蛋白质工程与食品工业

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1、 概 述 蛋 白 质 是 对 生 命 至 关 重 要 的 一 类 生物 大 分 子 ， 各 种 生 命 功 能 、 生 命 现 象 、生 命 活 动 都 和 蛋 白 质 有 关 。 在 生 命 有 机体 催 化 、 运 动 、 结 构 、 识 别 和 调 节 等 许多 方 面 ， 起 着 关 键 的 作 用 。 主 要 内 容蛋 白 质 的 功 能 与 结 构蛋 白 质 工 程 的 诞 生蛋 白 质 工 程 的 基 本 步 骤 和 改 造 方 法蛋 白 质 工 程 在 食 品 产 业 中 的 应 用 主 要 内 容蛋 白 质 的 功 能 蛋 白 质 的 结 构 一 、 蛋 白 质 的 功 能

2、(1)蛋 白 质 是 构 成 生 命 的 重 要 物 质 之 一 蛋 白 质 是 一 类 重 要 而 复 杂 的 生 物 大 分 子 ， 它 广 泛 地 存 在 于所 有 生 物 界 的 机 体 之 中 ， 具 有 许 多 重 要 的 作 用 ； 构 成 生 物 体 新 陈 代 谢 的 几 乎 全 部 的 化 学 反 应 都 是 在 活 性 蛋白 质 -酶 的 催 化 下 进 行 的 ； 高 等 动 物 的 免 疫 反 应 ， 也 主 要 是 通 过 蛋 白 质 即 抗 原 和 抗 体来 完 成 的 ； 运 动 时 的 肌 肉 收 缩 靠 的 是 某 些 蛋 白 质 的 相 互 作 用 来 完

3、 成 的 ； 运 输 氧 和 二 氧 化 碳 的 是 血 红 蛋 白 ； 具 有 代 谢 和 调 节 功 能 的 是 多 种 蛋 白 质 激 素 。 一 、 蛋 白 质 的 功 能 (2) 蛋 白 质 的 应 用 蛋 白 质 是 人 类 赖 以 维 持 生 命 的 重 要 营 养 来 源 之 一 。 人 们需 要 从 各 种 肉 、 蛋 、 奶 、 豆 类 等 主 要 食 品 中 获 得 所 需 的 蛋白 质 营 养 。 用 蛋 白 质 诊 断 和 治 疗 某 些 疾 病 。 淀 粉 酶 、 脂 肪 酶 、 蛋 白酶 用 于 帮 助 消 化 ， 治 疗 某 些 消 化 不 良 性 疾 病 ；

4、胰 岛 素 用 于治 疗 严 重 的 糖 尿 病 ； 转 氨 酶 作 为 肝 病 变 的 指 标 等 。 食 品 工 业 和 轻 工 业 中 主 要 应 用 蛋 白 质 或 利 用 蛋 白 质 的 性质 制 造 各 种 产 品 。 例 如 ， 酿 造 业 要 用 蛋 白 酶 来 增 加 酱 油 的鲜 味 等 。 用 于 人 类 衣 着 的 羊 毛 、 纺 织 品 和 皮 革 主 要 组 成 是蛋 白 质 。 二 、 蛋 白 质 的 结 构 氨 基 酸 是 蛋 白 质 的 基 本 结 构 单 位 氨 基 酸 的 基 本 结 构 ： 二 、 蛋 白 质 的 结 构 各 种 氨 基 酸 之 间 通

5、过 肽 键 彼 此 按 直 线 形 头 尾 相 连 ，构 成 不 同 长 短 的 肽 链 。 肽 键 就 是 由 氨 基 酸 的 -羧基 与 相 邻 的 氨 基 酸 的 -氨 基 脱 水 缩 合 而 形 成 的 化学 键 肽 键 的 形 成肽 键 的 形 成 二 、 蛋 白 质 的 结 构 肽 :氨 基 酸 通 过 肽 键 连 结 起 来 的 化 合 物 二 肽 :两 个 氨 基 酸 形 成 的 肽 三 肽 :三 个 氨 基 酸 形 成 的 肽 多 肽 :许 多 氨 基 酸 形 成 的 肽 蛋 白 质 :大 多 为 100个 以 上 氨 基 酸 组 成 的 多 肽 二 、 蛋 白 质 的 结

