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生物科学

蛋白质工程

作者：李维平

出版社：科学出版社出版时间：2022-01-01

开本：其他页数： 416

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版权信息
内容简介
目录
节选

蛋白质工程版权信息

ISBN：9787030376275
条形码：9787030376275 ; 978-7-03-037627-5
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
自然科学
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生物科学

蛋白质工程内容简介

全书共分六章，**章介绍作为蛋白质工程蓝图的蛋白质工程原理；第二章介绍蛋白质分子设计的方法；第三章的主要内容是进行蛋白质分子改造的分子生物学途径；第四章介绍突变蛋白质的物理化学性质分析；第五章概要介绍测定突变和天然蛋白质结构的主要方法；第六章列举了一些蛋白质工程的应用实例。

蛋白质工程目录

目录
前言
**章绪论 1
**节蛋白质工程概论 1
一、蛋白质工程的内涵 1
二、广义蛋白质工程 2
三、狭义蛋白质工程 3
四、蛋白质工程学与其他学科的关系 4
第二节蛋白质工程的功能与研究内容 5
一、功能 5
二、研究内容 6
第三节历史的回顾与应用研究进展 8
一、从多肽开始 9
二、在基因水平操作 9
三、在生化水平扩展 10
第四节蛋白质工程的主要成就 10
一、普遍性应用 10
二、产品的多样性 12
思考题 13
参考文献 14
第二章蛋白质的结构 15
**节蛋白质的初级结构 15
一、蛋白质的一级结构 15
二、蛋白质原子构成与作用 16
三、蛋白质氨基酸构成与作用 16
第二节蛋白质的高级结构 18
一、蛋白质结构的层次性 18
二、蛋白质构象的多样性 18
三、蛋白质的二级结构 19
四、蛋白质的超二级结构和结构域 20
五、蛋白质的三级结构和四级结构 23
六、蛋白质初级结构与高级结构的关系 25
第三节蛋白质结构生物学研究进程 26
一、两个黄金时代 26
二、膜蛋白的挑战 27
三、特殊问题 27
思考题 27
参考文献 27
第三章工业蛋白质种类与功能特性 29
**节概述 29
一、工业蛋白质的发展史 29
二、工业蛋白质的定义 30
第二节工业蛋白质的种类 30
一、植物蛋白质 30
二、动物蛋白质 31
第三节蛋白质的理化特性 33
一、溶解性 33
二、水合能力 35
三、乳化性 37
四、起泡性 38
五、黏度 38
六、凝胶性 39
七、组织形成性 39
八、风味结合性 40
第四节工业蛋白质的生产特性与要求 40
一、工业蛋白质的生产特性 40
二、特性的形成与决定 40
三、生产上对蛋白质特性的要求 41
四、蛋白质功能特性与结构的关系 41
思考题 43
参考文献 44
第四章工业蛋白质改性加工方法与利用途径 45
**节蛋白质改性的原理与目的 45
一、蛋白质改性的原理 45
二、蛋白质改性的目的 45
第二节蛋白质改性的途径与方法 47
一、蛋白质改性的途径 47
二、蛋白质改良的方法 47
第三节改性的限制因素 58
一、产品安全性 58
二、产品功能特性的变化 58
三、营养损失 58
四、生产费用 58
五、产品感官性质 58
第四节改性蛋白质的加工方法 59
一、加工程序 59
二、加工方法 59
第五节改性蛋白质的利用途径 60
一、胶黏剂类 61
二、可食性薄膜 63
三、表面活性剂 64
四、可降解材料 64
五、控释体系 65
六、造纸业的湿强剂 66
七、蛋白质纤维和纳米纤维 66
思考题 66
参考文献 67
第五章蛋白质改性纺丝制胶制膜技术 68
**节丝素蛋白的改性技术 68
一、丝素蛋白改性的目的 68
二、蚕丝蛋白丝素肽的提取工艺技术和流程 69
三、改性的方法 70
第二节蛋白质改性纺织纤维技术 73
一、大豆蛋白质纺织纤维 73
二、丝素蛋白纺织纤维 75
第三节大豆蛋白质改性制胶技术 78
一、两种原因 78
二、生产上对大豆蛋白质胶黏剂性能的要求 78
三、大豆蛋白质制胶的途径 80
四、影响制胶的因素 81
五、应用 82
第四节胶原蛋白改性制膜技术 83
一、改性方法 84
二、改性前后胶原仿生膜的通透性 84
思考题 87
参考文献 87
第六章蛋白抗体酶工程技术 88
**节概述 88
一、抗体的多样性 88
二、抗体酶的产生 88
三、抗体酶的优点 89
第二节产生抗体酶的原理与方法 89
一、原理 89
二、方法 91
第三节用于产生抗体酶的抗体库技术 94
一、PCR引物克隆 95
二、生物合成反应法 96
三、直接筛选法 97
第四节抗体酶活性部位的修饰 97
一、定点突变法 97
二、化学修饰法 98
第五节抗体酶的晶体结构 99
一、抗体酶1F7 99
二、抗体酶17E8 100
三、抗体酶48G7 100
第六节抗体酶研究新方法 101
一、半抗原设计方法 101
二、抗体催化的化学转化范围 102
三、挑战与展望 105
第七节抗体酶的应用 106
一、抗体酶在有机合成中的应用 106
二、用于阐明化学反应机制的抗体酶 107
三、抗体酶在医疗上的应用 108
思考题 109
