蛋白質工程與食品工業(yè)ppt課件

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第五章蛋白質工程與食品工業(yè) 概述 蛋白質是對生命至關重要的一類生物大分子 各種生命功能 生命現象 生命活動都和蛋白質有關 在生命有機體催化 運動 結構 識別和調節(jié)等許多方面 起著關鍵的作用 主要內容 第一節(jié)蛋白質的功能與結構 主要內容 一 蛋白質的功能 1 蛋白質是構成生命的重要物質之一蛋白質是一類重要而復雜的生物大分子 它廣泛地存在于所有生物界的機體之中 具有許多重要的作用 構成生物體新陳代謝的幾乎全部的化學反應都是在活性蛋白質 酶的催化下進行的 高等動物的免疫反應 也主要是通過蛋白質即抗原和抗體來完成的 運動時的肌肉收縮靠的是某些蛋白質的相互作用來完成的 運輸氧和二氧化碳的是血紅蛋白 具有代謝和調節(jié)功能的是多種蛋白質激素 一 蛋白質的功能 2 蛋白質的應用 蛋白質是人類賴以維持生命的重要營養(yǎng)來源之一 人們需要從各種肉 蛋 奶 豆類等主要食品中獲得所需的蛋白質營養(yǎng) 用蛋白質診斷和治療某些疾病 淀粉酶 脂肪酶 蛋白酶用于幫助消化 治療某些消化不良性疾病 胰島素用于治療嚴重的糖尿病 轉氨酶作為肝病變的指標等 食品工業(yè)和輕工業(yè)中主要應用蛋白質或利用蛋白質的性質制造各種產品 例如 釀造業(yè)要用蛋白酶來增加醬油的鮮味等 用于人類衣著的羊毛 紡織品和皮革主要組成是蛋白質 二 蛋白質的結構 氨基酸是蛋白質的基本結構單位氨基酸的基本結構 二 蛋白質的結構 各種氨基酸之間通過肽鍵彼此按直線形頭尾相連 構成不同長短的肽鏈 肽鍵就是由氨基酸的 羧基與相鄰的氨基酸的 氨基脫水縮合而形成的化學鍵 肽鍵的形成 肽鍵的形成 二 蛋白質的結構 肽 氨基酸通過肽鍵連結起來的化合物二肽 兩個氨基酸形成的肽三肽 三個氨基酸形成的肽多肽 許多氨基酸形成的肽蛋白質 大多為100個以上氨基酸組成的多肽 二 蛋白質的結構 多肽鏈的折疊可分為四種不同層次的結構 一級結構 僅指肽鏈中的氨基酸線型排列順序 不考慮空間的排列 牛胰島素的氨基酸序列 二 蛋白質的結構 二級結構 主鏈原子的局部空間排列 不包括側鏈構象和與其他鏈段的相互關系 如 螺旋 折疊等主鏈構象單元就是二級結構 主要形式 螺旋 折疊 轉角 無規(guī)卷曲等 二 蛋白質的結構 二 蛋白質的結構 轉角 二 蛋白質的結構 三級結構 蛋白質的多肽鏈在各種二級結構的基礎上再進一步盤曲或折疊形成具有一定規(guī)律的三維空間結構 碳酸酐酶的多肽骨架示意圖 二 蛋白質的結構 四級結構 具有二條或二條以上獨立三級結構的多肽鏈組成的蛋白質 其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結構 血紅蛋白的結構 二 蛋白質的結構 1 氫鍵 氫原子與負電性強的原子 如氧 氮等 間形成 對蛋白質分子三維構象的維護很重要 2 靜電引力 正負帶電基團之間的吸引力 對蛋白質分子三維構象的穩(wěn)定貢獻不是很大 也稱為離子鍵或鹽鍵 3 范德華力 原子團相互接近時誘導所致 它變化多樣 對維持蛋白質活性中心的構象影響很大 二 蛋白質的結構 4 疏水相互作用 是非極性基團為了避開水相而群集在一起的作用力 疏水作用是維持蛋白質高級結構的重要因素 5 二硫鍵 作用很強 對穩(wěn)定蛋白質構象起重要作用氫鍵 離子鍵 疏水作用和范德華力等次級鍵是非共價鍵肽鍵 二硫鍵 酯鍵等被稱之為共價鍵 第二節(jié)蛋白質工程的誕生 蛋白質工程的誕生 1983年 美國生物學家額爾默首先提出了 蛋白質工程 的概念 蛋白質工程的實踐依據DNA指導合成蛋白質 因此 