第4節蛋白質工程的原理和應用第3章基因工程從社會中來

上面幾幅圖是用發出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。這些細菌能夠發出熒光，是因為在它們的體內導入了熒光蛋白的基因。

最早被發現的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。

那么，科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢？一、蛋白質工程的概念

蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。

蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程。1.基礎:蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系2.操作方法及對象:改造或合成基因3.結果:改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質4.目的:以滿足人類生產和生活的需求5.地位:6.理論和技術：分子生物學、晶體學和計算機技術

將一種生物的____轉移到另一種生物體內，后者可以產生它__________________，進而表現出________二、蛋白質工程崛起的緣由1.基因工程的實質：基因本不能產生的蛋白質新的性狀②基因工程的局限性：_______________________________原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質2.

蛋白質工程的崛起:③天然蛋白質是生物長期進化過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要；

如玉米中賴氨酸含量較低，經人工設計改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。①理論和技術條件:___________、晶體學以及計算機技術的迅猛發展。分子生物學實例：賴氨酸含量低合成時需：天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。濃度影響酶活性蘇氨酸(352位）異亮氨酸產量提高天冬酰胺(104位)異亮氨酸你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？

人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域重大的國際合作科研項目。2001年，國際人類蛋白質組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動兩項重大國際合作項目：一項是由中國科學家牽頭執行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是由美國科學家牽頭執行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。

“人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜重大國際科研協作計劃。它的目標是通過對肝臟蛋白質高通量、規模化的研究，解析肝臟蛋白質在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預防、診斷、治療和新藥的研發提供重要的科學依據。

人類蛋白質組計劃取得的成果有力推動了蛋白質工程的發展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質組計劃啟動。三、蛋白質工程的基本原理1.蛋白質工程的目標：

根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。2.改造蛋白質的方法：改造或合成基因5.天然蛋白質合成過程：按照中心法則進行基因表達形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結構的蛋白質形式生物功能轉錄翻譯3.蛋白質工程的實質：通過改造或合成基因來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質4.結果：生產出自然界沒有的蛋白質蛋白質工程的基本思路6.蛋白質工程思路：逆中心法則

從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。三、蛋白質工程的基本原理項目蛋白質工程基因工程操作對象操作起點操作水平操作流程結果實質聯系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→找到并改變對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質目的基因的篩選與獲取→構建基因表達載體→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定可生產自然界沒有的蛋白質在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質，即天然蛋白質。通過改造或合成基因來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀①蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因

工程。②蛋白質工程離不開基因工程，其包含基因工程基本操作。預期蛋白質功能目的基因基因工程與蛋白質工程的比較課堂小結蛋白質工程基本思路的應用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請把相應的堿基序列寫出來。查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）則：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？

確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等。蛋白質工程基本思路的應用如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質工程？是否合成新的基因蛋白質工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質工程基因工程二看蛋白質一看基因是否為天然蛋白質是否蛋白質工程基因工程方法思考異想天開

能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產人類所需要的蛋白質食品呢？

理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產人類需要的蛋白質，但這些蛋白質往往都是自然界中已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來的、自然界中不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對大多數蛋白質的高級結構和蛋白質在生物體內如何行使功能了解得還不夠，很難設計出一個全新的而又具有功能的蛋白質。即使設計并獲得了一個全新的蛋白質，它的生理生化特性、用它生產的蛋白質食品的安全性等都需要長期深入的研究。四、蛋白質工程的應用1.研發速效胰島素類似物天然蛋白質易形成二聚體或六聚體預期結構改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或將它與B29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設計結構改變B鏈第20-29位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合天然干擾素不易保存預期結構改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能延長保存時間設計結構氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年2.延長干擾素體外保存時間四、蛋白質工程的應用

通過改造基因，將小鼠抗體上結合抗原的區域（即可變區）“嫁接”到人的抗體（即恒定區）上，經過這樣改造的抗體誘發免疫反應的強度就會減低很多。

小鼠單克隆抗體會使人體產生免疫反應，從而導致治療效果大大降低3.改造抗體—降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應醫學問題:解決辦法:四、蛋白質工程的應用4.其他應用①改進酶的性能或開發新的工業用酶；②改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產量；③設計優良微生物農藥，改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強；