参考文献 109
第七章蛋白质活性多肽与随机序列多肽库 110
**节蛋白质多肽的活性 110
一、生物活性肽 110
二、抗菌肽 113
三、金属结合蛋白(肽) 114
第二节蛋白质酶水解物 116
一、肽酶的作用方式 116
二、蛋白质水解物的生理功能 117
三、蛋白质水解物的应用 117
第三节现代高通量筛选技术 118
一、宏基因组技术筛选 118
二、宏蛋白质组技术筛选 118
第四节多肽筛选的靶体 119
一、用单克隆抗体确定抗原表位 119
二、确定纯化蛋白及其他分子的结合表位 119
三、酶作用底物分析 120
四、分析蛋白质-蛋白质相互作用界面关键位点图谱 121
五、寻找大型功能蛋白的小分子模拟肽 121
六、分离与鉴定疾病特异抗原模拟肽 122
七、筛选细胞和器官特异肽 122
八、抑制病毒复制的多肽 123
第五节噬菌体表位随机肽库 125
一、丝状噬菌体的形态结构 125
二、噬菌体表面展示技术原理 126
三、噬菌体表面展示系统 128
四、建库 129
五、噬菌体表位随机肽库的局限 132
第六节噬菌体表位随机肽库筛选 132
一、筛选的一般过程 132
二、筛选策略 133
三、筛选克隆的进一步分析 135
第七节其他方式展示肽库 136
一、质粒肽库 136
二、多核糖体展示肽库 137
思考题 140
参考文献 140
第八章酶的固定化技术 141
**节酶的固定化技术概述 141
一、固定化酶的发展史 141
二、固定化酶发展的动因与过程 141
三、酶固定化的定义 143
四、酶固定化技术的重要性 144
五、固定化酶的优缺点 145
第二节酶固定化的机制 145
一、酶分子与载体连接的功能基团 145
二、载体的选择 146
三、偶联反应 146
第三节酶固定化的方法 148
一、固定化方法分类 148
二、物理固定法 149
三、化学固定法 152
四、各种固定化酶特点的比较 154
第四节固定化酶载体材料与反应器 155
一、载体分类 155
二、对载体的要求 156
三、天然载体及改进 157
四、合适的固定化条件 157
五、固定化酶反应器 158
第五节固定化酶的形态与性质 158
一、固定化酶的形态 158
二、固定化酶的活力 159
三、固定化酶的稳定性 159
四、固定化对酶性质的影响 160
五、固定化酶的催化特征 161
第六节影响固定化酶酶促反应的主要因素 161
第七节固定化酶的应用 162
一、工业生产上的应用 162
二、医药方面的应用 163
三、化学分析方面的应用 163
四、环境保护方面的应用 164
五、新能源的开发 164
思考题 164
参考文献 164
第九章蛋白质结晶技术 165
**节晶体生长机制 165
一、结晶推动力 165
二、溶液分相与结晶相图 165
三、聚集与成簇 166
四、成核 166
五、晶体生长 167
六、场的作用 167
第二节结晶条件的筛选和结晶技术 169
一、影响蛋白质晶体生长的因素 169
二、蛋白质晶体的形成 170
第三节蛋白质晶体生长的方法 170
第四节蛋白质晶体的初步鉴定和挑选 172
思考题 172
参考文献 173
第十章蛋白质工程酶 174
**节进化工程酶 174
一、分子育种 174
二、酶的体外定向进化 175
第二节模块酶 187
一、模块酶的概念 187
二、模块酶的类型 187
第三节杂合酶 193
一、杂合酶的概念 193
二、构建杂合酶的方法 193
三、酶的*佳化 197
第四节蛋白质工程酶制备技术 200
一、定点突变 200
二、二级结构工程 207
三、活性部位工程 209
四、结构域工程 214
五、从头设计酶 216
思考题 221
参考文献 221
第十一章蛋白质组织工程 222
**节天然蛋白基水凝胶 223
一、形成原理、作用与影响因素 223
二、蛋白基水凝胶的类型 223
三、蛋白基水凝胶结构表征 230
第二节生物功能表面材料 231
一、生物材料表面与蛋白质、细胞之间的关系 231
二、生物表面材料的构筑 234
三、组织工程中生物材料表面的构筑 236
第三节骨组织工程的蛋白质支架材料 237
一、支架材料的功能与作用 238
二、骨组织工程要素与支架材料条件 238
三、支架材料的种类 239
四、支架的性能评价 240
第四节不同蛋白质制备组织工程支架 240
一、羊毛角蛋白作组织工程支架材料 240
二、丝素蛋白作组织工程支架材料 241
三、玉米醇溶蛋白作组织工程支架材料 242
四、三维多孔支架的制备 243
第五节纳米纤维复合支架 244
一、纳米纤维的生物学效应 245
二、纳米蛋白纤维种类 245
三、纳米纤维支架材料的构建方法 246
四、纳米纤维支架的表面生物功能修饰 248
五、复合支架的制备 249
六、聚乳酸复合支架的力学性能 251
思考题 252
参考文献 252
第十二章蛋白质芯片技术 253
**节概述 253
一、生物芯片 253
二、蛋白质芯片 254
第二节蛋白质芯片的组成、原理及分类 257
一、蛋白质芯片的基本构成 257
二、蛋白质芯片的原理 258
三、蛋白质芯片的分类 259
第三节蛋白质芯片的操作流程 263
一、蛋白质芯片的操作步骤 263
二、蛋白质芯片的信号检测 266
三、蛋白质芯片的比较 267
第四节常用的蛋白质芯片 267
一、抗体芯片 267
二、SPR传感的蛋白质芯片

