第六章蛋白質(zhì)工程

第六章蛋白質(zhì)工程

你知道人類基因組計(jì)劃嗎?

由美國科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動(dòng)的。美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯(lián)邦共和國、日本和我國科學(xué)家共同參與了這一計(jì)劃。2000年完成了人類基因組“工作框架圖”。2001年公布了人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果。

它是指對(duì)人類基因組進(jìn)行堿基對(duì)的測序。因?yàn)槿祟愺w細(xì)胞中有22對(duì)常染色體，每對(duì)染色體中的兩個(gè)DNA分子結(jié)構(gòu)基本相同，又由于X和Y這兩個(gè)性染色體中DNA分子結(jié)構(gòu)有較大差異，需要各自單獨(dú)測序；所以對(duì)人類基因組測序?qū)嶋H上是指對(duì)人類體細(xì)胞中一套常染色體（22個(gè)）和X、Y這兩個(gè)性染色體中共24個(gè)DNA分子的測序。你知道國際人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？

人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正是提出啟動(dòng)兩項(xiàng)重大國際合作行為：一項(xiàng)是有中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”。蛋白質(zhì)工程概述1蛋白質(zhì)工程的研究方法2第六章蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3蛋白質(zhì)組學(xué)4第一節(jié)蛋白質(zhì)工程概述一、蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程（proteinengineering)，是指通過生物技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或者對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造，以便獲得更適合人類需要的蛋白質(zhì)產(chǎn)品的技術(shù)。是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程是研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，然后人為地設(shè)計(jì)一個(gè)新蛋白質(zhì)，并按這個(gè)設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)去改變其基因結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)或者從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系出發(fā)，定向地改造天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)功能基因的修飾，也可以制造新型的蛋白質(zhì)?；駾NA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期功能生物功能mRNA轉(zhuǎn)錄翻譯折疊DNA合成分子設(shè)計(jì)二、蛋白質(zhì)工程的基本原理基因工程與蛋白質(zhì)工程的區(qū)別：基因工程通過分離目的基因重組DNA分子，使目的基因更換宿主得以異體表達(dá)，從而創(chuàng)造新類型，但這只能合成自然界固有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程則是運(yùn)用基因工程的DNA重組技術(shù)，將克隆后的基因編碼序列加以改造，或者人工合成新的基因，再將上述基因通過載體引入適宜的宿主系統(tǒng)內(nèi)加以表達(dá)，從而產(chǎn)生數(shù)量幾乎不受限制、有特定性能的“突變型”蛋白質(zhì)分子，甚至全新的蛋白質(zhì)分子。三、蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容蛋白質(zhì)工程4大類研究：1、利用已知的蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的信息開發(fā)應(yīng)用研究。2、定量確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系。包括蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型的建立，酶催化性質(zhì)、蛋白質(zhì)折疊和穩(wěn)定性研究、蛋白質(zhì)變異的探討等。3、從混雜變異體庫中篩選出具有特定結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的蛋白質(zhì)。