本书详细地介绍了蛋白质工程领域的相关基础知识、主要方法技术，以及该学科的最新发展与具有典型意义的研究实例。本书作为生命科学本科生通用教材,内容不仅包括蛋白质分子基础、蛋白质分子设计、蛋白质的修饰和表达，以及蛋白质的理化性质、结构测定和应用等，而且还对生物信息学和现代生物技术在蛋白质工程中的应用、蛋白质的分离纯化与鉴定作了介绍。旨在使本科生了解现代蛋白质工程理论的新进展,并为相关学科提供知识和技术。

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汪世华，男，博士，二级教授，博导，福建农林大学科技处处长，福建省病原真菌与真菌毒素重点实验室主任，福建省重点学科和一流学科“生物学”一级学科博士点学科带头人，福建农林大学学术委员会秘书长。主要从事黄曲霉为代表的农业微生物和微生物毒素方面的研究，中国菌物学会常务理事、真菌毒素专业委员会主任，中国微生物学会理事、分析微生物专业委员会副主任，福建省生物工程学会理事长。1) “双一流”背景下生物技术国家级一流本科专业建设的探索与实践，2023，福建省本科高校教育教学研究项目（重大项目） 2) “双一流背景下生物学拔尖创新型研究生培养体系探索”，2018，福建省本科高校重大教育教学改革研究项目，主持 3) “福建农林大学学位与研究生教育质量保证和监督体系建设研究”，2015，福建省本科高校教育教学改革研究重点项目，主持 4) 福建省导师团队，主持人，2018现为国家百千万人才工程人选、有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴专家，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，获教育部霍英东青年教师奖。福建省特支人才“双百计划”百千万工程领军人才，福建省杰出青年基金，获福建省五一劳动奖章，福建青年五四奖章。

1绪论 1.1.1 蛋白质工程的起源 1.1.1.1 起源年代 1.1.1.2 起源发酵 1.1.1.3 生产实践 1.1.2 蛋白质工程的研究内容 1.1.2.1 蛋白质的基础知识 1.1.2.1.1 蛋白质的结构 1.1.2.1.2 蛋白质的理化性质 1.1.2.1.3 蛋白质的生物功能 1.1.2.1.4 蛋白质的结构与功能的关系 1.1.2.2 蛋白质的物质准备 1.1.2.2.1 蛋白质的表达 1.1.2.2.2 蛋白质的纯化 1.1.2.2.3 蛋白质组学研究 1.1.2.3 蛋白质的研究方法 1.1.2.3.1 蛋白质结构解析 1.1.2.3.2 蛋白质的分析鉴定和相互作用研究 1.1.2.3.3 蛋白质组学研究 1.1.2.4 蛋白质的改造应用 1.1.2.4.1 蛋白质工程与生物信息学 1.1.2.4.2 蛋白质的设计改造 1.1.2.4.3 蛋白质的功能应用 1.1.3 蛋白质工程与其他学科 1.1.3.1蛋白质工程与生物信息学 1.1.3.2蛋白质工程与结构生物学 1.1.3.3蛋白质工程与基因工程 1.1.4 蛋白质工程的应用 1.1.4.1工业领域 1.1.4.2 农业领域 1.1.4.3 医药领域 1.1.4.4 生物医药材料领域 1.1.4.5 能源领域 1.1.4.6 其他领域 思考题 1．请简要叙述蛋白质工程产生的背景及概念。 2．请简要叙述蛋白质工程与发酵工程的关系。 3．