6、构 多 肽 链 的 折 叠 可 分 为 四 种 不 同 层 次 的 结 构 。 一 级 结 构 ： 仅 指 肽 链 中 的 氨 基 酸 线 型 排 列 顺 序 ，不 考 虑 空 间 的 排 列 。牛 胰 岛 素 的 氨 基 酸 序 列 二 、 蛋 白 质 的 结 构 二 级 结 构 ： 主 链 原 子 的 局 部 空 间 排 列 ， 不 包 括 侧链 构 象 和 与 其 他 链 段 的 相 互 关 系 ， 如 -螺 旋 、 -折 叠 等 主 链 构 象 单 元 就 是 二 级 结 构 。 主 要 形 式 ： -螺 旋 、 -折 叠 、 -转 角 、 无 规 卷 曲 等 二 、 蛋 白 质 的

7、结 构 二 、 蛋 白 质 的 结 构 -转 角 二 、 蛋 白 质 的 结 构 三 级 结 构 ： 蛋 白 质 的 多 肽 链 在 各 种 二 级 结 构 的 基础 上 再 进 一 步 盘 曲 或 折 叠 形 成 具 有 一 定 规 律 的 三维 空 间 结 构 。碳 酸 酐 酶 的 多肽 骨 架 示 意 图 二 、 蛋 白 质 的 结 构 四 级 结 构 ： 具 有 二 条 或 二 条 以 上 独 立 三 级 结 构 的多 肽 链 组 成 的 蛋 白 质 ， 其 多 肽 链 间 通 过 次 级 键 相互 组 合 而 形 成 的 空 间 结 构 。血 红 蛋 白的 结 构 二 、 蛋 白 质

8、 的 结 构 （ 1） 氢 键 ： 氢 原 子 与 负 电 性 强 的 原 子 （ 如氧 、 氮 等 ） 间 形 成 。 对 蛋 白 质 分 子 三 维 构 象的 维 护 很 重 要 。 （ 2） 静 电 引 力 ： 正 负 带 电 基 团 之 间 的 吸 引力 。 对 蛋 白 质 分 子 三 维 构 象 的 稳 定 贡 献 不 是很 大 ， 也 称 为 离 子 键 或 盐 键 （ 3） 范 德 华 力 ： 原 子 团 相 互 接 近 时 诱 导 所致 。 它 变 化 多 样 ， 对 维 持 蛋 白 质 活 性 中 心 的构 象 影 响 很 大 二 、 蛋 白 质 的 结 构 （ 4） 疏 水

9、 相 互 作 用 ： 是 非 极 性 基 团 为 了 避开 水 相 而 群 集 在 一 起 的 作 用 力 。 疏 水 作 用 是维 持 蛋 白 质 高 级 结 构 的 重 要 因 素 （ 5） 二 硫 键 ： 作 用 很 强 ， 对 稳 定 蛋 白 质 构象 起 重 要 作 用 氢 键 、 离 子 键 、 疏 水 作 用 和 范 德 华 力 等 次 级键 是 非 共 价 键 肽 键 、 二 硫 键 、 酯 键 等 被 称 之 为 共 价 键 蛋 白 质 工 程 的 诞 生 1983年 ， 美 国 生 物 学 家 额 尔 默 首 先 提 出了 “ 蛋 白 质 工 程 ” 的 概 念 。 蛋 白

10、 质 工 程 的 实践 依 据 DNA指 导 合 成 蛋 白 质 ， 因 此 ， 人 们 可以 根 据 需 要 对 负 责 编 码 某 种 蛋 白 质 的 基 因 进行 重 新 设 计 ， 使 合 成 出 来 的 蛋 白 质 的 结 构 变得 符 合 人 们 的 要 求 。 蛋 白 质 工 程 的 诞 生 蛋 白 质 工 程 就 是 以 蛋 白 质 的 结 构 与 功 能 为 基 础 ，利 用 基 因 工 程 的 手 段 ， 按 照 人 类 自 身 的 需 要 ， 定向 地 改 造 天 然 的 蛋 白 质 ， 甚 至 创 造 新 的 、 自 然 界本 不 存 在 的 、 具 有 优 良 特 性

