第6章蛋白质工程

《现代生物技术概论》任课教师介绍曾千春，男，1964年11月生，博士，教授，云南省第7批中青年学术技术带头人。

先后在湖南农学院植物保护专业，云南农业大学植物病理专业和四川农业大学作物遗传育种专业 (中国科学院遗传所联合培养)毕业，获学士、硕士和博士学位。

2003年中国科学院遗传发育所分子生物学博士后出站；2004年享受云南省人事厅高层次人才补贴与工作经费；2008-2011年美国佛罗里达大学食品与农业科学学院访问学者。

1987年参加工作，2007年任职教授。

云南农业大学作物遗传育种专业、生物化学与分子生物学硕士生导师，作物遗传育种专业博士生指导小组成员。

东亚与东南亚热带生物资源研究与发展（Eastern Tropical Bionet, ETB）中国分会理事，美国离体生物学会会员，国家自然科学基金委农学基础与作物学学科同行评议专家。

主讲“基础生物化学”，“植物生理学”和“蛋白质与酶工程”。

全校公共选修课程“现代生物技术概论”和“转基因与食品安全”。

主要从事杂交水稻生物技术育种、甘蔗转基因和植物病原真菌研究，主持或参加完成国家973、863、国家自然基金、国家科技支撑计划等科研项多项。

作为执笔人申报的“生物化学与分子生物学”硕士点同行专家评议通过率100％，2006年1月获得国务院学位委员会正式批准。

曾获云南农业大学优秀教师称号，获云南省自然科学三等奖1项，发表论文45篇，参编专著2部。

《现代生物技术概论》课程介绍随着现代生物技术的发展，转基因食品、加酶洗衣粉等现代生物技术产品已经走进了人们的日常生活。

愈来愈多的同学希望了解（掌握）生物技术产生的简要历程，生物技术的基本知识，了解生物技术发展对国家政治、军事、经济、文化、生活及其他科学技术发展的影响。

本课程包括两大部分。

第一部分包括生命的中心法则、基因工程、细胞工程、酶工程和蛋白质工程等基础生物技术知识，较全面地介绍生物技术五大工程的基本原理和知识。

第三章蛋白质第一节蛋白质概论蛋白质是所有生物中非常重要的结构分子和功能分子，几乎所有的生命现象和生物功能都是蛋白质作用的结果，因此，蛋白质是现代生物技术，尤其是基因工程，蛋白质工程、酶工程等研究的重点和归宿点。

一、蛋白质的化学组成与分类1、元素组成碳50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫0-3% 微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼凯氏定氮：平均含氮16%，粗蛋白质含量=蛋白氮³6.252、氨基酸组成从化学结构上看，蛋白质是由20种L-型α氨基酸组成的长链分子。

3、分类（1）、按组成：简单蛋白：完全由氨基酸组成结合蛋白：除蛋白外还有非蛋白成分（辅基）详细分类，P 75 表3-1，表3-2。

（注意辅基的组成）。

（2）、按分子外形的对称程度：球状蛋白质：分子对称，外形接近球状，溶解度好，能结晶，大多数蛋白质属此类。

纤维状蛋白质：对称性差，分子类似细棒或纤维状。

（3）、功能分：酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。

4、蛋白质在生物体内的分布含量(干重) 微生物50-80%人体45%一般细胞50%种类大肠杆菌3000种人体10万种生物界1010-1012１二、蛋白质分子大小与分子量蛋白质是由20种基本aa组成的多聚物，aa数目由几个到成百上千个，分子量从几千到几千万。

一般情况下，少于50个aa的低分子量aa多聚物称为肽，寡肽或生物活性肽，有时也罕称多肽。

多于50个aa 的称为蛋白质。

但有时也把含有一条肽链的蛋白质不严谨地称为多肽。

此时，多肽一词着重于结构意义，而蛋白质原则强调了其功能意义。

P 76 表3-3 （注意：单体蛋白、寡聚蛋白；残基数、肽链数。

）蛋白质分子量= aa数目*110对于任一给定的蛋白质，它的所有分子在氨基酸组成、顺序、肽链长度、分子量等方面都是相同的，均一性。

三、蛋白质分子的构象与结构层次蛋白质分子是由氨基酸首尾连接而成的共价多肽链，每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构，这种空间结构称为蛋白质的（天然）构象。

