方法是理性设计和非理性设计（或定向进化）。

这两种方法有不同的优势和局限性，可以结合使用以达到最佳效果。

理性设计理性设计是指根据已有的关于蛋白质的结构、功能、催化机理等信息，有目的地选择要突变的氨基酸残基，以期望得到具有改善或新颖性能的蛋白质。

理性设计通常需要对蛋白质的三维结构和活性位点有较深入的了解，以便预测突变的效果。

理性设计的优点是可以减少突变体的数量，提高筛选的效率，以及针对特定目标进行优化。

然而，它也存在一些局限性，比如对蛋白质结构和功能的知识不足，以及突变之间的相互作用难以预测等。

理性设计可以采用以下几种技术：●手工设计：根据经验或直觉，选择合适的氨基酸进行替换或插入。

●生物信息学分析：利用数据库或软件，比较不同蛋白质的序列或结构，寻找保守或变异的区域，分析氨基酸残基之间的相互作用，预测突变对蛋白质稳定性和活性的影响。

●计算机模拟：利用计算机程序，对蛋白质结构进行建模或优化，模拟突变后的蛋白质与底物或配体的结合过程，计算突变对蛋白质能量和动力学的影响。

●从头设计：利用计算机程序，根据期望的功能或性质，设计出全新的蛋白质序列或结构。

非理性设计（或定向进化）非理性设计（或定向进化）是指通过引入随机突变和重组，产生大量的蛋白质突变体文库，然后通过筛选或选择来寻找具有期望特性的蛋白质。

非理性设计不需要对蛋白质的结构或催化机理有任何先验知识，只需要建立一个有效的筛选或选择系统，就可以模拟自然进化的过程，从而探索蛋白质功能的多样性。

非理性设计的优点是可以发现一些意想不到的突变效果，甚至可以创造出一些全新的功能，但是也存在一些挑战，比如如何产生高质量和高多样性的突变体文库，以及如何进行高通量和高灵敏度的筛选或选择等。

蛋白质工程详细介绍蛋白质工程的方法和应用蛋白质工程详细介绍蛋白质工程是一种利用分子生物学和蛋白质化学的方法，对蛋白质进行定向的修饰和改造，以获得理想的蛋白质产物。