11、 的 蛋 白 质 分 子 。 蛋 白 质 工 程 是 指 通 过 生 物 技 术 手 段 对 蛋 白 质 的 分子 结 构 或 者 对 编 码 蛋 白 质 的 基 因 进 行 改 造 ， 以 便获 的 更 适 合 人 类 需 要 的 蛋 白 质 产 品 的 技 术 。 蛋 白 质 工 程 的 诞 生 蛋 白 质 工 程 是 指 通 过 蛋 白 质 化 学 、 蛋 白 质 晶体 学 和 动 力 学 的 研 究 ， 获 取 有 关 蛋 白 质 物 理和 化 学 等 各 方 面 的 信 息 ， 在 此 基 础 上 利 用 生物 技 术 手 段 对 蛋 白 质 的 DNA编 码 序 列 进 行 有目

12、的 的 改 造 并 分 离 、 纯 化 蛋 白 质 ， 从 而 获 取自 然 界 没 有 的 、 具 有 优 良 性 质 或 适 用 于 工 业生 产 条 件 的 全 新 蛋 白 质 的 过 程 。 蛋 白 质 工 程 的 诞 生 蛋 白 质 工 程 主 要 包 括 4大 类 研 究 ： 第 一 利 用 已 知 的 蛋 白 质 一 级 结 构 的 信 息 开 发 应 用研 究 。 第 二 定 量 确 定 蛋 白 质 结 构 -功 能 关 系 。 这 是 目 前 蛋白 质 工 程 研 究 的 主 体 ， 它 包 括 蛋 白 质 三 维 结 构 模型 的 建 立 ， 酶 催 化 的 性 质 、 蛋

13、 白 质 折 叠 和 稳 定 性研 究 等 . 第 三 ， 从 混 杂 变 异 体 库 中 筛 选 具 有 特 定 结 构 -功 能关 系 的 蛋 白 质 。 第 四 ， 根 据 已 知 结 构 -功 能 关 系 的 蛋 白 质 ， 用 人 工方 法 合 成 它 及 其 变 异 体 . 主 要 内 容蛋 白 质 工 程 研 究 的 主 要 步 骤蛋 白 质 改 造 方 法 蛋 白 质 工 程 研 究 的 主 要 步 骤 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 等 其 他 方 法 的 分 析 结果 ， 得 到 其 空 间 结

14、 构 的 尽 可 能 多 的 信 息 。 对 目 的 蛋 白 的 功 能 作 详 尽 的 研 究 ， 确 定 它 的功 能 域 。 通 过 对 蛋 白 质 的 一 级 结 构 、 空 间 结 构 和 功 能之 间 的 相 互 关 系 的 分 析 ， 找 出 关 键 的 基 团 和结 构 。 蛋 白 质 工 程 研 究 的 主 要 步 骤 在 蛋 白 质 结 构 与 功 能 研 究 的 基 础 上 ， 借 助 于计 算 机 图 像 显 示 和 分 子 辅 助 设 计 ， 提 出 对 目的 蛋 白 分 子 的 改 建 或 构 建 方 案 ， 并 用 基 因 工程 的 方 法 去 实 施 。 对 经

15、 过 改 造 的 蛋 白 质 进 行 功 能 性 测 定 ， 看 看改 造 的 效 果 如 何 。 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 在 基 因 水 平 上 对 蛋 白 质 进 行 改 造 ， 按 改 造 的规 模 和 程 度 可 以 分 为 ： 初 级 改 造 ： 个 别 氨 基 酸 的 改 变 和 一 整 段 氨 基酸 序 列 的 删 除 、 置 换 或 插 入 高 级 改 造 ： 蛋 白 质 分 子 的 剪 裁 ， 如 结 构 域 的拼 接 从 头 设 计 合 成 新 型 蛋 白 质 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 初 级 改 造 ： 通 过 基 因 突 变 方 法 ， 以

16、 达 到 改 变氨 基 酸 进 而 改 造 蛋 白 质 的 目 的 。 目 前 ， 主 要 采 用 的 基 因 突 变 方 法 ： 基 因 定 位 突 变 盒 式 突 变 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 初 级 改 造 基 因 定 位 突 变 的 基 本 过 程 ： 首 先 使 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 (如 大 肠 杆 菌 等 )即 可 产 生 突 变 体 蛋白

