本书共分八章,主要介绍了蛋白质的结构与功能、结构分析及预测、重组表达、化学修饰、分子改造、全新设计及应用;力求使学生通过学习加深对理论知识的理解和掌握,提高学习兴趣,拓展知识面,开阔思路,并提高理论知识的应用能力,为学生今后熟练掌握蛋白质工程技术、从事科学研究及实际工作奠定坚实的基础。
蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的、具有一定空间结构的物质,是一切生命活动存在的物质基础,也是日常生活中普遍存在的营养物质、生产原料、医药试剂,在食品、日化、饲料工业中具有广泛的应用。
蛋白质工程是通过基因重组技术改变或设计合成具有特定功能的蛋白质,其意义在于以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础,通过化学、物理和分子生物学等手段进行基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。天然蛋白质都是经过漫长的进化过程自然选择而来的,通过蛋白质工程对天然蛋白质进行相应的设计和改造,相当于在实验室里加快了进化过程,从而更快、更有效地为人类的需求服务。
“蛋白质工程”作为高等学校生物技术和生物工程专业的重要专业课程,旨在使学生系统学习蛋白质工程学的基础理论及研究方法,深入了解其广阔的应用前景及其对生命科学前沿的推动作用。本教材是在精品开放课程项目建设的基础上进行编写的,属于教育部高等学校生物技术、生物工程类专业教学指导委员会和高等教育出版社共同策划出版的“iCourse.教材:生物技术与生物工程系列”。教材属于新形态教材,在出版形式、编写理念、内容选取和体系编排上都积极响应学科发展和教育发展的新要求,以纸质教材配合丰富的多媒体素材,提升课程教学效果,利于学生进行混合式和自主性学习。教材的编写紧扣课程教学实际,密切联系工程应用,注重学生应用能力培养。本教材条理清晰,通过大量原创插图使学生能够直观地获取课程知识,并引导学生从基因工程的整体思考科学问题,有利于培养学生的创新意识和创新能力,可作为生物工程、生物技术、生物制药和相关专业蛋白质工程课程的本科生教材,同时适合于作为发酵工程、生物化工专业硕士研究生的教材,也可供从事生物技术工作的人员参考。
本教材力求使学生通过对课程的学习加深对理论知识的理解和掌握,提高学习兴趣,拓展知识面,开阔思路,并提高理论知识的应用能力,为学生今后熟练掌握蛋白质工程技术、从事科学研究及实际工作奠定坚实的基础。
本教材共分8章,主要介绍了蛋白质的结构与功能、结构分析与预测、重组表达、化学修饰、分子改造、全新设计及应用。教材的编写集合了江南大学吴敬教授、周哲敏教授,大连工业大学李宪臻教授,湖南大学朱咏华教授,南开大学周卫红研究员,浙江大学刘祥瑞副教授,中国药科大学郑珩副教授,齐鲁工业大学刘同军副教授和武汉生物工程学院方中明副教授等在一线从事蛋白质工程方面科研工作的精英人员。
由于时间所限,书中疏漏、错误和不妥之处在所难免,希望读者、同行批评、指正。
1 绪论
1.1 蛋白质工程概论
1.1.1 蛋白质工程含义
1.1.2 蛋白质工程的发展历史与研究进展
1.1.3 蛋白质工程与其他学科的关系
1.2 蛋白质工程的研究内容与技术
1.2.1 蛋白质表达与分离纯化
1.2.2 蛋白质多肽的研究
1.2.3 蛋白质改性的研究
1.2.4 蛋白质固定化的研究
1.2.5 蛋白质结构分析、功能设计与预测
1.2.6 蛋白质设计与合成
1.3 蛋白质工程的应用领域
1.3.1 医药工业领域
1.3.2 食品工业领域
1.3.3 轻工业领域