展开全部

蛋白质工程节选

**章绪论 **节蛋白质工程概论蛋白质是生命的体现者，离开了蛋白质，生命将不复存在。蛋白质是构成组织细胞的主要材料，人的大脑、神经、皮肤、肌肉、内脏、血液，甚至指甲、头发都是以蛋白质为主要成分构成的。蛋白质的功能是构成组织与修补组织，这充分体现了蛋白质的重要性。蛋白质在生物界与非生物界的信息交流中起着关键的作用。目前，蛋白质工程尚未有统一的定义。一般认为蛋白质工程就是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定生物功能的蛋白质。因此，有学者称，蛋白质工程是第二代基因工程。其基本实施目标是运用基因工程的DNA重组技术，将克隆后的基因编码加以改造，或者人工组装成新的基因，再将上述基因通过载体引入挑选的宿主系统内进行表达，从而产生符合人类设计需要的“突变型”蛋白质分子。这种蛋白质分子只表达人类需要的性状。实际上，蛋白质可以是一种营养品、一种致病源物质、一种治病良药、一种生产材料。它们各具有不同的结构和功能，应用于社会生产的不同方面。可是，生物体内存在的天然蛋白质，往往在不同领域的应用上不尽如人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多氨基酸按一定顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。由于蛋白质是两性电解质，每一种蛋白质有自己独特的pH和等电点，因此改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质所带电荷特性，进而改变蛋白质的性质。蛋白质工程学是以蛋白质优质和高效生产的方法论为研究与创新的科学。从广义上来说，蛋白质工程应是以蛋白质为原材料，进行生产性为主的、建设性的、对蛋白质进行合理利用的过程。在这个过程中人们需要改造蛋白质，对蛋白质进行修饰与加工，通过物理、化学、生物如基因重组等技术改造蛋白质或设计合成具有特定功能的新蛋白质。一、蛋白质工程的内涵 1. 优质和高效生产的方法研究蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。因此，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。对植物、动物组织进行大规模地高效率提取蛋白质，或者应用植物、动物细胞及原核细胞进行发酵培养，表达外源蛋白质，高效提取生产蛋白质药物，是工业蛋白质生产的工程改进过程。利用基因工程技术可使目标蛋白在体外进行表达。选择高效表达的优良体系是优质生产的重要手段。已知一种新的表达载体：可选择抗体的丝状噬菌体fd载体（antibody-selectable filamentous fd phage vector），它能将外源短肽表达并伸展到噬菌体的表面，可以用亲和筛选法筛选表达特异肽序列的噬菌体，通过测定噬菌体的DNA序列，就可以知道所表达的肽段的氨基酸序列。因此，通过改变蛋白质的生产方式，或者通过修饰生产符合要求的蛋白质，以及大量的生产，以满足社会对产品的要求。 2. 改良蛋白质的方法与技术体系研究蛋白质的改造，从简单的物理、化学法到复杂的可调控生物合成、随机肽库、定位突变与基因重组等有多种方法。蛋白质工程的技术包括基因工程技术和非基因工程技术。非基因工程技术主要指蛋白质氨基酸序列的化学修饰、体外化学合成，以及组合体外合成与化学改性技术改良天然蛋白质或筛选非天然突变蛋白质及其大规模生产的技术，如大豆蛋白纺丝技术。蛋白质中的氨基酸是由基因中的三联密码决定的，只要改变其中的一个或两个就可以改变氨基酸。通过改变某个位置的氨基酸，可以改进蛋白质的结构、稳定性或催化特性。利用基因的定点突变技术可以对外源基因进行改变，然后再表达突变后的产物，可用于研究蛋白质的结构与功能，筛选新的蛋白质。 3. 