它的发展为生物药物研发和产业化提供了重要的技术支持，也为基因工程、农业生物技术等领域的发展带来了巨大的机遇。

本文将详细介绍蛋白质工程的方法和应用。

一、蛋白质工程的方法蛋白质工程的方法包括：1. 重组蛋白质表达系统：通过将目标蛋白质基因导入到适当的宿主细胞中，利用细胞的代谢途径合成目标蛋白质。

2. DNA重组技术：改变目标蛋白质的基因序列，以改变其结构和功能。

3. 非天然氨基酸插入：在蛋白质序列中插入非天然的氨基酸，改变蛋白质的性质。

4. 点突变：通过改变蛋白质特定氨基酸的编码，改变蛋白质的结构和功能。

5. 蛋白质折叠机理研究：通过研究蛋白质的二级、三级结构以及其折叠机理，为蛋白质工程提供理论基础。

二、蛋白质工程的应用蛋白质工程在许多领域有着广泛的应用，下面将介绍其中几个主要方面。

1. 生物药物蛋白质工程为生物药物的研发和产业化提供了关键技术。

通过工程改造，可以改善生物药物的稳定性、生物活性和药效持续时间等性质，提高其疗效和安全性。

蛋白质工程还可以生产重组蛋白、抗体和疫苗等生物药物，为疾病治疗提供新的手段。

2. 农业生物技术蛋白质工程在农业生物技术领域的应用主要包括转基因植物和转基因动物的产生。

通过引入外源基因，可以使植物和动物表达陌生蛋白，以改善农业产量、品质和抗逆性等特性。

蛋白质工程还可以改善植物和动物的饲料价值，提高畜禽养殖的效益。

3. 工业酶蛋白质工程在酶工业生产中有着重要的应用。

通过工程修饰，可以提高酶的催化效率、热稳定性和耐受性，从而降低生产成本，提高工业酶的使用效果。

蛋白质工程还可以创造新的工业酶，满足不同生产过程中对酶的需求。

4. 蛋白质结构与功能研究蛋白质工程在研究蛋白质结构和功能方面起到至关重要的作用。

通过蛋白质工程技术，可以合成具有特定功能的人工蛋白，深入研究蛋白质的结构与功能之间的关系。

蛋白质工程设计和改造具有新功能的蛋白质蛋白质是生物体内最重要的功能分子之一，不仅在细胞中扮演关键角色，还具有广泛的应用价值。

蛋白质工程设计和改造是一门研究如何通过修改蛋白质的原始结构和功能，使其获得新的性质和特性的领域。

这种技术不仅可以揭示蛋白质的结构与功能之间的联系，还可以创造出具有新功能的蛋白质，广泛应用于医学、工业、农业等领域。

一、蛋白质工程设计的基本原理蛋白质工程设计基于对蛋白质结构与功能之间的关系的研究，通过基因工程技术对蛋白质的基因序列进行修改，改变蛋白质的氨基酸序列，使其生成具有不同性质和功能的蛋白质。

蛋白质工程设计的基本原理包括以下几个方面：1. 置换和插入氨基酸：通过替换或插入氨基酸，改变蛋白质的氨基酸序列，从而改变蛋白质的结构和功能。

2. 引入突变：通过人工合成的方法，引入氨基酸序列中不存在的新的氨基酸，从而改变蛋白质的性质和功能。

3. 融合蛋白质：将两个或多个具有不同功能的蛋白质结合在一起，形成新的融合蛋白质，使其具有双重或多重功能。

二、蛋白质工程设计的应用蛋白质工程设计的应用十分广泛，涉及医学、工业、农业等多个领域。

1. 医学应用：蛋白质工程设计可以用于开发新型药物。

通过改造蛋白质结构，可以增加药物的稳定性、生物利用度和靶向性，提高药物疗效。

目前，已经有许多治疗癌症、疾病的蛋白质药物成功应用于临床。

2. 工业应用：蛋白质工程在工业生产中扮演重要角色。

通过改造蛋白质提高酶的催化效率和特异性，可以应用于工业催化、制药等领域。

例如，通过蛋白质工程设计改造的酶在纤维素降解、生物酶制剂等方面具有重要应用。

3. 农业应用：蛋白质工程在农业领域有着巨大潜力。

通过改造蛋白质结构，可以使植物获得新的性状和特性，提高植物抗逆性、产量和品质。

例如，通过蛋白质工程改造水稻，使其具有抗病、抗虫、耐盐碱等优良性状。

三、蛋白质工程设计的挑战与前景蛋白质工程设计是一项复杂而挑战性的工作，如何准确预测蛋白质的结构与功能之间的关系，如何精确修饰蛋白质的结构和功能，是当前蛋白质工程设计面临的主要难题。