蛋白质工程有哪几部分内容,它们之间的关系怎样。 4．请简要叙述蛋白质工程的应用前景。 5．请简要谈谈蛋白质工程学科在生命科学中的地位。 2 蛋白质结构基础 2.1 蛋白质的功能及其应用 2.1.1 蛋白质的生物学功能 2.1.1.1 结构成分 2.1.1.2 催化功能 2.1.1.3 贮存功能 2.1.1.4 转运功能 2.1.1.5 运动功能 2.1.1.6 信息传递 2.1.1.7 调节功能 2.1.1.8 支架作用 2.1.1.9 防御和进攻 2.1.2 蛋白质的应用 2.1.2.1蛋白质在生物学上的意义 2.1.2.2 蛋白质被广泛应用于工业生产 2.1.2.3 蛋白质在临床及医药方面的应用 2.2 蛋白质、氨基酸与多肽链 2.2.1氨基酸 2.2.1.1 氨基酸的结构特征 2.2.1.1.1 氨基酸的化学机构 2.2.1.1.2 氨基酸的构型 2.2.1.1.3 氨基酸的构象 2.2.2 蛋白质中常见氨基酸的分类 2.2.2.1 按照R基团的化学结构进行分类 2.2.2.1.1 脂肪族氨基酸 2.2.2.1.2 芳香族氨基酸 2.2.2.1.3 杂环族氨基酸 2.2.2.2 按照R基团的剂型性质进行分类 2.2.2.2.1 非极性R基团氨基酸 2.2.2.2.2 不带电荷的极性R基团氨基酸 2.2.2.2.3 带负电荷的R基团氨基酸 2.2.2.2.4 带正电荷的R基团氨基酸 2.2.2.3 蛋白质中的稀有氨基酸 2.2.2.4 非天然蛋白质氨基酸 2.2.3 肽 2.2.3.1 肽键与多肽链 2.2.3.1.1 肽键 2.2.3.1.2 肽与多肽链 2.2.3.2 多肽链的构象 2.2.3.2.1 肽单位和多肽主链 2.2.3.2.2 多肽链的构象 2.3 蛋白质的结构 2.3.1 蛋白质的一级结构 2.3.2 蛋白质的空间结构 2.3.2.1 蛋白质的二级结构 2.3.2.1.1 α螺旋 2.3.2.1.2 β折叠 2.3.2.1.3 β转角 2.3.2.1.4 无规则卷曲 2.3.2.2 超二级结构和结构域 2.3.2.2.1 超二级结构 2.3.2.2.2 结构域 2.3.2.3 三级结构 2.3.2.4 四级结构 2.3.3 维持蛋白质空间构象的作用力 2.3.3.1 氢键 2.3.3.2 范德华力 2.3.3.3 疏水作用 2.3.3.4 离子键 2.3.3.5 二硫键 2.4 蛋白质结构与功能的关系 2.4.1 蛋白质一级结构与功能的关系 2.4.1.1 同源蛋白质的种属差异和生物进化 2.4.1.2 一级结构相同的蛋白质的功能也相同 2.4.1.3 以及结构的变异和分子病 2.4.2 蛋白质的空间结构和功能的关系 2.4.2.1 肌红蛋白的结构和功能 2.4.2.2 血红蛋白的结构和功能 2.4.3 蛋白质的变性与复性 2.4.3.1 蛋白质的变性 2.4.3.2 蛋白质的复性 思考题 1. 简述蛋白质一级结构、二级结构、超二级结构、结构域、三级结构和四级结构之间的关系。 2.为什么氢键对维系蛋白质二级结构有重要贡献,试以a螺旋、β折叠为例说明。 3.为什么疏水作用对维系蛋白质三级结构有重要贡献,试举例说明。 4.简述蛋白质的4种二级结构及其结构特点。 5.为什么说蛋白质行使其功能的能力是由它的三维结构决定的? 6.试述蛋白质结构与功能的关系(蛋白质一级结构与功能的关系,蛋白质空间结构与功能的关系)。 7.蛋白质结构与蛋白质工程之间关系如何? 