1、 1983年美國(guó)科學(xué)家年美國(guó)科學(xué)家Ulmer首先提出蛋首先提出蛋白質(zhì)工程，它是指按照特定的需要，對(duì)白質(zhì)工程，它是指按照特定的需要，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和改造的工程。自蛋白質(zhì)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和改造的工程。自此以后，蛋白質(zhì)工程迅速發(fā)展，已成為此以后，蛋白質(zhì)工程迅速發(fā)展，已成為生物工程的重要組成部分。生物工程的重要組成部分。 通過(guò)基因工程能夠大規(guī)模生產(chǎn)生物體內(nèi)微量存在通過(guò)基因工程能夠大規(guī)模生產(chǎn)生物體內(nèi)微量存在的活性物質(zhì)，并借助轉(zhuǎn)基因而改變動(dòng)植物性狀，得以的活性物質(zhì)，并借助轉(zhuǎn)基因而改變動(dòng)植物性狀，得以在人類醫(yī)療保健中進(jìn)行基因診斷和基因治療。然而在在人類醫(yī)療保健中進(jìn)行基因診斷和基因治療。然而在廣泛利用自然界

2、各種蛋白質(zhì)的過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)，這些蛋廣泛利用自然界各種蛋白質(zhì)的過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)只是適應(yīng)生物自身的需要，而對(duì)它們進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化白質(zhì)只是適應(yīng)生物自身的需要，而對(duì)它們進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)往往不合意，需要加以改造。開發(fā)往往不合意，需要加以改造。活動(dòng)活動(dòng)1:閱讀閱讀P26. 回答回答:為什么要進(jìn)行蛋白質(zhì)工程為什么要進(jìn)行蛋白質(zhì)工程? 在已研究過(guò)的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用在已研究過(guò)的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低

3、。這是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)活性或活性很低。這是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會(huì)很快變性失活。提高高，在這種條件下，大多數(shù)酶會(huì)很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的課題。蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的課題。一般來(lái)說(shuō)，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長(zhǎng)酶的半衰一般來(lái)說(shuō)，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長(zhǎng)酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)藥用蛋白的保存期，抵期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)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等。御由于重要氨基酸氧化引起

4、的活性喪失等。 例如例如:干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá)，產(chǎn)生的干在大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá)，產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為擾素的抗病毒活性為106 U/mg，只相當(dāng)于天然產(chǎn)品，只相當(dāng)于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的-干擾素量很干擾素量很多，但多數(shù)是以無(wú)活性的二聚體形式存在。為什么會(huì)多，但多數(shù)是以無(wú)活性的二聚體形式存在。為什么會(huì)這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現(xiàn)，這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現(xiàn)，-干擾素蛋白干擾素蛋白質(zhì)中有質(zhì)中有3個(gè)半胱氨酸（第個(gè)半胱氨酸（第17位、

5、位、31位和位和141位），推位），推測(cè)可能是有一個(gè)或幾個(gè)半胱氨酸形成了不正確的二硫測(cè)可能是有一個(gè)或幾個(gè)半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過(guò)基因定點(diǎn)位的半胱氨酸，通過(guò)基因定點(diǎn)突變改變成絲氨酸，結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的突變改變成絲氨酸，結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的-干擾干擾素的抗病性活性提高到素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然，并且比天然-干干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。“后基因組時(shí)代后基因組時(shí)代”將是將是“蛋白質(zhì)組學(xué)時(shí)蛋白質(zhì)組學(xué)時(shí)代代”，即從對(duì)基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ埃磸膶?duì)基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ鞍踪|(zhì)信息的研究，包括研究蛋白質(zhì)

6、結(jié)構(gòu)、白質(zhì)信息的研究，包括研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用及蛋白質(zhì)相互關(guān)系和作用。功能與應(yīng)用及蛋白質(zhì)相互關(guān)系和作用。蛋白質(zhì)工程就是在對(duì)蛋白質(zhì)的化學(xué)、晶蛋白質(zhì)工程就是在對(duì)蛋白質(zhì)的化學(xué)、晶體學(xué)、動(dòng)力學(xué)等結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)體學(xué)、動(dòng)力學(xué)等結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)蛋白質(zhì)人工改造與合成，最終獲上，對(duì)蛋白質(zhì)人工改造與合成，最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品。得商業(yè)化的產(chǎn)品。活動(dòng)2：對(duì)照P27蛋白質(zhì)工程流程圖，說(shuō)出主要步驟。（1 1）從生物體中分離純化目的蛋白；）從生物體中分離純化目的蛋白；（2 2）測(cè)定其氨基酸序列；）測(cè)定其氨基酸序列；（3 3）借助核磁共振和）借助核磁共振和X X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋射線晶體

7、衍射等手段，盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu)白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu); ;（4 4）設(shè)計(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋）設(shè)計(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對(duì)其活性與功能的影響；疊等對(duì)其活性與功能的影響；（5 5）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造方案，如點(diǎn)突變；方案，如點(diǎn)突變；（6 6）分離、純化新蛋白，功能檢）分離、純化新蛋白，功能檢測(cè)后投入實(shí)際使用。測(cè)后投入實(shí)際使用。活動(dòng)活動(dòng)3：對(duì)照密碼表，至少寫出三種決定對(duì)照密碼表，至少寫出三種決定“丙氨酸丙氨酸色氨酸色氨酸賴氨酸賴氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苯苯丙氨酸丙氨酸”的脫氧核苷酸