4、根據(jù)已知結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的蛋白質(zhì)，用人工方法合成它及其變異體，完全人為控制蛋白質(zhì)的性質(zhì)。三、蛋白質(zhì)工程的研究內(nèi)容蛋白質(zhì)工程研究的具體內(nèi)容：1、通過改變蛋白質(zhì)的活性部位，提高其生物功效。2、通過改變蛋白質(zhì)的組成和空間結(jié)構(gòu)，提高其在極端條件下的穩(wěn)定性。3、通過改變蛋白質(zhì)的遺傳信息，提高其獨(dú)立工作能力，不再需要輔助因子。4、通過改變蛋白質(zhì)的特性，使其便于分離純化。5、通過改變蛋白質(zhì)的調(diào)控位點(diǎn)，使其與抑制劑脫離，解除反饋抑制作用。四、蛋白質(zhì)工程的研究意義酶絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)——天然的生物酶雖然能在生物體內(nèi)發(fā)揮各種功能，但在生物體外，特別是在工業(yè)條件（高溫、高壓、機(jī)械力、重金屬離子、有機(jī)溶劑、氧化劑、極端pH等）下，則常易遭到破壞。需要改造天然酶，使其能夠適應(yīng)特殊的工業(yè)過程；或設(shè)計(jì)制造出全新的人工酶或人工蛋白，以生產(chǎn)全新的醫(yī)用藥品、農(nóng)業(yè)藥物、工業(yè)用酶和一些天然酶不能催化的化學(xué)催化劑。五、蛋白質(zhì)工程的發(fā)展與進(jìn)展蛋白質(zhì)工程是20世紀(jì)80年代處誕生的一個(gè)新興生物技術(shù)領(lǐng)域。1983年，Ulmer在“Science”上發(fā)表以“ProteinEngineering‘’(蛋白質(zhì)工程)為題的專論，一般將此視為蛋白質(zhì)工程誕生的標(biāo)志。當(dāng)前，蛋白質(zhì)工程是發(fā)展較好、較快的分子工程。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)后，已可應(yīng)用高效的基因工程來進(jìn)行蛋白的合成。最早的蛋白工程是福什特（Forsht）等在1982～1985年間對(duì)酪氨?！猼—RNA合成酶的分子改造工作。他根據(jù)XRD（X射線衍射）實(shí)測該酶與底物結(jié)合部位結(jié)構(gòu)，用定位突變技術(shù)改變與底物結(jié)合的氨基酸殘基，并用動(dòng)力學(xué)方法測量所得變體酶的活性，深入探討了酶與底物的作用機(jī)制。佩里（Perry）1984年通過將溶菌酶中Ile(3)改成Cys(3)，并進(jìn)一步氧化生成Cys(3)-Cys（97）二硫鍵，使酶熱穩(wěn)定性提高，顯著改進(jìn)了這種食品工業(yè)用酶的應(yīng)用價(jià)值。1987年福什特通過將枯草桿菌蛋白酶分子表面的Asp（99）和Glu（156）改成Lys，而導(dǎo)致了活性中心His（64）質(zhì)子pKa從7下降到6，使酶在pH＝6時(shí)的活力提高10倍。1988年杜邦公司宣布，成功設(shè)計(jì)并合成了由四段反平行α-螺旋組成為73個(gè)氨基殘基的成果。這顯示，按人們預(yù)期要求，通過從頭設(shè)計(jì)以折疊成新蛋白的目標(biāo)已是可望又可及了。這顯示，按人們預(yù)期要求，通過從頭設(shè)計(jì)以折疊成新蛋白的目標(biāo)已是可望又可及了。預(yù)測結(jié)構(gòu)的模型法，在奠定分子生物學(xué)基礎(chǔ)時(shí)起過重大作用。蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)，包含著關(guān)于高級(jí)結(jié)構(gòu)的信息這一點(diǎn)已日益明確。結(jié)合模型法，通過分子工程來預(yù)測高級(jí)結(jié)構(gòu)，已成為人們所矚目的問題了。蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就，它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進(jìn)到嶄新的時(shí)代，為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用開拓了誘人的前景。蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造、創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時(shí)期。第二節(jié)蛋白質(zhì)工程研究方法一、蛋白質(zhì)工程的基本步驟（1）分離純化目的蛋白，使之結(jié)晶并作X晶體衍射分析，結(jié)合核磁共振等其他方法的分析結(jié)果，得到其空間結(jié)構(gòu)的盡可能多的信息。（2）對(duì)目的蛋白的功能作詳盡的研究，確定它的功能域。（3）通過對(duì)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)和功能之間相互關(guān)系的分析，找出關(guān)鍵的基團(tuán)和結(jié)構(gòu)。