蛋白质工程教学计划一、教学目标本课程的教学目标是通过系统的理论教学和实践操作，使学生掌握蛋白质工程的基本原理、方法和技术，具备独立设计和构建蛋白质工程相关项目的能力，为学生将来从事相关科研和实际应用工作打下坚实基础。

二、教学内容1. 蛋白质结构与功能- 蛋白质的结构、功能和生物学意义- 蛋白质结构的研究方法- 蛋白质与其他生物分子的相互作用2. 蛋白质工程基础- 基因工程与蛋白质工程的关系- 蛋白质表达和纯化技术- 蛋白质修饰和功能改造技术3. 蛋白质设计与构建- 蛋白质结构预测与模拟- 蛋白质工程方法和技术- 蛋白质工程的应用领域4. 实验操作与项目设计- 蛋白质表达系统的构建- 蛋白质纯化和鉴定技术- 蛋白质功能改造和应用研究三、教学方法1. 理论教学采用课堂讲授、案例分析和讨论等多种方法，使学生掌握蛋白质工程的基本理论知识。

2. 实践操作实验室操作是蛋白质工程课程的重要组成部分，通过实验操作，使学生掌握蛋白质表达、纯化和功能改造的基本技术。

3. 项目设计鼓励学生在课程学习的基础上，进行小型的蛋白质工程项目设计，培养学生的科研和实践能力。

四、教学手段1. 教学设备- 实验室设备：包括PCR仪、电泳仪、分光光度计、离心机等。

- 计算机及软件：用于蛋白质结构预测与模拟，以及数据分析和图表制作。

2. 教学资料- 教材：选用蛋白质工程相关的专业教材。

- 课件：制作蛋白质工程相关的PPT课件，便于课堂教学和学生学习。

3. 实验材料- 实验材料：包括蛋白质表达载体、蛋白质纯化试剂盒、蛋白质功能改造试剂等。

五、教学过程1. 开设理论课程本课程会分为多个模块进行理论课教学，包括蛋白质结构与功能、蛋白质工程基础、蛋白质设计与构建等内容。

2. 安排实验操作在理论教学的基础上，安排相关的实验操作课程，包括蛋白质表达和纯化实验、蛋白质功能改造实验等，使学生能够将理论知识应用到实际操作中。

3. 项目设计鼓励学生进行小型的蛋白质工程项目设计，可以是文献综述、实验设计或者理论模拟等，培养学生的科研能力和创新思维。

《蛋白质工程》课程（09135）教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：蛋白质工程课程代码：09135学分与学时：2学分38学时课程性质：专业选修授课对象：生物工程专业二、本课程教学目标与任务蛋白质工程是随着生物化学、分子生物学、结构生物学、晶体学和计算机技术等的迅猛发展而诞生的，也与基因组学、蛋白质组学、生物信息学等的发展密切相关，是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。

由于蛋白质工程学科的边缘性，所以本课程在介绍蛋白质基本内容的同时，兼顾学科发展动向，旨在使学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。

通过本课程的学习，使学生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生物信息学和现代生物技术在蛋白质工程上的应用及典型研究实例，熟悉从事蛋白质工程的重要方法和途径。

努力培养学生具有科学思维方式、启发学生科学思维能力和勇于探索，善于思考、分析问题的能力，激发学生的学习热情，为未来的学习和工作奠定坚实的理论和实践基础。

三、学时安排四、课程教学内容与基本要求第一章绪论教学目的：使学生了解蛋白质工程的基本概况。

基本要求：理解掌握蛋白质工程研究内容和蛋白质工程设计的原理。

重点与难点：蛋白质工程的原理，蛋白质工程的程序和操作方法。

教学方法：课堂讲授为主。

主要内容：一、蛋白质工程的物质基础二、蛋白质工程的原理三、蛋白质工程的程序和操作方法四、蛋白质工程的产生与发展五、蛋白质工程的应用领域第二章蛋白质结构基础教学目的：使学生理解蛋白质的结构与功能及二者之间的关系，理解蛋白质多肽链的折叠方式。