如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質的作用，常被用于洗滌劑工業、絲綢工業等。迄今為止，利用蛋白質工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業化生產需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。四、蛋白質工程的應用三級結構一級結構四級結構二級結構5.面臨的困難：蛋白質工程是一項難度很大的工程；主要原因：

蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜由計算機建立的血紅蛋白三維結構模型四、蛋白質工程的應用6.前景展望：

科學家要設計出更加符合人類需要的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發展，蛋白質工程將會給人類帶來更多的福祉。四、蛋白質工程的應用思考為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？①蛋白質的高級結構十分復雜，直接改造難度大；②蛋白質是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質；③基因可以遺傳，蛋白質無法遺傳；到社會中去

酶用作工業催化劑，比無機催化劑具有更大的優越性，主要體現在以下幾個方面。由于酶促反應能在常溫、常壓和中性pH條件下進行，因此可以節省大量的能源和設備投資；生產過程中不會造成嚴重的污染，符合環境保護的要求；生產過程簡單、效率高，產品質量好，生產成本低。因此，酶制劑在工業領域得到了廣泛的應用。近年來，通過引進國外先進設備、優良菌種以及開發新型酶制劑，我國酶制劑產業保持了較快的增長態勢，品種越來越豐富，產品的市場競爭力也在不斷提升。2016年，我國工業酶制劑年產量達120萬噸，年增長率保持在10%左右。在全球范圍內，我國酶制劑的市場份額已占到了30%左右，我國進入酶制劑生產大國的行列。在酶制劑產業中，蛋白質工程被廣泛用于開發酶的新品種或改進酶的性能，如提高酶的熱穩定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。練習與應用一、概念檢測（P96）1.蛋白質工程可以說是基因工程的延伸。判斷下列相關表述是否正確。(1)基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質工程不需要對基因進行操作。()(2)蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列。()(3)蛋白質工程可以改造酶，提高酶的熱穩定性。()××√練習與應用一、概念檢測（P96）2、蛋白質工程是在深入了解蛋白質分子的結構與功能關系的基礎上進行的，它最終要達到的目的是()A.分析蛋白質的三維結構B.研究蛋白質的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質的基因序列信息D.改造現有蛋白質或制造新的蛋白質，滿足人類的需求D練習與應用一、概念檢測（P96）3.水蛭素是一種蛋白質，可用于預防和治療血栓。研究人員發現，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項替換研究中，目前可行的直接操作對象是()A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D、蛋白質A2023/2/5二、拓展應用（P96）練習與應用T4溶菌酶是一種重要的工業用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結構進行了研究。然后以此為依據對相關基因進行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變為半胱氨酸。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項工作屬于什么工程的范疇?在該實例中引起T4溶菌酶空間結構發生改變的根本原因是什么?如果要將該研究成果應用到生產實踐，還需要做哪些方面的工作?這項工作屬于蛋白質工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結構發生改變的根本原因是基因的堿基序列發生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應用于生產實踐，還有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空間結構發生了變化，因此它的一些基本特性需要重新明確，包括它能耐受的溫度范圍、催化反應的最適溫度、酶活力的大小等；需要建立規模化生產該酶的技術體系，評估生產成本等。復習與提高1.(1)①應選擇用相同的限制酶或切割能產生相同末端的限制酶切割質粒和含有目的基因的DNA片段;②注意限制酶的切割位點不能位于目的基因的內部，以防破壞目的基因;③限制酶也不能破壞質粒的啟動子、終止子、標記基因、復制原點等結構。(2)加入DNA連接酶。復習與提高(3)該質粒便于進行雙重篩選。標記基因Amp基因可用于檢測質粒是否導入了大腸桿菌，一般只有導入了質粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養基上生長。由于LacZ基因的效應，這些生長的菌落可能出現兩種顏色：含有空質粒（沒有連接目的基因的質粒）的大腸桿菌菌落呈藍色；含有重組質粒的大腸桿菌菌落呈白色。（4)含有重組質粒的大腸桿菌菌落呈白色。因為目的基因