人們可以根據需要對負責編碼某種蛋白質的基因進行重新設計 使合成出來的蛋白質的結構變得符合人們的要求 蛋白質工程的誕生 蛋白質工程就是以蛋白質的結構與功能為基礎 利用基因工程的手段 按照人類自身的需要 定向地改造天然的蛋白質 甚至創(chuàng)造新的 自然界本不存在的 具有優(yōu)良特性的蛋白質分子 蛋白質工程是指通過生物技術手段對蛋白質的分子結構或者對編碼蛋白質的基因進行改造 以便獲的更適合人類需要的蛋白質產品的技術 蛋白質工程的誕生 蛋白質工程是指通過蛋白質化學 蛋白質晶體學和動力學的研究 獲取有關蛋白質物理和化學等各方面的信息 在此基礎上利用生物技術手段對蛋白質的DNA編碼序列進行有目的的改造并分離 純化蛋白質 從而獲取自然界沒有的 具有優(yōu)良性質或適用于工業(yè)生產條件的全新蛋白質的過程 蛋白質工程的誕生 蛋白質工程主要包括4大類研究 第一利用已知的蛋白質一級結構的信息開發(fā)應用研究 第二定量確定蛋白質結構 功能關系 這是目前蛋白質工程研究的主體 它包括蛋白質三維結構模型的建立 酶催化的性質 蛋白質折疊和穩(wěn)定性研究等 第三 從混雜變異體庫中篩選具有特定結構 功能關系的蛋白質 第四 根據已知結構 功能關系的蛋白質 用人工方法合成它及其變異體 第三節(jié)蛋白質工程的基本步驟和保護方法 主要內容 蛋白質工程研究的主要步驟 分離純化目的蛋白 使之結晶并作X晶體衍射分析 結合核磁共振等其他方法的分析結果 得到其空間結構的盡可能多的信息 對目的蛋白的功能作詳盡的研究 確定它的功能域 通過對蛋白質的一級結構 空間結構和功能之間的相互關系的分析 找出關鍵的基團和結構 蛋白質工程研究的主要步驟 在蛋白質結構與功能研究的基礎上 借助于計算機圖像顯示和分子輔助設計 提出對目的蛋白分子的改建或構建方案 并用基因工程的方法去實施 對經過改造的蛋白質進行功能性測定 看看改造的效果如何 蛋白質工程的改造方法 在基因水平上對蛋白質進行改造 按改造的規(guī)模和程度可以分為 初級改造 個別氨基酸的改變和一整段氨基酸序列的刪除 置換或插入高級改造 蛋白質分子的剪裁 如結構域的拼接從頭設計合成新型蛋白質 蛋白質工程的改造方法 初級改造 通過基因突變方法 以達到改變氨基酸進而改造蛋白質的目的 目前 主要采用的基因突變方法 基因定位突變盒式突變 蛋白質工程的改造方法 初級改造 基因定位突變的基本過程 首先使目的基因由環(huán)狀載體折成單鏈 再對指定的位點用寡聚核苷酸誘導或置入合成的寡聚核苷酸產生定位突變基因 最后將突變基因導入適宜的表達系統(tǒng) 如大腸桿菌等 即可產生突變體蛋白質 這是目前定向改造蛋白質的基本手段 蛋白質工程的改造方法 初級改造 M13 DNA寡聚核苷酸介導誘變技術 將要改造的蛋白質的目的基因插入到M13單鏈DNA中 將雜合DNA雙鏈再轉入大腸桿菌中 將含突變目的基因的M13噬菌體篩選出來 提取它們的DNA 用限制性內切酶把突變目的基因切下 并重組到表達質粒中 作為模板 以含有要改變的堿基的一段寡聚核苷酸作為引物 在體外用DNA聚合酶進行雙鏈DNA的合成 用DNA連接酶連接成環(huán)狀 蛋白質工程的改造方法 初級改造 M13 DNA寡聚核苷酸介導誘變技術 蛋白質工程的改造方法 初級改造 盒式突變的基本過程 蛋白質工程的改造方法 初級改造 盒式突變 蛋白質工程的改造方法 高級改造 高級改造 蛋白質分子的剪裁 如結構域的拼接結構域是蛋白質構象中二級結構與三級結構之間的一個層次 在較大的蛋白質分子中 由于多肽鏈上相鄰的超二級結構緊密聯(lián)系 形成二個或多個在空間上可以明顯區(qū)別它與蛋白質亞基結構的區(qū)別 結構域拼接是通過基因操作把位于兩種不同蛋白質上的幾個結構域連接在一起 