17、 质 。 这 是 目 前 定 向 改 造 蛋 白 质 的 基 本手 段 。 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 初 级 改 造 M13-DNA寡 聚 核 苷 酸 介 导 诱 变 技 术 twothreeone four将 要 改 造 的 蛋 白 质 的 目 的 基 因插 入 到 M13单 链 DNA中将 杂 合 DNA双 链 再 转 入 大 肠 杆 菌 中 将 含 突 变 目 的 基 因 的 M13噬 菌 体 筛 选 出 来 ， 提 取 它们 的 DNA， 用 限 制 性 内 切 酶 把 突 变 目 的 基 因 切 下 ，并 重 组 到 表 达 质 粒 中作 为 模 板 ， 以 含 有 要

18、 改 变 的 碱 基 的 一 段 寡 聚 核 苷酸 作 为 引 物 ， 在 体 外 用 DNA聚 合 酶 进 行 双 链 DNA的合 成 ， 用 DNA连 接 酶 连 接 成 环 状 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 初 级 改 造 M13-DNA 寡 聚 核 苷 酸 介 导 诱 变 技 术 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 初 级 改 造1在 目 标 基 因 中选 择 合 适 的 限制 性 内 切 酶 位点 2用 含 有 突 变 序 列的 DNA片 段 来 置换 目 标 基 因 上 的一 段 DNA序 列 3产 生 突 变 序 列 被集 中 在 目 标 基 因的 一 个 特 定

19、区 域的 突 变 家 族盒 式 突 变 的 基 本 过 程 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 初 级 改 造盒式突变 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 高 级 改 造高 级 改 造 ： 蛋 白 质 分 子 的 剪 裁 ， 如 结 构 域 的拼 接 结 构 域 是 蛋 白 质 构 象 中 二 级 结 构 与 三 级 结 构之 间 的 一 个 层 次 。 在 较 大 的 蛋 白 质 分 子 中 ，由 于 多 肽 链 上 相 邻 的 超 二 级 结 构 紧 密 联 系 ，形 成 二 个 或 多 个 在 空 间 上 可 以 明 显 区 别 它 与蛋 白 质 亚 基 结 构 的 区 别 。

20、结 构 域 拼 接 是 通 过 基 因 操 作 把 位 于 两 种 不 同蛋 白 质 上 的 几 个 结 构 域 连 接 在 一 起 ， 形 成 融合 蛋 白 ， 它 兼 有 原 来 两 种 蛋 白 的 性 质 。 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 高 级 改 造 用 计 算 机 分 子 模 型 软 件 对 金 属 硫 蛋 白 的 空 间结 构 进 行 分 析 表 明 ， 天 然 金 属 硫 蛋 白 的 两 个结 构 域 之 间 具 有 较 大 的 独 立 性 ， 是 可 以 拆 分和 构 建 的 ， 因 而 构 建 结 构 域 的 “ 二 倍 体 ”的 设 想 是 可 行 的 。 用

21、化 学 合 成 的 方 法 分 别 合 成 结 构 域 和 连 接 肽段 的 基 因 ， 并 设 法 将 它 们 拼 接 起 来 。 再 插 入载 体 并 转 入 植 物 细 胞 中 ， 使 金 属 硫 蛋 白 的 结 构 域 多 倍 体 基 因 在 植 物 中 表 达 。 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 高 级 改 造 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 合 成 新 型 蛋 白 质 基 于 天 然 蛋 白 质 结 构 改 造 的 蛋 白 质工 程 可 以 优 化 蛋 白 质 的 活 性 ， 而 全新 蛋 白 质 设 计 是 合 成 具 有 新 奇 的 结构 与 功 能 的 新 蛋

22、 白 质 。 蛋 白 质 工 程 的 改 造 方 法 合 成 新 型 蛋 白 质 从 头 设 计 一 个 蛋 白 质 的 基 本 步 骤 ： （ 1） 从 已 知 三 维 结 构 的 数 据 库 中 挑 选 出 一 个 合 适的 片 段 ， 进 行 修 改 和 组 合 （ 2） 构 建 一 个 多 肽 链 骨 架 模 型 （ 3） 依 据 氨 基 酸 残 基 的 统 计 学 数 据 和 排 列 的 优 先顺 序 ， 确 定 每 个 残 基 位 置 上 的 氨 基 酸 （ 4） 优 化 目 标 蛋 白 的 三 维 模 型 （ 5） 检 验 和 考 核 所 给 定 的 目 标 蛋 白 质 结 构