一、蛋白質(zhì)工程的基本步驟（4）圍繞這些關(guān)鍵的基團(tuán)和結(jié)構(gòu)提出對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的方案，并用基因工程的方法去實(shí)施；（5）對(duì)經(jīng)過改造的蛋白質(zhì)進(jìn)行功能性測定，看看改造的效果如何；（6）重復(fù)(4)和(5)這兩個(gè)步驟，直到獲得比較理想的結(jié)果。蛋白質(zhì)工程的程序二、蛋白質(zhì)工程的改造策略與方法(1)疏水性氨基酸常常出現(xiàn)在蛋白質(zhì)的活性中心區(qū)域；α-螺旋和β-折疊區(qū)通常不會(huì)是酶的活性中心或配體以及底物結(jié)合的中心，而是作為結(jié)構(gòu)的支架；環(huán)(Loop)區(qū)、轉(zhuǎn)角(turn)區(qū)域和帶電荷區(qū)域通常位于蛋白質(zhì)的表面?；谶@種經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)突變時(shí)要注意保留脯氨酸或半胱氨酸殘基。因?yàn)楦彼岢１挥脕斫K止α螺旋區(qū)，而半胱氨酸酸常形成起穩(wěn)定作用的二硫鍵，同時(shí)二硫鍵又是許多分泌性蛋白的標(biāo)志。(2)進(jìn)行定點(diǎn)突變時(shí)，應(yīng)注意保守氨基酸殘基。如果要改變酶活性、底物結(jié)合活性等高度特異性的性質(zhì)，則應(yīng)盡量保留保守殘基。(3)應(yīng)注意保留潛在的N糖基化位點(diǎn)（Asn-X-Ser/Thr-X-Pro)中的Asn(天門冬酰胺)、Ser(絲氨酸)或Thr(蘇氨酸)。在很多情況下，特別是分泌性蛋白和穿膜蛋白，能否正確糖基化對(duì)蛋白活性物影響很大。(4)對(duì)于含有內(nèi)含子的序列，可以刪除某一外顯子或外顯子組合，因?yàn)閱蝹€(gè)外顯子通常編碼獨(dú)立折疊的結(jié)構(gòu)域，刪去該結(jié)構(gòu)域后可能不會(huì)影響蛋白其余部分的正確折疊。二、蛋白質(zhì)工程的改造策略與方法二、蛋白質(zhì)工程的改造策略與方法(5)構(gòu)建兩個(gè)同源蛋白的嵌合體時(shí)，應(yīng)盡量使其接合部位處在具有相同或相近功能的氨基酸序列中；而當(dāng)兩個(gè)非同源蛋白組成嵌合體時(shí)，則應(yīng)使接合部分盡量位于所預(yù)測結(jié)構(gòu)的邊緣。(6)如果對(duì)目的蛋白的三維結(jié)構(gòu)一無所知，那么可以在目的序列中隨機(jī)插人六聚體接頭以鑒定功能件結(jié)構(gòu)域。插人六聚體接頭后，在原蛋白質(zhì)序列中添加兩個(gè)氨基酸，比插人更多的氨基酸對(duì)蛋白質(zhì)整體功能的破壞要輕。(7)進(jìn)行缺失突變時(shí)，應(yīng)避免直接利用天然存在的限制性酶切位點(diǎn)進(jìn)行刪除。如果直接利用這種限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)，很容易破壞正確的開放讀碼框，或得到的缺失突變體邊界不能落在適當(dāng)?shù)奈恢?，而使蛋白質(zhì)不能正確折疊。第二節(jié)蛋白質(zhì)研究方法蛋白質(zhì)工程研究的內(nèi)容是以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系的知識(shí)為基礎(chǔ)，通過周密的分子設(shè)計(jì)把蛋白質(zhì)改造為有預(yù)期的新特征的突變蛋白質(zhì)，在基因水平上對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，按改造的規(guī)模和程度可以分為：①個(gè)別氨基酸的改變和一整段氨基酸序列的刪除、置換或插入(初級(jí)改造)；②蛋白質(zhì)分子的剪裁，如結(jié)構(gòu)域的拼接(高級(jí)改造)；③從頭設(shè)計(jì)合成新型蛋白質(zhì)。一、初級(jí)改造為了實(shí)現(xiàn)氨基酸的置換，需要采用DNA堿基突變的方法，改變編碼氨基酸的密碼子，以達(dá)到改變氨基酸進(jìn)而改造蛋白質(zhì)的目的。蛋白質(zhì)工程研究中主要采用的基因突變方法包括基因定位突變和盒式突變。一般，含有單一或少數(shù)幾個(gè)突變位點(diǎn)的基因定向改變可以采用M13-DNA寡聚核苷酸介導(dǎo)誘變技術(shù)、寡核苷酸介導(dǎo)的PCR誘變技術(shù)、隨機(jī)誘變技術(shù)和盒式突變技術(shù)，而大面積的定位突變則需要采取基因全合成的方法。寡聚核苷酸介導(dǎo)誘變技術(shù)寡核苷酸介導(dǎo)的PCR誘變技術(shù)克隆基因的隨機(jī)誘變盒式突變技術(shù)二、結(jié)構(gòu)域的拼接（蛋白質(zhì)分子的高級(jí)改造）蛋白質(zhì)分子種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其分子大小、形狀也各個(gè)相同。在結(jié)構(gòu)，通常認(rèn)為，蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)氨基酸序列一定規(guī)則構(gòu)成二級(jí)結(jié)構(gòu)，再由二級(jí)結(jié)構(gòu)折疊成三級(jí)結(jié)構(gòu)。