2 蛋白质的结构与功能
2.1 蛋白质氨基酸与多肽链
2.1.1 常见蛋白质氨基酸的结构特征
2.1.2 蛋白质氨基酸的分类
2.1.3 肽和多肽链
2.2 蛋白质的结构
2.2.1 蛋白质的一级结构和空间结构
2.2.2 维持蛋白质空间构象的作用力
2.3 蛋白质结构与功能的关系
2.3.1 蛋白质一级结构与功能的关系
2.3.2 蛋白质空间结构与功能的关系
2.4 蛋白质的折叠
2.4.1 蛋白质折叠的驱动力
2.4.2 蛋白质的正确折叠
2.4.3 蛋白质内稳态的调控
2.4.4 蛋白质错误折叠与疾病
3 蛋白质结构分析与预测
3.1 蛋白质结构解析技术
3.1.1 蛋白质氨基酸测序技术
3.1.2 x射线晶体结构分析技术
3.1.3 核磁共振结构解析技术
3.1.4 三维电镜重构技术
3.2 蛋白质结构预测
3.2.1 蛋白质常用数据库
3.2.2 蛋白质的序列分析
3.2.3 蛋白质二级结构预测
3.2.4 蛋白质三级结构预测
4 蛋白质的重组表达
4.1 蛋白质重组表达的一般流程
4.1.1 目的基因的获得
4.1.2 目的基因与载体的连接
4.1.3 重组载体导入细胞
4.1.4 克隆子的筛选与鉴定
4.2 微生物表达系统
4.2.1 原核生物表达系统
4.2.2 酵母表达系统
4.2.3 丝状真菌表达系统
4.3 其他表达系统
4.3.1 昆虫细胞表达系统
4.3.2 哺乳动物细胞表达系统
4.3.3 植物表达系统
5 蛋白质的化学修饰
5.1 功能基团的添加
5.1.1 体内酶作用下的添加
5.1.2 体内非酶作用下的添加
5.1.3 体外非酶作用下的添加
5.2 其他蛋白质或多肽修饰
5.3 氨基酸的化学修饰
5.4 蛋白质侧链基团的修饰
5.4.1 氧化还原反应
5.4.2 芳香环取代反应
5.5 蛋白质修饰的反应部位
5.5.1 巯基的化学修饰
5.5.2 氨基的化学修饰
5.5.3 羧基的化学修饰
5.5.4 蛋白质位点专一性修饰
5.6 蛋白质结构改变
5.7 实例
5.7.1 胰岛素生产中二硫键的切割与形成
5.7.2 肽链切割是蛋白质特异性的关键所在
5.7.3 蛋白质侧链基团的化学修饰
5.8 蛋白质的化学交联
5.8.1 蛋白质的交联方法及交联剂
5.8.2 蛋白质的固定化
5.9 蛋白质化学修饰的应用
5.10 蛋白质化学修饰的局限性
6 蛋白质的分子改造
6.1 蛋白质分子改造技术
6.1.1 基因突变技术
6.1.2 定向进化技术
6.1.3 基因融合技术
6.2 蛋白质分子改造设计
6.2.1 蛋白质结构预测
6.2.2 蛋白质分子理性设计策略
6.2.3 蛋白质设计实例
7 蛋白质分子全新设计
7.1 蛋白质分子设计原理
7.1.1 蛋白质分子设计概述
7.1.2 分类和原则
7.1.3 蛋白质分子设计的程序
7.2 全新设计
7.2.1 全新蛋白质的设计方案
7.2.2 结构的从头设计
7.2.3 功能的从头设计
8 蛋白质工程的应用
8.1 蛋白质工程在医药工业中的应用
8.1.1 蛋白质工程在抗体生产中的应用
8.1.2 蛋白质工程在病毒疫苗中的应用
8.1.3 蛋白质工程在药用蛋白质中的应用
8.2 蛋白质工程在食品工业中的应用
8.2.1 蛋白质工程在食品原料品质改良中的应用
8.2.2 蛋白质工程在食品生产工艺改进中的应用
8.2.3 蛋白质工程在食品添加剂生产中的应用
8.2.4 农作物品质改良与转基因食品
8.3 蛋白质工程在轻工业中的应用
8.3.1 蛋白质工程在酿造与发酵中的应用
8.3.2 蛋白质工程在纺织与日化中的应用
8.3.3 蛋白质工程在环保与监测中的应用