3 蛋白质的表达 3.1 蛋白质的表达 3.1.1 大肠杆菌表达系统 3.1.1.1 大肠杆菌表达系统的组成 3.1.1.1.1 表达载体 3.1.1.1.2 外源基因 3.1.1.1.3 表达宿主菌株 3.1.1.2 影响外源基因在大肠杆菌系统中表达的因素 3.1.1.2.1 表达载体的选择 3.1.1.2.2 外源基因中密码子的使用 3.1.1.2.3 mRNA结构的稳定性 3.1.1.2.4 发酵工艺的控制 3.1.2 枯草芽孢杆菌表达系统 3.1.2.1 枯草芽孢杆菌表达系统的组成 3.1.2.1.1 多sigma（σ）因子 3.1.2.1.2 启动子 3.1.2.1.3 mRNA的核糖体结合位点（RBS） 3.1.2.1.4 转录终止子 3.1.2.2 影响外源基因在枯草芽孢杆菌系统中表达的因素 3.1.2.2.1 表达载体的选择 3.1.2.2.2 蛋白质分泌能力的影响 3.2 蛋白质的真核表达 3.2.1 酵母表达系统 3.2.1.1 酒酿酵母表达系统 3.2.1.1.1 12um质粒的筛选标记 3.2.1.1.2 表达载体 3.2.1.1.3 酿酒酵母表达载体优缺点 3.2.1.2 甲醇酵母表达系统 3.2.1.2.1 巴斯德毕赤酵母系统 3.2.1.2.2 多形汉逊酵母表达系统 3.2.1.3 裂殖酵母表达系统 3.2.1.3.1 表达载体 3.2.1.3.2 裂殖酵母表达系统的应用 3.2.1.4 影响酵母表达外源基因的因素 3.2.1.4.1 外源基因特性 3.2.1.4.2 启动子的影响 3.2.1.4.3 外源基因拷贝数和稳定性 3.2.1.4.4 翻译后修饰 3.2.1.4.5 表达条件的优化 3.2.2 昆虫杆状病毒表达系统 3.2.2.1 昆虫杆状病毒表达系统的特点 3.2.2.2 杆状病毒表达载体 3.2.2.3 重组杆状病毒的构建及纯化 3.2.2.4 昆虫杆状病毒表达载体系统的优缺点 3.2.2.5 外源基因表达的影响因素 3.2.2.6 昆虫杆状病毒表达系统的应用 3.2.3 哺乳动物细胞表达系统 3.2.3.1 表达载体 3.2.3.1.1 表达载体的类型 3.2.3.1.2 表达载体的结构元件 3.2.3.1.3 哺乳动物细胞高效率表达载体的构建 3.2.3.2 宿主细胞的改造 3.2.3.2.1 抗凋亡工程 3.2.3.2.2 细胞周期调控工程 3.2.3.2.3 糖基化工程 3.2.3.2.4 代谢工程 3.2.3.2.5 细胞增殖控制工程 思考题 1.试述常用的蛋白质原核表达系统及其优缺点。 2.简述影响大肠杆菌表达系统效率的因素。 3.试述常用的蛋白质真核表达系统类型及其优缺点。 4.影响酵母表达外源基因效率的因素有哪些? 5.昆虫杆状病毒表达系统的特点及影响其高效表达的因素有哪些? 6.构建高效的哺乳动物细胞表达载体应该考虑哪些方面的因素? 7.哺乳动物细胞表达系统的宿主细胞改造方式有哪些? 