第 6 章 蛋白质工程

[ 学习目标 ] 了解蛋白质的结构和功能；了解蛋白质组学基本知识点；基本掌握蛋白质工程的概念、研究内容和方法以及蛋白质工程在各领域中的应用情况

第一节 概述一、蛋白质的研究

1. 简介

蛋白质是一类含氮的有机化合物

天然蛋白质仅有 20 种氨基酸

具有复杂的空间结构

2 功能多样（ 1 ）作为有机体新陈代谢的催化剂——酶

（ 2 ）作为有机体的结构成分（ 3 ）储存氨基酸

（ 4 ）运输的功能（ 5 ）协调动作的功能

（ 6 ）激素功能

（ 7 ）免疫保护机能

蛋白质工程根据蛋白质结构和生物活力之间的关系， 利用基因工程的手段，按照人类需要定向的改造天然蛋白质或设计改造新的蛋白质，是以蛋白质结构和功能关系的知识为基础，通过周密分子设计，把蛋白质改造为合乎人类需要的新的突变蛋白质。

二、蛋白质的工程的定义

三 蛋白质工程研究的基本原理

蛋白质工程是研究蛋白质结构与结构和功能的关系，然后人为的设计一个新的蛋白，并按设计的蛋白质的结构去改变基因的结构，从而产生新的蛋白质。或者从蛋白质结构和功能关系出发，定向改造天然蛋白质的结构，对功能基因修饰，也可以制造新型的蛋白质。

四、蛋白质工程的研究内容

研究的具体内容 1. 通过改变蛋白质活性部位，提高生物功效。2. 改变蛋白质的组成和空间结构，提高其在极端条件下稳定性。3 、通过改变蛋白质的遗传信息，提高其独立工作能力，不需要 辅助因子。4 、通过改变蛋白质的特性，使其便于分离纯化。5 、通过改变蛋白质的调控位点，使其与抑制剂脱离，解除反馈 抑制作用等。

第二节 蛋白质工程的研究方法 一、蛋白质工程的研究方法

蛋白质工程研究策略示意图

1. 基因定位诱变

诱变过程：首先是目的基因由环状载体折成单链，再对指定的位点用寡聚核苷酸诱导或置入合成的寡聚核苷酸产生定位突变基因，最后将突变基因导入适宜的表达系统

2. 蛋白质三维结构与功能关系的研究

测定蛋白质三维结构用 X 射线晶体衍射分析法（二维核磁共振和分子动力学方法），阐明结构与功能关系，服务于新型蛋白分子的设计

3. 蛋白质折叠与分子设计

研究蛋白质一级结构卷曲折叠成三维结构的基本规律，服务于蛋白分子设计

蛋白质分子设计分为三类

1. 定位突变或化学修饰法——“小改”。

2. 拼接组装设计——“中改”。

3.全新设计蛋白质——“大改”

二、蛋白质工程与酶的研究

酶的体外定向进化（实验分子进化）是蛋白质工程的新策略，不需要事先了解酶的空间结构和催化机制，而是通过模拟自然进化机制，以改进的诱变技术结合确定进化方向的选择，在体外改造酶基因，定向选择有价值的非天然酶，短期内可以在试管中完成自然界需要几百万年的进化过程。

基因工程在 a 物种中表达 b 物种的基因，表达的是天然的蛋白质

蛋白质工程则是进一步根据分子设计的方案，通过对天然蛋白质的基因改造，来实现对其所编码的蛋白质的改造，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造，具有了人类所需要的优点的蛋白质。

三、蛋白质工程与基因工程

第三节 蛋白质工程的应用 1.水蛭素改造

水蛭素用于治疗血栓疾病 改造：

47 位 Asn Lys

动物模型抗血栓的效果，提高 20倍

2. 生长激素改造

生长激素与生长激素之外的其他激素受体的结合

与催乳激素受体结合需要锌离子参与作用

将结合锌离子的必须配基基团组氨酸和谷氨酸进行取代置换

改造：

3.胰岛素改造

改造：胰岛素 B23—28残基氨基酸进行置换，得到单体速效胰岛素

4.治癌酶的改造

HSV－ TK 催化 GCV 和 ACYCLOVIR 的能力可以通过基因突变来提高

在酶活性部位附近有 6 个氨基酸被替换，催化能力分别提高 20倍以上

改造：

5.胰蛋白酶的改造

改造：

Arg117 位自熔点的缺失突变

突变体的稳定性明显提高

6.金属硫蛋白的改造

串联金属硫蛋白的 a— 结构域 (a12) 的基因分别转移到烟草

改造：

抗重金属性能提高

7. 人白细胞介素 -2 的改造活化 T细胞；促进 B细胞增殖和分泌抗体；激活巨噬细胞。改造：

125 位 Cys Ser 或 Ala

8. 组织纤溶酶原激活因子

急性心血管栓塞的溶栓制剂

t-PA 分子中的某些糖基化的氨基酸

改造：

清除的速率延长，具有更长半衰期的疗效

9. 枯草杆菌蛋白酶

(1) 对氧化稳定性的改造

Met-222进行全面的替换 1M 的双氧水中可保存 1 小时以上

野生型酶在 1M双氧水中的半衰期仅为 2.5 分钟。

（ 2 ）对热稳定性的改造

Gln （谷氨酰胺）突变为 Arg

Asp （天冬氨酸）突变为 Asn

热稳定性均较野生型有显著的提高

10. 蛋白酶抑制剂

植物体内的蛋白酶抑制剂含量很低，不足以杀死害虫

外源蛋白酶抑制剂基因转入植株，使得转基因植株中蛋白酶抑制剂的表达量达到可溶性蛋白的1.1％，达到杀死害虫的效果

第四节 蛋白质组学 蛋白质组（ proteome ）

源于“ protein” 与“ genome”

蛋白质作为基因表达产物，其种类和数量在不同的时间及环境下不同

同一时刻取得的蛋白质组数据，因其所处的不同生理病理状态而不同

蛋白质组是一个动态的概念

二、蛋白质组的研究技术和研究内容

两个关键技术：

蛋白质的分离技术（电泳）

鉴定技术：质谱技术

三、蛋白质组学在疾病研究中的应用

四、蛋白质组学的发展趋势

1. 在基础研究中的应用

2. 在应用研究方面

3.技术发展