第四節蛋白質工程的原理和應用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？蛋白質工程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，是涉及多學科的綜合科技工程。隨著分子生物學、晶體學以及計算機技術的迅猛發展，蛋白質工程取得了很大的進展。目前，它已經成為研究蛋白質結構和功能的重要手段，并將廣泛應用于農業、醫藥工業和其他工業生產中。一、蛋白質工程崛起的緣由1、基因工程的實質2、蛋白質工程崛起的緣由3、實例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，這就是基因工程的實質。2、蛋白質工程崛起的緣由基因工程在原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質。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。3、實例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旁欄思考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。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？1、蛋白質工程的目標2、蛋白質工程的流程3、思考討論二、蛋白質工程的基本原理1、蛋白質工程的目標蛋白質工程的目標是根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計。蛋白質工程的手段：由于基因決定蛋白質，因此要對蛋白質的結構進行設計改造，最終還必須通過改造或合成基因來完成。2、蛋白質工程的流程天然蛋白質合成過程：按照中心法則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行使生物功能轉錄翻譯2、蛋白質工程的流程蛋白質工程的流程：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。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）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？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。學科交叉蛋白質工程經常要借助計算機來建立蛋白質的三維結構模型；要制備蛋白質晶體，然后通過X射線衍射技術，分析晶體結構；要用到基因的定點突變技術來進行堿基的替換。1、研發速效胰島素類似物2、醫藥工業方面的應用3、其他工業方面的應用4、農業方面的應用5、蛋白質工程的現狀與前景三、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2、醫藥工業方面的應用延長干擾素體外保存時間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、醫藥工業方面的應用降低人對小鼠單克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。3、其他工業方面的應用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。4、農業方面的應用科學家正在嘗試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。科學家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。5、蛋白質工程的現狀與前景蛋白質工程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。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。我們相信，隨著科學技術的深入發展，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。蛋白質食品的工廠化生產想象圖到社會中去酶制劑在食品工業、醫藥工業等方面都有廣泛的應用。現在，酶制劑的生產已經形成一個市場可觀的新興產業。蛋白質工程的應用又為酶制劑產業的發展提供了強大助力。請查閱資料，了解我國酶制劑產業發展的現狀和趨勢，分析蛋白質工程在酶制劑產業中的作用。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