《酶的蛋白质工程》PPT课件

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1、第九章酶的蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程：是以蛋白质空间结构及其与生物学功能的关系为基础，通过分子设计和由设计结果所指导的特定的基因修饰，而实现的对天然蛋白质的定向改造。目的：是为构造并生产性能比现有蛋白质更加符合人类需要的蛋白质新品种提供科学依据和技术途径，同时，为分子生物学的基础理论研究提供强有力的新手段。蛋白质的结构1952年丹麦生物化学家Linderstrom-Lang首次提出蛋白质三级结构的概念：一级结构：指多肽链中氨基酸的一定的顺序，靠共价键维持多肽链的连接，而不涉及其空间排列。二级结构：指多肽链骨架的局部空间结构，不考虑侧链的构象

2、及整个肽链的空间排列。三级结构：指整个肽链的折叠情况，包括侧链的排列，也就是蛋白质分子的空间结构或三维结构。1958年英国晶体学家Bernal提出四级结构概念：四级结构：指蛋白质亚基的排列。蛋白质的超二级结构和结构域超二级结构：1973年Rossman提出，指二级结构的组合物。结构域：由Porter提出，是指蛋白质分子中那些明显分开的球状部分。蛋白质工程就是对自然界存在的蛋白质加以改造，改造的目的是得到性能更符合人类要求的非天然蛋白质，以用于工业、农业、医药卫生等各领域。蛋白质改造的方法：通过改造它们的基因，再用基因工程的方法由工程菌种来生产新的

3、蛋白质。与药物设计的关系：近年来随着药物设计发展的需要，基于生物大分子结构知识的药物设计已成为药物发展中的重要领域，由于这种设计途径在很大程度上与蛋白质工程有着深刻和广泛的联系，因此往往在学术上与蛋白质工程一起讨论。三类专家：①蛋白质空间结构测定的专家；②蛋白质分子设计的专家；③基因工程的专家。空间结构测定的专家：主要应用X射线晶体结构分析的方法与技术对蛋白质分子的空间结构进行实验测定。分子设计专家：在了解了需要改造的蛋白质的性能及其相应的结构基础之后，主要通过理论的方法，提出蛋白质改性的设计方案，这一方案将提供改性后的蛋白质哪些部分的氨基酸顺序

4、与天然蛋白质不同，这些新的序列可以导致怎样的空间结构和电子结构的变化，从而能赋予新蛋白质什么样的特性。当前的分子设计主要以能显示图形图象的计算机为工具，采用基于物理学原理的各种模拟方法和基于蛋白质的改性分子结构知识的模型构建方法，或兼用这两类方法。基因工程专家：在得到了新的蛋白质的改性设计方案之后，就用一套分子生物学的技术，先合成相应的基因模板，再经过克隆与表达，得到新蛋白质的产物，最后通过分离、纯化，提取出足够纯的新蛋白质以研究它的性质。蛋白质工程的这一程序不是一次就能实现的，往往要经过多次的循环，不断改进设计方案才能发现一个理想的新改性蛋白。

5、当前蛋白质工程研究的热点：一方面是对具有明显生物学功能的天然蛋白质分子；另一方面是基于生物大分子结构知识的药物设计。蛋白质人为进化定向进化随机突变生物体系之所以能够相对独立地存在于自然界中，并维持其独立性和生命的延续性，都是因为生物体内的一系列酶在发挥着作用。酶保证了生物体内组成生命活动的大量生化反应得以按照预定的方向有序、精确而顺利地进行，几乎所有生物的生理现象都与酶的作用紧密相关，可以这样说，没有酶的存在，就没有生物体的一切生命活动。天然酶的作用利用酶作为催化剂进行生物催化与生物转化，已成为生产精细化学品、手性药物、食品添加剂等的重要工具,获

6、得了广泛应用。随着酶催化应用范围的不断扩大和研究的逐步深入，研究者发现，酶催化的精确性和有效性常常不能很好地满足酶学研究和工业化应用的要求，而且天然酶的稳定性差、活性低使催化效率很低，还缺乏有商业价值的催化功能天然酶的局限天然酶的局限性源于酶的自然进化过程。现代生物工程对酶的要求提高Vmax，减少Km,改变最适pH能具备长期稳定性和活性能适用于水及非水相环境能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底物能够在特殊环境中合成和拆分制作新药物或药物的原材料如何利用相对简单的方法以达到对天然酶的改造或构建新的非天然酶就显得非常有研究意义和应用前景。199

7、3年,美国科学家ArnoldFH（加州理工大学，生物化学家）首先提出酶分子的定向进化的概念，并用于天然酶的改造或构建新的非天然酶。蛋白质定向进化概念的提出人为地创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制，在体外对基因进行随机突变，从一个或多个已经存在的亲本酶（天然的或者人为获得的）出发，经过基因的突变和重组，构建一个人工突变酶库，通过一定的筛选或选择方法最终获得预先期望的具有某些特性的进化酶。定向进化技术定向进化的原理定向进化＝随机突变＋选择随机突变的策略易错PCR技术(error-pronePCR)DNA改组(DNAshuflling)：由美国Ste

8、mmer于1994年首次提出一项体外重组技术随机引发重组(RPR)1998年,Arnold提出了一种有效的新方法交错延伸技术(StEP)