基本要求：要求掌握蛋白质各个结构层次的组成、基本特点和维持结构的作用力、结构与功能的关系。

蛋白质的变性和复性、蛋白质的折叠以及分子伴侣和折叠酶在蛋白质折叠中的作用。

重点与难点：重点：蛋白质的结构与功能，蛋白质结构与功能的关系。

难点：多肽链的折叠。

食品生物技术绪论名词解释1 食品生物技术食品生物技术(food biotechnology)：是现代生物技术在食品领域中的应用，是指以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其它学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料2 基因工程基因工程：通过一系列技术操作过程，获得人们预先设计好的生物，该生物所具有的特性往往是自然界不存在的。

是用人工的方法把不同生物的遗传物质（基因）分离出来，在体外进行剪切，拼接，重组形成基因重组体，然后再把重组体引入宿主细胞或个体中得以高效表达，最终获得人们所需要的基因产物。

3 细胞工程细胞工程(cell engineering)：在细胞水平研究、开发、利用各类细胞的工程。

是人们利用现代细胞分子生物学的研究成果，根据需求设计改变细胞的遗传基础。

4 蛋白质工程蛋白质工程(protein engineering)：通过对Pr化学、Pr晶体学和动力学的研究，获得有关Pr理化特性和分子特性的信息，以此为基础有目的设计改造编码蛋白的基因，通过基因工程技术获得可以表达Pr的转基因生物系统，该生物系统可以是转基因微生物、转基因植物、转基因动物，或细胞系统。

最终产出改造过的Pr5 酶工程酶工程(enzyme engineering)：利用酶催化作用进行物质转化的技术，是酶学理论、基因工程、蛋白质工程、发酵工程相结合而形成的一门新技术6 发酵工程发酵工程是将微生物学、生物化学和化学工程等学科基本原理有机结合，是建立在基因工程技术基础上的一门应用技术性学科。

7 生物工程下游技术生物工程下游技术(biotechnique downstream processing)：将发酵工程、酶工程、蛋白质工程和细胞工程生产的生物原料，经过提取、分离、纯化、加工等步骤，最终形成产品的技术第二章（94页）1 基因工程基因工程：通过一系列技术操作过程，获得人们预先设计好的生物，该生物所具有的特性往往是自然界不存在的。

