第四節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用1、說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2、概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。3、舉例說明對現(xiàn)有蛋白質(zhì)的編碼基因進行改造，獲得人類所需要的

蛋白質(zhì)的過程。4、歸納總結(jié)蛋白質(zhì)工程和基因工程的區(qū)別與聯(lián)系。圖片呈現(xiàn)了用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。基因工程的實質(zhì):

將一種生物的

轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它

，進而表現(xiàn)出

。本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)基因新的性狀中心法則：最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白（自然界不存在）等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。綠色熒光蛋白基因基因工程的局限性：控制綠色熒光蛋白只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)思考：科學(xué)家如何對天然的綠色熒光蛋白進行改造？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由任務(wù)一：閱讀以下蛋白質(zhì)工程的實例，思考問題資料1：玉米中賴氨酸的含量由天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羥酸合成酶決定。科學(xué)家將天冬氨酸激酶中第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位的天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。資料2：干擾素在體外保存相當(dāng)困難，如果將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么在-70℃的條件下，干擾素可以保存長達半年。問題1：進行蛋白質(zhì)工程研究的意義是什么？通過蛋白質(zhì)工程可以改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。資料3：T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失活。科學(xué)家對T4溶菌酶耐熱性的結(jié)構(gòu)進行研究，并以此為依據(jù)對相關(guān)基因進行了改造，使T4溶菌酶的第3號異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷Ｓ谑窃诎腚装彼崤c第97位的半胱氨酸形成了一個二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。問題2：如何改造？蛋白質(zhì)工程操作的對象是什么？蛋白質(zhì)是由基因決定的，基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳。操作方法及對象：改造或合成基因問題3：為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？二、蛋白質(zhì)工程的基本原理任務(wù)二：請根據(jù)資料3，總結(jié)科學(xué)家改造T4溶菌酶的思路。資料3：T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失活。科學(xué)家對T4溶菌酶耐熱性的結(jié)構(gòu)進行研究，并以此為依據(jù)對相關(guān)基因進行了改造，使T4溶菌酶的第3號異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷Ｓ谑窃诎腚装彼崤c第97位的半胱氨酸形成了一個二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。T4溶菌酶耐熱性升高推測折疊改造或合成翻譯轉(zhuǎn)錄耐熱性T4溶菌酶的結(jié)構(gòu)耐熱T4溶菌酶mRNA耐熱T4溶菌酶氨基酸的序列（第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼幔┠蜔酺4溶菌酶基因設(shè)計基于以上思路，總結(jié)蛋白質(zhì)工程的原理：預(yù)期功能蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))多肽鏈目的基因mRNA設(shè)計推測改造或合成行使折疊翻譯轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)工程是中心法則的逆推ABCD建構(gòu)概念蛋白質(zhì)工程的概念：

以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。

T4溶菌酶中某多肽鏈的一段氨基酸序列如下：問題1：怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。mRNA序列為：AUGUGG

AUU（或C或A）UGU（或C）DNA序列為：TACACCTAA（或G或T）

ACA（或G）ATGTGGATT（或C或A）

TGT（或C）思考·討論

蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用查密碼子表得知：甲硫氨酸（AUG）、色氨酸(UGG)、異亮氨酸(AUU、AUC、AUA）、半胱氨酸（UGU、UGC）。任務(wù)三：蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用甲硫氨酸色氨酸半胱氨酸異亮氨酸問題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，從而使T4溶菌酶的第3號異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼幔浚靠梢匀斯ず铣赡康幕蚧驈幕蛭膸熘蝎@取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。甲硫氨酸色氨酸半胱氨酸異亮氨酸

T4溶菌酶中某多肽鏈的一段氨基酸序列如下：通過蛋白質(zhì)工程使T4溶菌酶的第3號異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷NA序列為：TACACCTAA（或G或T）

ACA（或G）ATGTGGATT（或C或A）

TGT（或C）1.研發(fā)速效胰島素類似物天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計結(jié)構(gòu)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三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長保存時間設(shè)計結(jié)構(gòu)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

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

小鼠單克隆抗體會使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)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(yīng)醫(yī)學(xué)問題:解決辦法:4.其他應(yīng)用①改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；②改造某些參與調(diào)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(chǎn)量；③設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，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(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)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(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)5.面臨的困難：蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程；主要原因：

蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜由計算機建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型6.前景展望：

科學(xué)家要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。思考為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？①蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳；到社會中去-------學(xué)以致用新冠病毒（COVID-19）通過刺突蛋白（S蛋白）的活性域（RBD）與人體細(xì)胞表面的ACE2受體（一種蛋白質(zhì)）相互作用，入侵到細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致人感染“新冠肺炎”。有沒有辦法可以干擾新冠病毒入侵人體細(xì)胞呢？科學(xué)家成功設(shè)計了一種自然界不存在的全新蛋白質(zhì)LCB1，讓它與新冠病毒S蛋白的RBD緊密結(jié)合，實現(xiàn)了干擾新冠病毒入侵人體細(xì)胞的目的。項目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對象操作起點操作流程結(jié)果實質(zhì)聯(lián)系基因基因預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→找到并改變對應(yīng)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(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過改造或合成基因來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新的性狀①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因任務(wù)四：蛋白質(zhì)工程和基因工程比較是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程如何區(qū)分蛋白質(zhì)工程與基因工程？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由：

基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理：

預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法，錯誤的是(

)A.蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要B.蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改變分子結(jié)構(gòu)C.蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子D.蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又稱為第二代基因工程B2.下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：（1）代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是_____；代表中心法則內(nèi)容的是________。(填寫數(shù)字)（2）寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容：①______；②______；③______；④______；⑤_