8、序列。的脫氧核苷酸序列。（一）蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)與改造（一）蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)與改造 蛋白質(zhì)工程首先是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通蛋白質(zhì)工程首先是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和溶液構(gòu)象的研究，過(guò)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和溶液構(gòu)象的研究，積累了成千上萬(wàn)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)積累了成千上萬(wàn)蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)資料，并編制成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，得以從中找出蛋白資料，并編制成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，得以從中找出蛋白質(zhì)分子間的進(jìn)化關(guān)系、一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系、質(zhì)分子間的進(jìn)化關(guān)系、一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系方面的規(guī)律。結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系方面的規(guī)律。 蛋白質(zhì)作為生物大分子

9、是生物化學(xué)和分子生物學(xué)蛋白質(zhì)作為生物大分子是生物化學(xué)和分子生物學(xué)的研究重點(diǎn)，大量蛋白質(zhì)被分離純化，測(cè)定了它們的的研究重點(diǎn)，大量蛋白質(zhì)被分離純化，測(cè)定了它們的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和生物學(xué)作用。分子生物學(xué)有關(guān)基因組的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和生物學(xué)作用。分子生物學(xué)有關(guān)基因組的研究，也可以用以推測(cè)出一些未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功研究，也可以用以推測(cè)出一些未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。采用定位誘變的方法，可以對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因能。采用定位誘變的方法，可以對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行核苷酸密碼子的插入、刪除、置換和改組，其結(jié)進(jìn)行核苷酸密碼子的插入、刪除、置換和改組，其結(jié)果為分子改造提供新的設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)有的蛋白質(zhì)是生果為分子改造提供新的設(shè)計(jì)方案。

10、現(xiàn)有的蛋白質(zhì)是生物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，蛋白質(zhì)工程則是對(duì)生物進(jìn)化的模物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，蛋白質(zhì)工程則是對(duì)生物進(jìn)化的模擬，按照蛋白質(zhì)形成的規(guī)律，改造蛋白質(zhì)或構(gòu)建新的擬，按照蛋白質(zhì)形成的規(guī)律，改造蛋白質(zhì)或構(gòu)建新的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)的改造通常需要先經(jīng)周密的分子設(shè)計(jì)，然蛋白質(zhì)的改造通常需要先經(jīng)周密的分子設(shè)計(jì)，然后依賴基因工程獲得突變型蛋白質(zhì)，以檢驗(yàn)其是否達(dá)后依賴基因工程獲得突變型蛋白質(zhì)，以檢驗(yàn)其是否達(dá)到了預(yù)期的效果。如果改造的結(jié)果不理想，還需要從到了預(yù)期的效果。如果改造的結(jié)果不理想，還需要從新設(shè)計(jì)再進(jìn)行改造，往往經(jīng)歷多次實(shí)踐摸索才能達(dá)到新設(shè)計(jì)再進(jìn)行改造，往往經(jīng)歷多次實(shí)踐摸索才能達(dá)到改進(jìn)蛋白質(zhì)性能的預(yù)定目

11、標(biāo)。改進(jìn)蛋白質(zhì)性能的預(yù)定目標(biāo)。（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例1水蛭素改造水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由多種變異體，由65或或66個(gè)氨基酸殘基組成。水蛭素在個(gè)氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體蛭素主要變異體HV2的設(shè)計(jì)方案，將的設(shè)計(jì)方案，將47位的位的Asn（天冬（天冬酰胺）變成酰胺）變成Lys（賴氨

12、酸），使其與分子內(nèi)第（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第或第5位位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來(lái)幫助水蛭素（蘇氨酸）間形成氫鍵來(lái)幫助水蛭素N端肽段的正端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高確取向，從而提高凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高4倍，倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。2生長(zhǎng)激素改造生長(zhǎng)激素改造生長(zhǎng)激素通過(guò)對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體生長(zhǎng)激素通過(guò)對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)激素受體，還的生長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)可以結(jié)合許多

13、種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過(guò)程。在治療過(guò)程中為減少副作用，需使人其他生理過(guò)程。在治療過(guò)程中為減少副作用，需使人的重組生長(zhǎng)激素只與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合，盡可能減少的重組生長(zhǎng)激素只與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過(guò)改造區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過(guò)改造加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)激素和催乳激素受體結(jié)合需加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合則無(wú)需要鋅離子參與作用，而它與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合則無(wú)需鋅離子參與，于

14、是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第側(cè)鏈，如第18和第和第21位位His（組氨酸）和第（組氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。為臨床用藥還有大量的工作要做。3胰島素改造胰島素改造天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B2

15、8氨基氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)。胰島素已通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)。4治癌酶的改造治癌酶的改造 癌癥的基因治療分二個(gè)方面：藥物作用于癌細(xì)胞，癌癥的基因治療分二個(gè)方面：藥物作用于癌細(xì)胞，特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化

16、胸腺嘧啶和其它）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基3-OH缺乏缺乏,從而阻斷從而阻斷DNA的合成，殺死癌細(xì)胞。的合成，殺死癌細(xì)胞。HSVTK催化能力可以通過(guò)催化能力可以通過(guò)基因突變來(lái)提高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種基因突變來(lái)提高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種酶酶,在酶活性部位附近有在酶活性部位附近有6個(gè)氨基酸被替換，催化能力個(gè)氨基酸被替換，催化能力20倍以上。倍以上。蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快，研究工作很多，以上僅介紹蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快，研究工作很多，以上僅介紹了幾個(gè)例子。蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)了幾個(gè)例子。蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)制造新的蛋白質(zhì)外，其本身還是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能計(jì)制造新的蛋白質(zhì)外，其本身還是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的一種強(qiáng)有力的工具，它在解決生物理論方面所起的作的一種強(qiáng)有力的工具，它在解決生物理論方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并論。用，可以和任何重大的生物研究方法相提并論。蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等