《现代生物技术》教案第一章：生物技术概述1.1 教学目标让学生了解生物技术的定义和发展历程。

让学生了解生物技术在医药、农业、环境保护等领域的应用。

让学生认识到生物技术的发展对社会的影响。

1.2 教学内容生物技术的定义和发展历程。

生物技术的应用领域。

生物技术的伦理和社会问题。

1.3 教学方法采用讲授法，讲解生物技术的定义和发展历程。

采用案例分析法，分析生物技术的应用领域。

采用讨论法，讨论生物技术的伦理和社会问题。

第二章：基因工程2.1 教学目标让学生了解基因工程的基本原理和技术。

让学生了解基因工程在医药、农业等领域的应用。

让学生认识到基因工程的发展对社会的影响。

2.2 教学内容基因工程的基本原理和技术。

基因工程的应用领域。

基因工程的伦理和社会问题。

2.3 教学方法采用讲授法，讲解基因工程的基本原理和技术。

采用案例分析法，分析基因工程的应用领域。

采用讨论法，讨论基因工程的伦理和社会问题。

第三章：细胞工程3.1 教学目标让学生了解细胞工程的基本原理和技术。

让学生了解细胞工程在医药、农业等领域的应用。

让学生认识到细胞工程的发展对社会的影响。

3.2 教学内容细胞工程的基本原理和技术。

细胞工程的应用领域。

细胞工程的伦理和社会问题。

3.3 教学方法采用讲授法，讲解细胞工程的基本原理和技术。

采用案例分析法，分析细胞工程的应用领域。

采用讨论法，讨论细胞工程的伦理和社会问题。

第四章：蛋白质工程4.1 教学目标让学生了解蛋白质工程的基本原理和技术。

让学生了解蛋白质工程在医药、农业等领域的应用。

让学生认识到蛋白质工程的发展对社会的影响。

4.2 教学内容蛋白质工程的基本原理和技术。

蛋白质工程的应用领域。

蛋白质工程的伦理和社会问题。

4.3 教学方法采用讲授法，讲解蛋白质工程的基本原理和技术。

采用案例分析法，分析蛋白质工程的应用领域。

采用讨论法，讨论蛋白质工程的伦理和社会问题。

第五章：生物信息学5.1 教学目标让学生了解生物信息学的定义和发展历程。

蛋白质工程复习提纲第一章蛋白质工程的概念及其发展1．什么是蛋白质工程？是以对蛋白质结构和功能关系的认识为依据，借助基因工程技术和X-射线衍射分析技术，从基因入手，通过定点突变改变核苷酸顺序，以达到改造现有蛋白质分子、或创造新的蛋白质分子目的的技术学科。

2．与蛋白质工程有关的四个基础学科是什么？蛋白质化学、分子遗传学、蛋白质晶体学、蛋白质动力学。

3．为什么蛋白质化学方面的研究又出现了新高潮？今后蛋白质化学的研究将向哪三个方向发展？1）遗传工程的产品开拓依赖于新蛋白质的发现；2）遗传工程的下游技术有赖于蛋白质的新的分离、纯化技术的发展；3）医学上和商业上发现新分蛋白质推动了蛋白质化学研究技术的不断发展。

今后蛋白质化学的主要研究方向有：1）蛋白质的研究与核酸研究相结合；2）蛋白质化学与量子化学相结合；3）新功能蛋白质的寻找、原有蛋白质新功能的揭示、新的研究蛋白质技术的开拓。

4．举例说明蛋白质工程已经取得了哪些成果？（1）在基础研究方面：1) 进行酶活性中心上必需基团的研究2）展宽酶分子的底物范围研究3）提高酶分子对底物的专一性研究4）提高蛋白质分子的稳定性研究5）研究了酶分子的空间结构与催化的关系6) 研究了酶分子与底物结合成中间产物时结合能的作用。

（2）应用方面1)改进蛋白质分子的热稳定性2)提高抗氧化性能3)提高蛋白质抵抗重金属的性能4) 增强蛋白质对pH值的稳定性5) 改变酶催化的最适pH值5．当前阻碍酶的大量生产和销售的因素有哪些？酶的生产成本较高（非主要）；来自自然界的酶或其他蛋白质并不随人意，应用起来会遇到这样那样的困难（生产环境与自然环境有差距）6．蛋白质工程的近期目标是什么？增强蛋白质对热的稳定性；增强蛋白质对氧的稳定性；增强蛋白质对重金属的稳定性；增强蛋白质对pH的稳定性；改进酶的催化性质7．制约蛋白质工程发展的因素有哪些？蛋白质分子构象的研究手段的建立；基因的高效表达及其下游技术第二章蛋白质分子的立体结构原理1 什么是顺式酰胺键？各在什么时候出现？多肽链是以众多的氨基酸分别以酰胺键连接起来，当酰胺键上的N原子由Pro供给时，所形成的酰胺键是顺式排列的，称为顺式酰胺键。

蛋白质工程(建议用时：40分钟)题组一蛋白质工程是基因工程的延伸1．合成天然不存在的蛋白质应首先设计( )A．基因结构B．RNA结构C．氨基酸序列D．蛋白质结构D[合成天然不存在的蛋白质属于蛋白质工程。

实施蛋白质工程的前提是了解蛋白质的结构与功能的关系，首先要从设计蛋白质的结构入手，然后再根据基因工程的方法通过基因修饰或基因合成，合成相应的蛋白质，从而实现对蛋白质的改造。