研究證明，在二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間，還有一個(gè)結(jié)構(gòu)層次，即結(jié)構(gòu)域(domain)。結(jié)構(gòu)域是由α螺旋、β折疊等二級(jí)結(jié)構(gòu)單位按一定的拓?fù)鋵W(xué)規(guī)則構(gòu)成的三維空間結(jié)構(gòu)實(shí)體。有些小分子量的蛋白質(zhì)分子，如蝎毒、蛇毒和蜘蛛毒素等多肽類神經(jīng)毒素，只包含一個(gè)結(jié)構(gòu)域，而大部分蛋白質(zhì)分子，則是由干個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成的。結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)分子中一種基本的結(jié)構(gòu)單位，結(jié)構(gòu)域拼接是通過基因操作把位于兩種不同蛋白質(zhì)上的幾個(gè)結(jié)構(gòu)域連接在一起，形成融合蛋白，它兼有原來兩種蛋白的性質(zhì)。這是研究蛋白質(zhì)功能的一種非常有力的手段，同時(shí)也為提高某些蛋白類藥物的功效、改善其性能提供了一種思路。如今我們可以利用蛋白質(zhì)工程的手段，加快自然界中的結(jié)構(gòu)域拼接過程，以達(dá)到人們所預(yù)期的目標(biāo)。金屬硫蛋白的作用與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬硫蛋白（metallothionein，簡稱MT）是一類小分子量的球蛋白，大量存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi)，其他低等動(dòng)物如魚、螃蟹、海膽中也有分布，在植物和微生物中也發(fā)現(xiàn)有各種不同亞型的金屬硫蛋白。這類蛋白質(zhì)分子中半胱氨酸的含且極高，約占全部氨基酸總量的1/3左右，在分子中以與金屬原子相結(jié)合的方式存在。金屬硫蛋白參與微量元素鋅、銅等的貯存、運(yùn)輸和代謝，參與重金屬元素銅、汞、鉛等的解毒以及拮抗電離輻射和清除羥基游離基等，在改善健康等諸多方面發(fā)揮著重要的作用。金屬硫蛋白的種類很多，哺乳動(dòng)物中的金屬硫蛋白分子內(nèi)61個(gè)氨基酸殘基組成，分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，分別叫α結(jié)構(gòu)域和β結(jié)構(gòu)域。兩個(gè)結(jié)構(gòu)域各含29個(gè)殘基，中間由3個(gè)殘基相連。α結(jié)構(gòu)域含11個(gè)半胱氨酸，能結(jié)合4個(gè)金屬原子，趨向于與鎘和汞結(jié)合；而β結(jié)構(gòu)域含9個(gè)半胱氨酸，能結(jié)合3個(gè)金屬原子，趨向于與鋅和銅結(jié)合。實(shí)驗(yàn)表明，α結(jié)構(gòu)域結(jié)合鎘的能力比β結(jié)構(gòu)域高出1000倍以上。因此，若能將天然金屬硫蛋白的β結(jié)構(gòu)域改造成為α結(jié)構(gòu)域，形成α結(jié)構(gòu)域的“二倍體”，那么，這種改造后的金屬硫蛋白就會(huì)比天然金屬硫蛋白具有更強(qiáng)的鎘結(jié)合能力，更適合于在環(huán)境保護(hù)中清除鎘污染。將金屬硫蛋白的β結(jié)構(gòu)域改造成為α結(jié)構(gòu)域需要利用蛋白質(zhì)工程中的分子設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)分子改造的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行可行性分析，并提出具體的改造方案。首先，應(yīng)在大量生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，仔細(xì)分析金屬硫蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物功能，并利用貯存于計(jì)算機(jī)中的生物大分子信息數(shù)據(jù)庫和序列分析、分子模型等計(jì)算機(jī)軟件，確定金屬硫蛋白的氨基酸序列、一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)。金屬硫蛋白α結(jié)構(gòu)域多倍體的構(gòu)建用MT的α結(jié)構(gòu)域二倍體代替天然MT，有可能使其結(jié)合重金屬能力提高一倍。我們知道，無論是天然MT，還是人工構(gòu)建MT的α結(jié)構(gòu)域二倍體，在將其轉(zhuǎn)人植物中時(shí)，都需要用環(huán)狀的DNA質(zhì)粒作載體。如果能把MT的α結(jié)構(gòu)域二倍體首尾相接，構(gòu)建MT的α結(jié)構(gòu)域多倍體，將有可能使表達(dá)產(chǎn)物成倍增加，消除鎘金屬的能力也就會(huì)相應(yīng)的成倍提高。