蛋白质工程教学设计1.引言蛋白质工程是一门将基因工程与蛋白质化学、生物学和分析学相结合的新兴科学。

它通过改变蛋白质序列，结构及功能等方面，实现对蛋白质的定向或随机改造，并通过相应的技术手段对改造蛋白质进行纯化、分析及应用。

这门学科的研究热点在于通过改变蛋白质序列，结构及功能等方面，研究其在医药、食品、化妆品等领域的应用，并为生物制药提供了有力的技术支持。

因此，对蛋白质工程的教学设计是高等院校生物技术、生物工程、制药等相关专业中的重要一环。

2.培养学生的知识与能力在蛋白质工程的教学过程中，需要重点培养学生的动手实践能力和创新能力。

其中，动手实践能力需要通过课堂实验和实验室实践来培养。

创新能力需要在理论学习和实践操作中注重学生对最新科研成果的学习和运用，引导学生关注热点问题，提升学生创新思维能力。

2.1 课程设置蛋白质工程的课程设计可以分为理论学习和实践教学两个部分。

在理论学习阶段，需要通过课堂讲授和学生自主学习，了解蛋白质结构、功能及应用领域；学习蛋白质工程的基本原理和技术；了解蛋白质表达、纯化及性质分析的基本方法等。

在实践教学阶段，主要是通过实验室的动手操作，让学生亲身体验和掌握蛋白质工程的各种技术手段。

实验内容可以包括蛋白质的表达、纯化、鉴定和功能分析等。

同时，还要注重培养学生的动手实践能力和科学研究能力，引导学生在实践中进行创新思考并进行科学探究。

通过设计个性化或小组合作实验等方法，激发学生主动参与的积极性，提升学生对蛋白质工程的理解和应用能力。

2.2 教学方法针对蛋白质工程的教学要求，需要教师采用灵活多样的教学方法。

首先，通过课堂讲授，引入基本的理论知识，分析蛋白质工程的基本原理和技术方法，引导学生形成正确的概念和思维方式。

其次，在实验操作中，应采用“任务驱动和探究性学习”的方法，让学生自主完成实验，并引导学生针对实验结果和问题进行反思和探讨。

最后，通过多媒体教学、案例分析、讨论课等方式，让学生了解目前国内外蛋白质工程研究的最新进展，进一步提升学生的视野和创新意识。

蛋白质工程设计与优化蛋白质工程是一门利用基因工程技术来设计和优化蛋白质的学科。

它可以通过改变蛋白质的氨基酸序列、结构或功能来实现对蛋白质性质的改良和优化。

该领域的发展，为生物制药、农业改良和工业生产等领域带来了巨大的潜力和机遇。

一、蛋白质工程的原理和方法蛋白质工程的核心思想是通过基因工程技术对蛋白质的基因进行修改，从而改变蛋白质的结构和功能。

主要的方法包括合成基因、DNA 重组、基因突变和蛋白质表达等。

合成基因是通过化学方法将蛋白质相应的氨基酸序列合成于DNA 分子上，并将其插入到适当的载体中。

这种方法可以精确地控制蛋白质的序列以及所需的修饰，使得蛋白质的功能和稳定性得到优化。

DNA重组是将不同来源的蛋白质基因进行拼接，形成一个新的基因，进而合成蛋白质。

这种方法可以将不同蛋白质的有益特性进行结合，从而得到具有更好功能的蛋白质。

基因突变是通过改变蛋白质编码基因中的1个或多个氨基酸，从而产生对蛋白质性质具有影响的突变。

这种方法可以改变蛋白质的结构和功能，进而实现性质的优化。

蛋白质表达是将经过改良的蛋白质基因转入到适当的宿主细胞中，用以产生所需的蛋白质。

通过优化蛋白质的表达条件，可以使得蛋白质得到高效表达，并确保其空间构型和功能的完整性。

二、蛋白质工程在生物制药中的应用蛋白质工程在生物制药领域具有重要的应用价值。

利用蛋白质工程技术可以改良和优化药物蛋白质的性质，提高其治疗效果和安全性。

1. 重组蛋白质药物的设计与优化蛋白质工程技术可以用于设计和优化重组蛋白质药物，如抗体、生长因子和酶类等。

通过改变这些药物蛋白质的结构和功能，可以增强其活性、提高稳定性，并减少与患者的免疫反应。

2. 特异性药物靶向蛋白质工程可以通过改变重组蛋白质表面的氨基酸序列，从而实现对药物的特异性靶向。

通过将蛋白质与特定疾病相关的配体或细胞受体结合，可以减少对健康细胞的影响，提高药物的疗效。

3. 新型药物的开发蛋白质工程技术可以通过合成新的蛋白质序列，来开发新型的药物。