]2．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )A．蛋白质工程的实质是改造基因B．蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列C．蛋白质工程的基础是基因工程D．蛋白质工程遵循的原理包括中心法则B[蛋白质工程是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，然后根据设计的蛋白质结构，合成出特定的脱氧核苷酸序列。

]3．下列哪项不是蛋白质工程的研究内容( )A．分析蛋白质分子的精细结构B．对蛋白质进行有目的的改造C．分析氨基酸的化学组成D．按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质C[本题考查蛋白质工程的原理。

蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系，按照人的意愿改造蛋白质分子，形成自然界不存在的蛋白质分子。

为了改造某种蛋白质分子，必须对其精细结构进行分析，但不包括对组成蛋白质的氨基酸的化学组成的分析。

]4．下列有关蛋白质工程的说法正确的是( )A．蛋白质工程无需构建基因表达载体B．通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质C．蛋白质工程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶D．蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质C[蛋白质工程的基本流程：从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸序列，找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。

这是蛋白质工程特有的途径，接下来是按照基因工程的一般步骤进行。

因此，基因工程技术利用的工具(限制酶、DNA 连接酶、载体)以及操作流程也适用于蛋白质工程技术中，A 项错误，C 项正确；蛋白质工程生产的蛋白质是改造后的蛋白质或者是新的蛋白质，B 项错误；蛋白质工程的操作对象是基因，属于分子水平，D 项错误。

《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。

蛋白质工程考试题型：英翻中10题共10分填空20题共20分判断15题共15分单选30题或20题共30分简答5题共25分部分简答题和英翻中的范围：1、第一章第一节——第三节考1题简答题、还会考英翻中2、第三章第三届考1题简答题3、第六章英翻中4、第七章第四节第五节每一节考一题简答题5、第九章考英翻中第三节考一道简答题6、第十章考英翻中第一章蛋白质分类：纤维状蛋白质(胶原、角蛋白) 球状蛋白质（酶类）膜蛋白（膜内、膜锚定蛋白）蛋白质功能：调节信息传递支架作用防御与进攻其他特定功能催化结构成分贮存运动转运氨基酸多肽链名称：丙氨酸Ala A 甲硫氨酸MetM 半胱氨酸CysC天门冬酰胺AsnN天门冬氨酸 Asp D 脯氨酸Pro P 谷氨酸Glu E 谷氨酰胺Gln Q 苯丙氨酸PheF精氨酸Arg R 甘氨酸Gly G 丝氨酸Ser S 组氨酸His H 苏氨酸Thr T 异亮氨酸Ile I 缬氨酸Val V 赖氨酸Lys K 色氨酸Trp W非蛋白质氨基酸在哪出现目前认为有些非蛋白质氨基酸是某些代谢过程的中间产物或重要代谢物的前体。

如：瓜氨酸和鸟氨酸——精氨酸前体刀豆氨酸和5—羟基色氨酸——杀虫杀菌。

多巴胺——神经递质构象与构型的区别：构型：一个分子中各原子的特定空间排布。

当一种构型改变为另一种构型时必须有共价键的断裂和重新形成，最基本的分子构型是L-型和D-型。

构象（conformation）是组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空间排布。

一种构象转变为另一种构象，不会有共价键的断裂与形成。

氨基酸的分类a.按照R基的化学结构进行分类：脂肪族（①中性氨基酸、②含羟基或硫氨基酸、③酸性氨基酸及其酰胺、④碱性氨基酸）、芳香族和杂环族氨基酸3类；b.按照R基的极性性质进行分类：疏水氨基酸（非极性R基氨基酸）；不带电的极性R基氨基酸；带正电的R基氨基酸；带负电的R基氨基酸。

c.非天然蛋白质氨基酸肽：肽是氨基酸的线性聚合物，也称为肽链（peptide chain）肽键：氨基酸同时含有氨基和羧基，他们能以首尾相连的方式进行缩合反应，一个氨基酸的α-NH2与另一个氨基酸的α-COOH缩合脱去一份子水，可以形成一个共价酰胺键或称肽键。