蛋白质改良中分子技术的应用合理设计是蛋白质工程中使用的分子技术，而且现在也在广泛的使用。要达到此目的要做好3个方面的工作：①要用结晶学技术来获得蛋白质结晶体，然后利用X 射线技术对晶体进行测量、分析，确定蛋白质的三维结构；②要借助计算机对蛋白质进行选择修饰，从氨基酸的化学结构预见空间结构，或者通过人工智能等其他方法来确定蛋白质和功能的关系，找到要修饰的位点；③通过对基因序列的了解，运用定点突变技术来进行碱基替换。通过此法可以改变蛋白质的功能，但要想获得理想的蛋白质工程产物往往要经过多次分析、替换才能达到目的。定向进化是蛋白质工程的新策略，它是在不需要事先了解蛋白质的空间结构的情况下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方法。定向进化实际就是随机突变加上选择，它与自然进化不同，整个过程都是在人为控制下进行的，并且还可以模拟真核细胞中DNA随机拼接这一蛋白质进化过程来加速蛋白质的优化。因此，它能解决合理设计所不能解决的问题，在工业生产中的应用越来越受到重视。 4. 蛋白质开发与应用新途径的研究近年来，生物分子固定化技术—直是生物、化工、制药等领域研究的热点之一。固定化生物分子的种类繁多，由*初的蛋白质逐渐扩展到酶、多肽、氨基酸、DNA、RNA、抗体等具有生物活性的分子。随着微生物固定化技术地不断发展，各类新型生物传感器不断涌现，产生了微生物电极传感器。自聚集和基因工程又提供了对大量分子或集合体进行复杂控制和处理的方法。生物电子器件可提供更有价值的潜力。由于细菌视紫红质（bR）分子极好的物理和光学特性，变得稳定的bR质子成为高记录密度的磁记录介质的一个可替代记录介质。二、广义蛋白质工程广义蛋白质工程，实际上是广泛的蛋白质优质生产和高效利用的方法学研究，包括蛋白质的分离纯化技术，蛋白质结构和功能的分析、设计和预测，通过基因重组或其他手段改造或创造蛋白质，以及蛋白质分子识别和蛋白质光电特性利用工程等。 1. 蛋白质的分离纯化技术蛋白质的分离纯化技术是用生物工程下游技术从混合物中分离纯化出所需要的目的蛋白质的方法。它是当代生物产业当中的核心技术，技术要求与成本都较高。例如，一个生物药品的成本75%都用于下游蛋白质分离纯化当中。因此，蛋白质的分离纯化技术依然需要改进与发展。其常用技术有：各种沉淀技术、各种电泳技术、透析技术、各种层析技术等。 2. 蛋白质结构和功能的分析 *先要测定蛋白质的一级结构，其次进行结构的物理测定。物理测定主要有：X射线晶体学、核磁共振及冷冻电子显微学。除了核磁共振以外，还有一些生物化学技术被用于测定二级结构，包括圆二色谱。冷冻电子显微技术是近年来兴起的一种获得低分辨率（低于5A）蛋白质结构的方法。 3. 蛋白质结构和功能的设计和预测当前蛋白质结构预测方法为比较建模法、折叠识别法、二级结构预测法和从头预测方法，前3项是基于已有知识，后一项是从头预测。按照其对模板的依赖与否主要分为两类：模板依赖模型（template-based modeling）和从头预测方法（ab initio）[或称自由模型（free modeling）]。模板依赖模型又可以分为两种模型：同源模型（或称比较模型）和折叠识别模型（又称穿线法）。当目标序列没有同源结构时，进行蛋白质三维结构预测就必须使用从头预测方法。 4. 通过基因重组改造或创造蛋白质从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）。这是狭义的蛋白质工程，此后论述。 5. 蛋白质分子识别分子印迹技术是制备具有分子识别能力聚合物的技术，由于具有构效预定性、特异识别性和广泛实用性三大特性，而在分离纯化、生物化学、生物药学及医学等许多领域具有广阔的应用前景。分子印迹技术（molecular imprinting，MIT）是指为获得在空间和结合位点上与目标分子（模板分子、印迹分子）完全匹配的聚合物（molecularly imprinted polymers，MIPs）的制备技术。