23、是 否 合理 ， 对 所 设 计 的 模 型 做 进 一 步 修 正 （ 6） 几 轮 的 设 计 、 检 验 和 再 设 计 ， 获 得 一 个 正 确折 叠 和 带 有 人 们 预 期 功 能 的 目 标 蛋 白 质 蛋 白 质 工 程 在 食 品 产 业 中 的 应 用 在 实 际 生 产 中 ， 可 以 应 用 蛋 白 质 工 程 对一 些 生 产 中 重 要 酶 或 蛋 白 质 性 质 加 以 改 造 ，提 高 现 有 酶 或 蛋 白 质 的 工 业 实 用 性 ， 如 提 高酶 的 热 稳 定 性 、 改 变 酶 的 最 适 pH值 条 件 、 提高 酶 的 催 化 活 性 等 。

24、 例 如 ， 通 过 引 入 二 硫 键 ，改 善 酶 的 热 稳 定 性 。 蛋 白 质 工 程 在 食 品 产 业 中 的 应 用 蛋 白 质 工 程 自 问 世 以 来 ， 短 短 十 几年 的 时 间 ， 已 取 得 了 引 人 瞩 目 的 进 展 ，在 医 学 和 工 业 用 酶 方 面 也 获 得 了 良 好 的应 用 前 景 。 提 高 蛋 白 的 稳定 性 包 括 以 下几 个 方 面 ： 延 长 酶 的半 衰 期 提 高 酶 的 热稳 定 性 延 长 药 用蛋 白 的 保 存期 抵 御 由 于重 要 氨 基 酸氧 化 引 起 的活 性 丧 失蛋 白 质 工 程 在 食 品 产

25、 业 中 的 应 用 蛋 白 质 工 程 在 食 品 产 业 中 的 应 用 引 入 二 硫 键 ， 改 善 蛋 白 质 的 热 稳 定 性 溶 菌 酶 分 子 ： 由 一 条 肽 链 构 成 ， 并 在 空 间 上 折叠 形 成 二 个 相 对 独 立 的 结 构 域 ， 酶 活 性 中 心 位于 二 个 结 构 域 之 间 。 该 酶 分 子 在 第 97位 和 54位残 基 上 是 两 个 未 形 成 二 硫 键 的 半 胱 氨 酸 由 于 二 硫 键 是 一 种 稳 定 蛋 白 质 分 子 空 间 结 构 的重 要 共 价 化 学 键 ， 有 如 建 筑 所 用 的 钢 筋 一 样 ，

26、因 而 能 将 分 子 中 的 不 同 部 位 牢 固 地 联 结 在 一 起 。因 此 ， 提 高 酶 热 稳 定 性 最 常 用 的 办 法 是 在 分 子中 增 加 一 对 或 数 对 二 硫 键 。 蛋 白 质 工 程 在 食 品 产 业 中 的 应 用 转 化 氨 基 酸 残 基 ， 改 善 蛋 白 质 热 稳 定 性 在 高 温 下 Asn和 Gln容 易 脱 氨 形 成 Asp和 Glu，而 导 致 蛋 白 质 分 子 构 象 的 改 变 ， 使 蛋 白 质 失去 活 性 。 对 酿 酒 酵 母 的 磷 酸 丙 糖 异 构 酶 进 行 诱 变 改 造 。这 种 酶 有 两 个 相

27、 同 的 亚 基 ， 每 个 亚 基 含 有 2个 Asn， 由 于 它 们 都 位 于 亚 基 之 间 的 界 面 上 ，可 能 对 酶 的 热 稳 定 性 起 决 定 性 作 用 。 蛋 白 质 工 程 在 食 品 产 业 中 的 应 用 通 过 寡 核 苷 酸 介 导 的 定 向 诱 变 技 术 ， 将第 14位 和 第 78位 上 的 2个 Asn分 别 转 变 成Thr(苏 氨 酸 )和 Ile(异 亮 氨 酸 )残 基 ， 大幅 度 提 高 突 变 酶 的 热 稳 定 性 。 蛋 白 质 工 程 在 食 品 产 业 中 的 应 用 牛 胰 岛 素 的 合 成 我 国 人 工 合 成 的 牛 胰 岛 素 结 晶 我 国 人 工 合 成 的 牛 胰 岛 素 结 晶 Thank you