專題1基因工程∮1.4蛋白質工程的崛起1.4蛋白質工程的崛起蛋白質工程崛起的緣由要想讓一種生物的性狀在另一種生物中表達，在種內可以用常規(guī)雜交育種的辦法實現，但要使有生殖隔離的種間生物實現基因交流，就顯得力不從心了。基因工程的誕生，為克服遠緣雜交的障礙問題，帶來了新的希望。于是取得了豐碩成果：大腸桿菌為人類生產出了胰島素，牛的乳腺生物反應器為人類制造出了蛋白質類藥物，煙草植物體內含有了某種藥物蛋白……至此，人們也只是實現了世界上現有基因在轉基因生物中的表達。但一個新問題出現了，生物產生的天然蛋白質是在長期進化過程中形成的，它的結構、性能不能完全滿足人類生產和生活的需要。

1.4蛋白質工程的崛起一、蛋白質工程崛起的緣由基因工程只能生產自然界已存在的蛋白質。天然蛋白質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。1.4蛋白質工程的崛起

例如，干擾素是動物體內的一種蛋白質，可以用于治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當困難。如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，則在-70℃可保存半年。玉米中賴氨酸含量比較低，原因是賴氨酸濃度達到一定時會抑制賴氨酸合成過程中的兩個關鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，所以賴氨酸含量很難提高。如果將天冬氨酸激酶第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬氨酰變成異亮氨酸，可使玉米葉片和種子中游離的賴氨酸含量分別提高5倍和2倍。1.4蛋白質工程的崛起改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數倍改造改造1.4蛋白質工程的崛起

在已研究過的幾千種酶中，只有極少數可以應用于工業(yè)生產，絕大多數酶都不能應用于工業(yè)生產，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產中沒有活性或活性很低。這是因為工業(yè)生產中每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數酶會很快變性失活。提高蛋白質的穩(wěn)定性是工業(yè)生產中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質的穩(wěn)定性包括：提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。1.4蛋白質工程的崛起

P26

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中的一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該組織正是提出啟動兩項重大國際合作行為：一項是有中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質組計劃”。1.4蛋白質工程的崛起

“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的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區(qū)的80多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎。人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。1.4蛋白質工程的崛起二、蛋白質工程的基本原理

P26對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？1、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分子設計。1.4蛋白質工程的崛起答：毫無疑問應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質改造，主要原因如下：（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，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，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。基因決定蛋白質1.4蛋白質工程的崛起逆轉錄轉錄DNARNA翻譯肽鏈復制復制具有高級結構的蛋白質行使生物功能天然蛋白質的合成過程遵循中心法則，并需經過高級空間結構的轉變1.4蛋白質工程的崛起蛋白質的一級結構

蛋白質的結構

1.4蛋白質工程的崛起蛋白質的結構

蛋白質的二級結構是指蛋白質分子中多肽鏈本身的折疊方式。1.4蛋白質工程的崛起溶菌酶分子的三級結構胰島素的三級結構蛋白質的結構

1.4蛋白質工程的崛起血紅蛋白質的四級結構

血紅蛋白分子就是由二個由141個氨基酸殘基組成的α亞基和二個由146個氨基酸殘基組成的β亞基按特定的接觸和排列組成的一個球狀蛋白質分子，每個亞基中各有一個含亞鐵離子的血紅素輔基。蛋白質的結構

1.4蛋白質工程的崛起二、蛋白質工程的基本原理3.原理中心法則的逆推4.過程設計蛋白質結構預期蛋白質功能推測應有的氨基酸序列找到相應的脫氧核苷酸序列（基因）2.實質：

改造基因1.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分子設計。基因決定蛋白質1.4蛋白質工程的崛起P27----某多肽的一段氨基酸序列是：．．．—丙氨酸－色氨酸－賴氨酸－甲硫氨酸－苯丙氨酸-．．．討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？寫出相應的堿基．丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG賴氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUC2、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（DNA）？1.4蛋白質工程的崛起（1）mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）

脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）（2）確定目的基因的堿基序列后，就可以根據人類的需要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取。1.4蛋白質工程的崛起5、概念：

蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。

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。1.4蛋白質工程的崛起蛋白質工程的內容主要有兩方面：①根據需要設計具有特定氨基酸序列和空間結構的蛋白質②而氨基酸排序由基因決定，所以還需要改造相應基因中脫氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用于蛋白質工程。1.4蛋白質工程的崛起

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，導入合適的細菌中，讓細菌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。一些報道利用細菌生產人類需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。

1.4蛋白質工程的崛起三、蛋白質工程的進展和前景1、蛋白質工程的誕生是有其理論與技術條件的，它是隨著分子生物學、晶體學以及計算機技術的發(fā)展而誕生的，與基因組學、蛋白質組學、生物信息學的發(fā)展等因素有關。

1.4蛋白質工程的崛起速效胰島素天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基酸殘基結構所致。利用蛋白質工程技術改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實驗。1.4蛋白質工程的崛起如今，生物和材料科學家正積極探索將蛋白質工程應用于微電子方面。用蛋白質工程方法制成的電子元件，具有體積小、耗電少和效率高的特點，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。

蛋白質分子比硅晶片上電子元件要小得多，彼此相距甚近，生物計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。DNA分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液，可存儲1萬億億的二進制數據。DNA計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白質分子，所以生物計算機既有自我修復的功能，又可直接與生物活體相聯(lián)。預計10～20年后，DNA計算機將進入實用階段。

1.4蛋白質工程的崛起三、蛋白質工程的進展和前景1.進展胰島素速效型藥品

2.前景制作電子元件：體積小，耗電少，效率高3.現狀成功的例子不多，蛋白質的功能主要依賴于其正確而又極其復雜的高級結構，目前科學家對大多數蛋白質的高級結構了解還不夠，要設計出更加符合人類需求的蛋白質換需經過艱辛的探索。1.4蛋白質工程的崛起P29----2.蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質。1.4蛋白質工程的崛起P28---3你知道酶工程嗎？絕大多數酶都是蛋白質，酶工程與蛋白質工程有什么區(qū)別？

酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一門科學技術。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產和應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重點則在于對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發(fā)展，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。1.4蛋白質工程的崛起蛋白質工程與基因工程的比較項目蛋白質工程基因工程區(qū)別過程預期蛋白質功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→推測相對應的脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質獲取目的基因→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實質定向改造或生產人類所需蛋白質定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類所需的生物類型或生物產品結果生產自然界沒有的蛋白質一般是生產自然界已有的蛋白質聯(lián)系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。因為對現有蛋白質的改造或制造新的蛋白質,必須通過基因修飾或基因合成實現1.4蛋白質工程的崛起一、蛋白質工程崛起的理由基因工程只能生產自然界已存在的蛋白質。天然蛋白質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。小結1.4蛋白質工程的崛起一、蛋白質工程崛起的緣由滿足人類生產和生活的需要例如：改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數倍改造改造小結1.4蛋白質工