蛋白质印迹聚合物是一种人工模拟抗体，与生物抗体相比较，具有对高温、酸、碱耐受性强，在苛刻条件下可操作性及制作成本低、可重复使用等优点，目前已经在以下3个方面得到应用：①色谱分离；②抗体或受体模拟；③生物传感器。 6. 蛋白质光电特性利用工程在信息时代的今天，数字化运算是信息处理的必要手段。用细菌视紫红质（简称菌紫质，bacteriorhodopsin，BR）膜进行光逻辑运算是目前研究热点之一。菌紫质具有一系列特殊的光电和光学特性。菌紫质具有光致变色响应特性，即菌紫质在进行光循环过程中处于不同的中间态时所呈现的颜色各不相同。菌紫质在接受光照后，电极两端会生成感应电动势或在外接电路中产生位移电流。经测定，光照后会产生正的瞬时脉冲电流，并逐渐降到稳定值。当光照停止后，又会产生负的脉冲电流，正、负光电信号同时随光照强度的变化而变化，这就是菌紫质的光电响应效应。科学工作者经过长年累月的实验、分析和总结，现已初步摸清了它的本质，其快速光致变色响应特性已达到秒级（10-12s）水平，空间分辨率极高，并且具有超常的耐热性，尤其让人青睐的是它易于大量制取且不需采取特殊的保存手段。三、狭义蛋白质工程狭义蛋白质工程，特指应用基因工程的方法获得蛋白质优质生产和高效利用的方法学研究。它是从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA），进行基因工程学研究与改进。 1. 定点突变技术定点突变技术（site-directed mutagenesis）是在已知DNA序列中取代、插入或删除特定的核苷酸，从而改变酶的结构中的个别氨基酸残基的技术。定点突变有的是改变特定的核苷酸，有的则是对一段*可能影响酶的功能与性质的基因序列进行随机突变，从而产生一系列突变酶分子。定点突变技术有多种方法，如寡核苷酸引物介导的重组PCR 定点突变法、限制性内切核酸酶酶切片段取代法、盒式突变法和化学全合成法等。定点突变是在已知酶的结构与功能的基础上，有目的地改变酶的某一活性基团或模块，从而产生新性状的酶，故又称理性分子设计。 2. DNA改组技术 DNA改组技术（DNAshuffling）是体外同源重组的一种再组装PCR 技术。它是将一群密切相关的序列，在DNaseⅠ作用下，随机酶切成许多片段，这些小片段之间有部分重叠碱基序列，通过自身引导PCR （self-priming PCR），使这些小片段重新组装成全长基因，建立突变文库，对突变文库进行筛选，选择改良的突变体组成下一轮DNA改组的模板，重复多次重排与筛选，直到获得性状较为满意的突变体。 3. 体外定向进化技术定向进化的主要目的是在短时间内，获取想筛选的突变体，即定向进化等于随机突变加高通量筛选。酶的体外定向进化（direction evolution of enzyme in vitro），又称分子进化（molecular evolution），就是在实验室模拟自然进化机制（随机突变、重组和自然选择），通过容错PCR （error-prone PCR）等方法，对编码酶的基因进行随机诱变，再通过高通量筛选或选择方法定向选择出性能更加优良的酶或创造出自然界所没有的而且具有优良性质的新酶。定向进化与定点突变的不同点是它不需要已知酶的结构信息，因此该技术又称非理性设计。四、蛋白质工程学与其他学科的关系 1. 工程学工程学是研究自然科学应用在各行业中的应用方式、方法的一门学科，同时也研究工程进行的一般规律，并进行改良研究。它赋予了蛋白质工程学的工科性质及其研究的应用方式、方法。由此，我们定义蛋白质工程学是研究蛋白质优质生产和高效利用的方式与方法的学科。 2. 基因工程基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内，并在其中进行表达，它的产品还是该基

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