根據(jù)以上設(shè)想，可以利用基因工程的方法，構(gòu)建金屬硫蛋白α結(jié)構(gòu)域多倍體。首先，用計(jì)算機(jī)輔助分子設(shè)計(jì)的方法，根據(jù)20種氨基酸殘基的不同特點(diǎn)，選擇合適的多肽鏈片段。然后，根據(jù)核酸→蛋白質(zhì)翻譯密碼表，確定編碼該多肽鏈的堿基序列，用化學(xué)合成的方法分別合成結(jié)構(gòu)域和連接肽段的基因，并設(shè)法將它們拼接起來。為了便于拼接，在實(shí)際操作的時(shí)候，可以在α結(jié)構(gòu)域和連接肽段基因的兩端各加上一段特殊的堿基序列，稱之為“黏性末端”。根據(jù)堿基配對(duì)的原理，用DNA連接酶作催化劑，在一定的條件下，所合成的單鏈DNA便可拼接成含有多個(gè)α結(jié)構(gòu)域的雙鏈DNA。適當(dāng)控制反應(yīng)條件，便可以得到不同長度的結(jié)構(gòu)域多倍體基因。最后，將以上人工合成的基因插入載體后轉(zhuǎn)入植物細(xì)胞中，使MT的α結(jié)構(gòu)域多倍體基因在植物中表達(dá)，并大量結(jié)合從根部吸收的鎘、汞等重余屬，起到清除土壤和水域污染的作用。利用某種特殊的表達(dá)載體，將金屬硫蛋白α結(jié)構(gòu)域基因轉(zhuǎn)入水稻，使其只在水稻根部表達(dá)，既可以培育以高質(zhì)量的無公害水稻新品種，又能使受污染的土地獲得新生，對(duì)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有重要的意義。當(dāng)然，這種外源的金屬硫蛋白多倍體基因能否在植物中得到很好的表達(dá)，是否可以遺傳給下一代，還需要做大量的試驗(yàn)。人工合成的基因轉(zhuǎn)入植物，清除土壤污染三、全新蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建上述兩種蛋白質(zhì)改造方法，通常是從一個(gè)已知順序、結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)出發(fā)，根據(jù)一定的目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案，使用多肽合成或者基因工程的方法，改變它的結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到改變共性質(zhì)的目的。如果要從頭設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)自然界不存在的蛋白質(zhì)，則需要借助多功能模板和蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)元件組裝成某種具有特定功能的人工蛋白質(zhì)分子。在這里，人們渴求獲得一個(gè)具有確定的結(jié)構(gòu)，甚至是一個(gè)具有某種特定功能的蛋白質(zhì)時(shí)，就必須先構(gòu)建一個(gè)氨基酸順序，然后按預(yù)想的要求將它折疊成所期望的結(jié)構(gòu)。三、全新蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建在確定所期望的目標(biāo)結(jié)構(gòu)時(shí)，最好用自然界現(xiàn)存的某種蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)圖樣作為參考，如含有夾心β層的α螺旋束，或出α螺旋和β鏈共同組成的其他規(guī)則結(jié)構(gòu)圖樣等，都可以作為設(shè)計(jì)目標(biāo)蛋白時(shí)的參考依據(jù)。但是，從頭設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)的氨基酸順序又不能與任何已知蛋白質(zhì)的天然氨基酸順序相同，盡管出它們組成的多肽鏈最終能折疊成與天然順序類似的基本結(jié)構(gòu)圖樣。三、全新蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建從頭設(shè)計(jì)一個(gè)蛋白質(zhì)的基本步驟

首先，將各項(xiàng)物理標(biāo)淮和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)組合在一起，結(jié)合研究人員的工作經(jīng)驗(yàn)，借助計(jì)算機(jī)輔助的圖像顯示儀選定一個(gè)能與水溶性球蛋白相匹配的氨基酸順序。如果選定的目標(biāo)結(jié)構(gòu)是一條多肽鏈組成的單分子，鏈上有4個(gè)α螺旋區(qū)，相互靠近形成一個(gè)四螺旋束，螺旋區(qū)之間通過伸展的肽鏈構(gòu)成環(huán)區(qū)連接。為了使多肽鏈折疊成四螺旋束，所以就要設(shè)計(jì)α螺旋上的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建目標(biāo)蛋白時(shí)，設(shè)計(jì)四條α螺旋上的側(cè)鏈排列，即疏水側(cè)鏈分布在螺旋的一側(cè)，以便四個(gè)螺旋區(qū)在疏水性相互作用的驅(qū)動(dòng)下折疊成束，使水溶性球蛋白分子的內(nèi)部形成疏水性內(nèi)核，外部形成親水表面。