形成融合蛋白 它兼有原來兩種蛋白的性質 蛋白質工程的改造方法 高級改造 用計算機分子模型軟件對金屬硫蛋白的空間結構進行分析表明 天然金屬硫蛋白的兩個結構域之間具有較大的獨立性 是可以拆分和構建的 因而構建 結構域的 二倍體 的設想是可行的 用化學合成的方法分別合成結構域和連接肽段的基因 并設法將它們拼接起來 再插入載體并轉入植物細胞中 使金屬硫蛋白的 結構域多倍體基因在植物中表達 蛋白質工程的改造方法 高級改造 蛋白質工程的改造方法 合成新型蛋白質 基于天然蛋白質結構改造的蛋白質工程可以優(yōu)化蛋白質的活性 而全新蛋白質設計是合成具有新奇的結構與功能的新蛋白質 蛋白質工程的改造方法 合成新型蛋白質 從頭設計一個蛋白質的基本步驟 1 從已知三維結構的數據庫中挑選出一個合適的片段 進行修改和組合 2 構建一個多肽鏈骨架模型 3 依據氨基酸殘基的統(tǒng)計學數據和排列的優(yōu)先順序 確定每個殘基位置上的氨基酸 4 優(yōu)化目標蛋白的三維模型 5 檢驗和考核所給定的目標蛋白質結構是否合理 對所設計的模型做進一步修正 6 幾輪的設計 檢驗和再設計 獲得一個正確折疊和帶有人們預期功能的目標蛋白質 第四節(jié)蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 在實際生產中 可以應用蛋白質工程對一些生產中重要酶或蛋白質性質加以改造 提高現有酶或蛋白質的工業(yè)實用性 如提高酶的熱穩(wěn)定性 改變酶的最適pH值條件 提高酶的催化活性等 例如 通過引入二硫鍵 改善酶的熱穩(wěn)定性 蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 蛋白質工程自問世以來 短短十幾年的時間 已取得了引人矚目的進展 在醫(yī)學和工業(yè)用酶方面也獲得了良好的應用前景 提高蛋白的穩(wěn)定性包括以下幾個方面 延長酶的半衰期 提高酶的熱穩(wěn)定性 延長藥用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失 蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 引入二硫鍵 改善蛋白質的熱穩(wěn)定性溶菌酶分子 由一條肽鏈構成 并在空間上折疊形成二個相對獨立的結構域 酶活性中心位于二個結構域之間 該酶分子在第97位和54位殘基上是兩個未形成二硫鍵的半胱氨酸由于二硫鍵是一種穩(wěn)定蛋白質分子空間結構的重要共價化學鍵 有如建筑所用的鋼筋一樣 因而能將分子中的不同部位牢固地聯(lián)結在一起 因此 提高酶熱穩(wěn)定性最常用的辦法是在分子中增加一對或數對二硫鍵 蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 轉化氨基酸殘基 改善蛋白質熱穩(wěn)定性在高溫下Asn和Gln容易脫氨形成Asp和Glu 而導致蛋白質分子構象的改變 使蛋白質失去活性 對釀酒酵母的磷酸丙糖異構酶進行誘變改造 這種酶有兩個相同的亞基 每個亞基含有2個Asn 由于它們都位于亞基之間的界面上 可能對酶的熱穩(wěn)定性起決定性作用 蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 通過寡核苷酸介導的定向誘變技術 將第14位和第78位上的2個Asn分別轉變成Thr 蘇氨酸 和Ile 異亮氨酸 殘基 大幅度提高突變酶的熱穩(wěn)定性 蛋白質工程在食品產業(yè)中的應用 牛胰島素的合成 我國人工合成的牛胰島素結晶 我國人工合成的牛胰島素結晶 Thankyou