4 蛋白质的修饰 4.1 蛋白质的修饰 4.1.1 蛋白质侧链基团的化学修饰 4.1.1.1 氨基的化学修饰 4.1.1.2 羧基的化学修饰 4.1.1.3 巯基的化学修饰 4.1.1.4 二硫键的化学修饰 4.1.1.5 其他侧链基团的修饰 4.1.2 蛋白质的位点专一性修饰 4.1.2.1 亲和标记 4.1.2.2 光亲和标记 4.1.3 蛋白质的聚乙二醇(PEG)修饰 4.1.4 蛋白质的化学交联和化学偶联 4.2 蛋白质的分子生物学改造 4.2.1 基因突变技术 4.2.1.1 定点突变 4.2.1.1.1 PCR介导的定点突变 4.2.1.1.2寡核苷酸引物介导的定点突变 4.2.1.1.3盒式突变 4.2.1.2 定向进化 4.2.1.2.1 构建突变库 4.2.1.2.2突变库的筛选 4.2.2 基因融合 4.2.2.1 基因融合的分子设计策略 4.2.2.1.1 直接的顺序融合 4.2.2.1.2 通过连接肽融合基因 4.2.2.1.3 插入融合 4.2.2.2 融合蛋白标签 4.2.2.3 内含肽(intein)介导的基因剪接 4.2.2.4 tRNA介导的蛋白质改造 思考题 1.蛋白质化学修饰反应类型主要有哪些? 2.蛋白质化学修饰反应常发生在哪些功能基团上? 3.蛋白质的聚乙二醇修饰有哪些优点? 4.突变文库的筛选方法主有哪些? 5.基因定点突变主要方法有哪些? 6.基因融合有哪些优势? 7.常见的融合蛋白标签是什么? 8.融合蛋白分子设计策略有哪些? 9.定向进化的关键步骤是什么? 10.内含肽是如何进行蛋白质剪接的? 5 蛋白质物理化学 5.1 蛋白质热力学函数与蛋白质构象平衡 5.1.1 描述蛋白质体系的主要热力学函数 5.1.2 蛋白质构象与热运动 5.1.3 维持蛋白质构象的作用力 5.1.3.1 盐键 5.1.3.2 范德华力 5.1.3.3 氢键 5.1.3.4 疏水作用 5.1.3.5二硫键 5.2 突变与折叠 5.2.1 突变与热稳定性 5.2.2 蛋白质折叠 5.2.2.1 蛋白质折叠密码 5.2.2.2 蛋白质折叠的历程 5.2.2.3 蛋白质折叠速度机制 5.3 蛋白质折叠热力学和动力学 5.3.1 蛋白质折叠的热力学研究 5.3.1.1 熵的作用 5.3.1.2 吉布斯自由能降低的影响因素 5.3.2.3 蛋白质折叠热力学研究方法 5.3.2 蛋白质折叠的动力学研究 5.3.2.1 折叠与退折叠 5.3.2.2蛋白质折叠研究技术 5.3.3 蛋白质构象研究方法 思考题 1.何谓焓、熵?它们分别有何意义? 2.如何测量蛋白质溶液的热容量? 3.蛋白质折叠动力学的研究技术有哪些? 4.蛋白质折叠反应需满足的实验标准是什么? 6.简述蛋白质折叠的基本过程。 7.简述第二遗传密码的含义及意义。 8.简述蛋白质折叠的意义及应用前景。 9.筒述蛋白质折叠的机制。 10.试述蛋白质折叠的最新研究进展。 6 蛋白质结构 6.1 利用X射线晶体衍射技术解析蛋白质结构 6.1.1 X射线晶体衍射技术的发展和基本原理 6.1.2 蛋白质结晶方法 6.1.2.1 蛋白质结晶的样品制备 6.1.2.2 蛋白质结晶的基本方法 6.1.2.2.1 倒置液滴气相扩散法 6.1.2.2.2 正置液滴气相扩散法 6.1.2.2.3 批量板法 6.1.2.3 蛋白质结晶仪器 6.1.2.4 蛋白质结晶的影响条件 6.1.2.4.1 蛋白质本身 6.1.2.4.2 蛋白质的浓度 6.1.2.4.3 沉淀剂 6.1.2.4.4 温度 6.1.2.4.5 温度 6.1.2.5 蛋白质晶体的优化 6.1.2.5.1 优化结晶条件 6.1.2.5.2 添加剂 6.1.2.5.3 晶体种植法 6.1.2.5.4 优化操作 6.1.3 X射线晶体衍射解析蛋白质结构的基本方法 6.1.3.1 晶体冷冻和防冻 6.1.3.2 数据采集 6.1.3.3 晶体位相的分析方法 6.1.3.