事實(shí)上，天然α螺旋結(jié)構(gòu)中就存在著各種形式的側(cè)鏈分命情況。在這組α螺旋及其側(cè)鏈殘基沿螺旋軸方向的投影圖里，從中心向外讀數(shù)，每一圈螺旋上，每間隔100o處就會(huì)有一個(gè)殘基(共360o／3.6個(gè)殘基)。左面的螺旋是疏水的，右面的螺旋是親水的，而中間的螺旋則是左側(cè)親水，右側(cè)疏水，這恰好與我們在設(shè)計(jì)和構(gòu)建水溶性球蛋白時(shí)所遇到的情況相一致。當(dāng)然，構(gòu)建目標(biāo)蛋白時(shí)，選定螺旋區(qū)的長度和確定螺旋區(qū)的連接長度也十分重要。蛋白質(zhì)天然α螺旋結(jié)構(gòu)域側(cè)鏈分布模式在勾勒出目標(biāo)蛋白的大體輪廓后，緊接著是對(duì)設(shè)計(jì)藍(lán)圖進(jìn)行具體操作。依據(jù)氨基酸殘基的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)和排列的優(yōu)先順序，先確定每個(gè)殘基位置上的氨基酸。對(duì)已知水溶性球蛋白的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析表明，在蛋白質(zhì)片段的二級(jí)結(jié)構(gòu)中，有些氨基酸在特定的位置上具有優(yōu)先權(quán)。初步確定氨基酸順序之后，再用分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行能量極小化計(jì)算，使構(gòu)象的能量水平達(dá)到最低和穩(wěn)定，優(yōu)化目標(biāo)蛋白的三維模型。然后，用各種已獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)和考核所給定的目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是否合理，對(duì)所設(shè)計(jì)的模型做進(jìn)一步修正。在實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)開始制備這個(gè)全新從頭設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)時(shí)，應(yīng)該使用一切可能的計(jì)算工具，對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行幾輪甚至是多輪的檢驗(yàn)和修正，這樣做會(huì)使人工構(gòu)建蛋白質(zhì)獲得成功的機(jī)會(huì)增加。對(duì)用多肽合成法或基因表達(dá)法獲得的全新目標(biāo)蛋白質(zhì)，應(yīng)采用光譜學(xué)的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行考查。如果原來設(shè)計(jì)的目標(biāo)蛋白質(zhì)具有特殊生物功能，那么還要采用相應(yīng)的生物化學(xué)方法測定其生物活力。最后，還需要用x射線結(jié)晶學(xué)法準(zhǔn)確測定目標(biāo)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。通常需要經(jīng)過幾輪或許多輪的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和再設(shè)計(jì)，方可獲得一個(gè)正確折疊和帶有人們渴望功能的目標(biāo)蛋白質(zhì)。第三節(jié)蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用食品工業(yè)日用品工業(yè)醫(yī)學(xué)酶的修飾和改造1、蛋白質(zhì)工程在食品中的應(yīng)用（1）消除酶的被抑制特性（2）引入二硫鍵，改善蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性（3）轉(zhuǎn)化氨基酸殘基，改善蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性（4）改變酶的最適pH值條件（5）提高酶的催化活性（6）修飾酶的催化特異性（7）木聚糖酶的改造（8）預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)其他應(yīng)用2、水蛭素改造3、生長激素改造4、胰島素改造5、致癌酶的改造6、金屬硫蛋白的改造7、人白細(xì)胞介素-2的改造8、組織纖溶酶原激活因子的改造9、枯草桿菌蛋白酶的改造第四節(jié)

蛋白質(zhì)組學(xué)背景基因數(shù)量有限性和基因結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性vs生命現(xiàn)象的復(fù)雜性和多變性從genomic到proteome對(duì)蛋白質(zhì)的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互關(guān)系和生