蛋白质工程在食品工业中的应用课件.ppt

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1、第一节蛋白质工程的原理和方法以蛋白质结构和功能的研究为基础，运用遗传工程的方法，借助计算机信息处理技术的支持，从改变或合成基因入手，定向地改造天然蛋白质或设计全新的人工蛋白质分子，使之具有特定的结构、性质和功能，能更好地为人类服务的一种生物技术。一、蛋白质工程的概念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

2、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。主要包括：分子遗传学、蛋白质结构功能相关的理论与技术。分子遗传学：完整cDNA的克隆技术、DNA序列的快速测定技术、DNA序列推测蛋白质序列的多维程序系统、原核生物及真核生物基因表达过程的调控、基因的定位诱变及随机诱变理论与技术等。蛋白质结构功能分析

3、：蛋白质一级结构－氨基酸序列的分析；X光单晶衍射结构分析技术；两维和三维核磁共振结构分析技术；蛋白质结构数据库的建立；蛋白质功能的酶学和免疫研究技术；蛋白质分子力场、能态、自由能等生物物理学研究技术；计算机模拟处理结构分析系统等。两大类理论与技术相互关联、相互促进，借助其他多类学科的支持，完成对蛋白质分子结构与功能分析、归类，进一步展开突变蛋白质的分子模拟与预测，实现蛋白质的改造，以及全新蛋白质的分子结构与功能的设计，在计算机模拟的基础上，进行蛋白质分子的化学修饰、合成的实际操作，验证分子设计的结果，获得具有特定结构、性

4、质和功能的目的蛋白质。二、蛋白质工程的原理（一）蛋白质工程的目的对目的蛋白质进行结构和功能上的设计与改造，以满足人们特定条件下的需要。以蛋白质结构与功能的研究为基础，掌握蛋白质活性中心的结构，包括催化中心和调节中心的空间构象，了解构成中心的各氨基酸残基及其侧链基团的位置，再借助计算机图像与处理系统的模拟进行分子辅助设计，提出对目的蛋白质的改建或构建方案，确定活性中心的氨基酸残基组成，并辅助设计和预测其结构功能的变化。（二）蛋白质工程的组成部分1.蛋白质放大扩增系统由组织提取的少量纯化的蛋白质，通常只有0.1-1.0mg。

5、作为出发蛋白质分子，先解析部分肽段的一级结构，根据遗传密码设计并合成相应的同位素标记寡聚核苷酸片段，再由此从基因文库中调出该蛋白质的克隆化基因，转入DNA序列分析系统测定DNA序列并克隆化，最后通过表达载体系统扩增蛋白质的量，达到能够分析出发蛋白质的结构功能的水平，通常需要蛋白质量为0.1-1.0g。2.蛋白质结构功能分析及分子设计系统由上一系统获得足量的出发蛋白质后，通过目前已经具备的蛋白质结构分析方法，分析蛋白质的一级结构和空间结构。X光衍射分析晶体蛋白质的结构，而三维核磁共振法研究溶液中的蛋白质结构，同时研究该蛋白

6、质结构与功能的关系，并将结果输入计算机图像处理系统和结构处理系统，根据生物物理学原理以及已知蛋白质结构功能数据库的基本规律，从结构与功能研究出发，进行分子结构分析与模拟，进一步辅助设计和功能预测，提出分子的预期性质、改造或构建方案，完成突变蛋白质的分子设计或构建过程。3.突变蛋白质的合成表达系统将突变方案通过分子遗传学方法实施即蛋白质的定点突变技术，改造或构建方案通过合成突变寡聚核苷酸，引入定位突变，或采用其他方法引入突变，并进入克隆系统分离出突变DNA，以此作为模板，引入载体表达系统，扩增表达获得大量的突变蛋白质。对获

7、得的突变蛋白质进行结构、性质和功能的分析、测试与判定，如符合分子设计的要求，则获得目的蛋白质；如不能满足实际要求，则再由分子设计系统重新指导设计，进入新一轮循环，最终获得满足人们要求的目的蛋白质。（三）蛋白质工程操作中的问题1.有关分子遗传学和基因工程的问题例如更有效的cDNA克隆技术，精确高效的定位突变技术，高效目的基因表达系统等。2.有关蛋白质结构功能研究的理论和技术例如准确地由一级结构推测高级结构，肽链折叠的精确控制，蛋白质的翻译后修饰，蛋白质结构可变性，分子动力学与蛋白质功能的关系，蛋白质在晶体、溶液以及细胞中的

8、不同存在状态及其对蛋白质性质、功能的影响等。3.一些相关辅助技术例如微量蛋白质的纯化鉴定技术、更有效的蛋白质结晶方法、计算机辅助系统的有效性等。三、蛋白质工程的基本步骤1.分离纯化目的蛋白，使之结晶并作X晶体衍射分析，结合核磁共振技术等其他方法的分析结果，得到其空间结果尽可能多的信息。2.对目的蛋白质功能作详细的研究