第節4蛋白質工程的原理和應用高中生物選擇性必修3第3章1.說出蛋白質工程崛起的緣由。2.概述蛋白質工程的基本原理。3.舉例說明依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程。學習目標2025/3/6？從社會中來

你見過用細菌畫畫嗎？右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？

科學家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結構，并利用計算機進行輔助設計，在此基礎上再采用定點突變的技術將綠色熒光蛋白發光基團正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物--黃色熒光蛋白。用細菌“畫”的畫2025/3/6

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。特別注意：蛋白質工程的操作對象——基因！2025/3/6

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。2010年，該計劃“兩譜、兩圖、三庫”的目標初步實現。我國科學家完成了人類肝臟蛋白質組表達譜和修飾譜，繪制了蛋白質相互作用連鎖圖和定位圖。“三庫”則是建立符合國際標準的肝臟標本庫、發展規模化抗體制備技術并建立肝臟蛋白質抗體庫和建立完整的肝臟蛋白質組數據庫。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。2025/3/6一、蛋白質工程崛起的緣由1.基因工程的實質：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。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。3.天然蛋白質的不足：天然蛋白質是生物在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。賴氨酸合成調控達到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴氨酸含量抑制提高提高限制提高2025/3/6二、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.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。3.天然蛋白質合成的過程：天然蛋白質合成的過程是按照中心法則進行的。基因→表達（轉錄和翻譯）→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→行使生物功能。而蛋白質工程卻與之相反！2025/3/64.蛋白質工程的基本思路：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。折疊目的基因2025/3/6思考·討論·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。提示：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）。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？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）

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。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生產自然界已有的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，其包含基因工程的基本操作。預期蛋白質功能目的基因2025/3/65.蛋白質工程和基因工程的比較2025/3/6

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。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2025/3/6三、蛋白質工程的應用1.醫藥工業方面（1）研發速效胰島素類似物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2025/3/6（2）延長干擾素體外保存時間（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應

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。2025/3/62.其他工業方面

蛋白質工程被廣泛用于改進酶的性能或開發新的工業用酶。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。3.農業方面（1）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。（2）利用蛋白質工程的思路設計優良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。2025/3/6

蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為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。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。由計算機建立的血紅蛋白三維結構模型三級結構一級結構四級結構二級結構2025/3/6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。當堂檢測1.科學家為提高玉米中賴氨酸含量，計劃將天冬氨酸激酶的第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬氨酸變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片和種子中的游離賴氨酸含量分別提高5倍和2倍。下列對蛋白質的改造，操作正確的是（）A.直接通過分子水平改造蛋白質B.直接改造相應的mRNAC.對相應的基因進行操作D.重新合成新的基因【答案】C【解析】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，以滿足人類的生產和生活的需求。根據蛋白質被改造部位的多少，可以將這種改造分為“大改”“中改”和“小改”。“小改”是指通過基因工程中的定點誘變技術，有目的地改造蛋白質分子中某活性部位的一個或幾個氨基酸殘基，以改善蛋白質的性質和功能。題干中對蛋白質的改造屬于“小改”層次，需直接對相應的基因進行改造，即對相應的基因進行定點誘變。2.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，有廣闊的發展前景。關于蛋白質工程的描述，正確的是（）A.由于需要對蛋白質直接改造，因此操作更難B.由于蛋白質不能遺傳，因此蛋白質工程的產物不能大量生產C.蛋白質工程也需要設計出相應的基因D.蛋白質工程在各個領域有廣泛應用【答案】C【解析】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，是在分子水平上對基因分子直接進行操作，A項錯誤；分子水平上對基因分子直接進行操作使其遺傳物質發生改變，可以遺傳給下一代，B項錯誤；蛋白質工程對基因分子直接進行操作，需要推測出應有的氨基酸序列，設計出相應的基因，C項正確；蛋白質工程的發展并不成熟，仍需一段時間提升，其目前并不能在各個領域廣泛應用，D項錯誤。3.蛋白質工程中，要對蛋白質結構進行設計改造，必須通過基因修飾或基因合成來完成，而不直接改造蛋白質的主要原因是（）A.缺乏改造蛋白質所必需的工具酶B.蛋白質中氨基酸的排列順序千變萬化，操作難度大C.人類對大多數蛋白質的高級結構知之甚少D.改造基因易于操作且改造后能夠遺傳【答案】D【解析】蛋白質工程應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質的改造，原因是：（1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過后蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接進行改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。（2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。4.下圖表示蛋白質工程的操作過程，相關說法不正確的是（）A.a、b過程分別是轉錄、翻譯B.蛋白質工程中對蛋白質分子結構的了解是非常關鍵的工作C.蛋白質工程是完全擺脫基因工程技術的一項全新的生物工程技術D.蛋白質工程中可能構建出一種全新的基因【答案】C【解析】a過程是以DNA的一條鏈為模板合成mRNA的轉錄過程，b過程是以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的多肽鏈的翻譯過程，A項