蛋白质工程第一章——绪论一、蛋白质工程的定义？狭义定义：蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质广义定义：蛋白质工程是通过物理、化学、生物和基因重组等技术改造蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质（简单来说：蛋白质工程就是一门改造设计蛋白质的学科）二、蛋白质工程的基本研究内容？研究内容总体可分为四大部分：（1）蛋白质的基础知识——结构、理化性质、生物功能、功能与结构的关系（2）蛋白质的物质准备——表达、纯化（3）蛋白质的研究方法——结构解析、分析鉴定、蛋白质组学研究（4）蛋白质的改造应用——设计改变、功能应用、蛋白质生物信息学或者可分为三大部分：（1）蛋白质结构分析——基础（关系学）（2）结构、功能的设计和预测——基础的应用与验证（实验科学）（3）创造和/或改造蛋白质——新蛋白质——终目标（工程学）三、蛋白质工程的应用（1）蛋白质工程应用蛋白质多肽药物、新型疫苗、工业用酶……（2）蛋白质工程意义1）在医药、工业、农业、环保等方面应用前景广泛2）对揭示生命现象的本质和生命活动的规律具有重要意义3）是蛋白质结构形成和功能表达的关系研究中不可替代的手段（3）蛋白质工程的支持技术定点突变等遗传操作技术；蛋白质结构解析技术；生物信息学分析技术；蛋白质的设计、表达、生产技术第二章——蛋白质结构与功能一、蛋白质的生物学功能调节功能、防御/攻击、支架作用、信息传递、运动功能、转运功能、储存功能、催化功能、结构成分二、蛋白质基本化学组件（1）氨基酸（amino）1）氨基酸种类：二十种天然氨基酸、稀有氨基酸、非天然蛋白质氨基酸2）氨基酸的化学组成与结构：①均含有C 、H 、O 、N 、S，以一定比例存在。

有些含有微量的金属元素（如铁、锌、钼、镍等）②易被酸、碱和蛋白酶催化水解为胨、肽。

共同的化学结构（除脯氨酸）3）氨基酸的性质极性氨基酸：Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr——二硫键疏水氨基酸：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro、Met、Trp——疏水内核荷电氨基酸：Arg、Lys、His（+）；Asp、Glu（-）——PI，蛋白分离谱特性、紫外线吸收特性——检测（3）肽单位、多肽链1）肽键定义：由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的化学键。

《蛋白质工程》教学大纲Protein Engineering课程编码：27A11714 学分：1.5 课程类别：专业任选课计划学时：24 其中讲课：24 实验或实践：0适用专业：生物技术专业推荐教材：刘贤锡著，《蛋白质工程原理与技术》，山东大学出版社，2002年。

参考书目：汪世华著，《普通高等教育"十一五"规划教材-蛋白质工程》，科学出版社，2008年。

课程的教学目的与任务通过本课程的学习，掌握蛋白质工程的基本理论、基础知识、主要研究方法和技术以及蛋白质工程的应用，熟悉从事蛋白质工程的重要方法和途径。

形成科学的思维方式、培养学生科学思维能力和勇于探索、善于思考、分析问题的能力，激发学生对蛋白质工程的学习热情，为将来的学习和工作奠定坚实的理论和实践基础。

课程的基本要求本课程的教学目的是使学生掌握蛋白质和蛋白质工程的概念，并在此基础上通过对蛋白质分子设计、蛋白质的热力学和动力学、蛋白质的修饰和表达、蛋白质的结构的学习，加深蛋白质的功能和应用的掌握,通过蛋白质组学的学习了解蛋白质工程的原理。

同时兼顾学科发展动向，着重涉及当今蛋白质工程的应用。

旨在使本科生了解现代蛋白质工程理论的新进展并为相关学科提供知识和技术。

各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验）第一章：绪论建议学时：2 [教学目的与要求] 了解蛋白质工程发展的历史及理论基础、基本研究内容与研究程序，掌握蛋白质结构与功能的关系，了解蛋白质工程的发展方向。

[教学重点与难点] 本部分教学重点也是难点为蛋白质结构与功能的关系。

[授课方法] 以课堂讲授为主，课堂讨论和课下自学为辅。

[授课内容]§1.1 蛋白质工程概论蛋白质工程的理论基础蛋白质工程的研究内容蛋白质工程的基本程序§1.2蛋白质工程的应用研究蛋白质结构与功能的关系改变蛋白质的特性生产蛋白质和多肽类活性物质设计合成全新蛋白质§1.3 蛋白质工程展望第二章：蛋白质的结构与功能建议学时：4 [教学目的与要求] 了解蛋白质组成与结构，掌握蛋白质的二级、超二级、结构域、三级、四级结构的概念以及不同空间结构的主要代表结构，并掌握不同的蛋白结构与蛋白质功能的关系，了解蛋白质与蛋白质相互作用及主要实例。