生物选修三蛋白质工程的崛起

1、实例实例1 1：干扰素的保存：干扰素的保存 天然的干扰素在体外保存相当困难。天然的干扰素在体外保存相当困难。 如果将其分子上的一个如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸半胱氨酸变成丝氨酸，那么，那么 在在7070的条件下，可以保存半年的条件下，可以保存半年。 蛋白质工程实例：蛋白质工程实例： 思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋 白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？ 应该应该从对基因的操作来实现从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，对天然蛋白质改造， 主要原因如下：主要原因如下： （

2、1 1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的， 改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过改造过 的蛋白质可以遗传下去的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，。如果对蛋白质直接改造， 即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法 遗传的。遗传的。 （2 2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容容 易操作，难度要小得多易操作，难度要小得多。 旁栏思考题旁栏思考题 你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工

3、程有什么 关系？我国科学家承担了什么任务？关系？我国科学家承担了什么任务？ 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后， 生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学 命题。命题。20012001年，国际人类蛋白质组组织宣告年，国际人类蛋白质组组织宣告 成立。之后，该组织正式提出启动了两项重成立。之后，该组织正式提出启动了两项重 大国际合作行动：一项是由大国际合作行动：一项是由中国科学家中国科学家牵头牵头 执行的执行的“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”；另一项；另一项 是以美国科学家牵头执行的是以美国科学家牵头执行的

4、“人类血浆蛋白人类血浆蛋白 质组计划质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划，由此拉开了人类蛋白质组计划 的帷幕。的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人是国际上第一个人 类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福 初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的 重大国际科研协作计划，总部设在北京，目重大国际科研协作计划，总部设在北京，目 前有前有1616个国家和地区的个国家和地区的8080多个实验室报名参多个实验室报名参 加。它的加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白 质质，

5、为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研 发的突破提供重要的科学基础。发的突破提供重要的科学基础。 人类蛋白质组计划的深入研究将人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质是对蛋白质 工程的有力推动和理论支持工程的有力推动和理论支持。 中心法则的逆推中心法则的逆推 根据人们对蛋白质功能的特根据人们对蛋白质功能的特 定需求定需求, ,对蛋白质的结构进行分子设计。对蛋白质的结构进行分子设计。 1、目标、目标 2、原理、原理 、蛋白质工程的基本途径、蛋白质工程的基本途径 预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能 设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列推测应有的氨

6、基酸序列 找到相对应的脱氧核苷酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（基因） 讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸丙氨酸 色氨酸色氨酸赖氨酸赖氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸 （1 1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？ 请把相应的碱基序列写出来。请把相应的碱基序列写出来。 首先应该根据三联密码子推出首先应该根据三联密码子推出mRNAmRNA序列，序列，每种氨基每种氨基 酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子 表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。

7、表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。 再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列。但。但 是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三 联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复 杂，至少可以排列出杂，至少可以排列出 种种。 GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C） mRNAmRNA序列序列 脱氧核苷酸脱氧核苷酸 序列序列GCT (GCT (或或C C或或A A或或G) T

8、GGAAA (G) TGGAAA (或或G)ATGTTT (G)ATGTTT (或或C)C) CGA (CGA (或或G G或或T T或或C) ACCTTTC) ACCTTT（或（或C)TACAAA (C)TACAAA (或或G)G) （2 2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才）确定目的基因的碱基序列后，怎样才 能合成或改造目的基因（能合成或改造目的基因（DNADNA）？）？ 确定目的基因的碱基序列后，就可以根据确定目的基因的碱基序列后，就可以根据 人类的需要改造它，通过人类的需要改造它，通过人工合成的方法人工合成的方法 或从基因库中获取。或从基因库中获取。 蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图

9、基因基因 DNA 氨基酸序列氨基酸序列 多肽链多肽链 蛋白质三蛋白质三 维结构维结构 预期蛋白预期蛋白 质功能质功能 分子设计分子设计 DNA合成 合成 4、蛋白质工程的概念：、蛋白质工程的概念： 是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关 系作为基础，系作为基础，通过基因修饰或基因合成通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质，对现有蛋白质 进行改造进行改造,或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和 生活的需求。生活的需求。（第二代基因工程） 异想天开异想天开: :能不能根据人类需要的蛋白质的结能不能根据人类需要

10、的蛋白质的结 构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，构，设计相应的基因，导入合适的细菌中， 让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以理论上讲可以，但，但目前还没有真正成功的例子目前还没有真正成功的例子。 一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往 都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人 工设计出来而自然不存在的蛋白质。工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因主要原因 是蛋白质的高级结构非常复杂是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质，人类对蛋白质 的高级结构和在生物体内

11、如何行使功能知之甚的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚 少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作 用的蛋白质，而且用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什一个崭新的蛋白质会带来什 么危害也是人们所担心的么危害也是人们所担心的。 5 5、蛋白质工程与基因工程的关系、蛋白质工程与基因工程的关系 蛋白质工程是在基因工程的基础上蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸，延伸 出来的出来的第二代基因工程第二代基因工程，是包含多学科的，是包含多学科的 综合科技工程领域。综合科技工程领域。 基因工程基因工程是通过基因操作把外源基因转入是通过基因操作把外源基因转入 适当

12、的生物体内，并在其中进行表达，它适当的生物体内，并在其中进行表达，它 的产品是的产品是该基因编码的该基因编码的天然存在的蛋白质天然存在的蛋白质。 基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程 操作核心操作核心 操作起点操作起点 产品产品 实质实质 基因基因 目的基因 预期的蛋白质 功能 天然存在 的蛋白质 自然界不存 在的蛋白质 改造基因转移基因 1、目标、目标 2、原理、原理 、蛋白质工程的基本途径蛋白质工程的基本途径 4、蛋白质工程的概念、蛋白质工程的概念 5、蛋白质工程与基因工程的关系、蛋白质工程与基因工程的关系 三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景 1 1、科学家通过对胰岛素的

13、改造，已使其成、科学家通过对胰岛素的改造，已使其成 为速效型药品。为速效型药品。 2 2、生物和材料科学家正积极探索将蛋白质、生物和材料科学家正积极探索将蛋白质 工程应用于微电子方面。工程应用于微电子方面。 3 3、蛋白质工程目前成功的例子不多蛋白质工程目前成功的例子不多, ,原因是原因是 对蛋白质的高级结构了解不够。但随着科学对蛋白质的高级结构了解不够。但随着科学 技术的深入发展，它将会给人类带来更多的技术的深入发展，它将会给人类带来更多的 福音。福音。 思考与探究思考与探究 ：课本：课本P28P28 1.1.蛋白质工程的崛起主要蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础是工业生产和基础 理论研究

14、的需要理论研究的需要。 结构生物学结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体对大量蛋白质分子的精确立体 结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设 计改造天然蛋白质提供了蓝图。计改造天然蛋白质提供了蓝图。 分子遗传学分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作的以定点突变为中心的基因操作 技术为蛋白质工程提供了手段。技术为蛋白质工程提供了手段。 通过蛋白质工程来通过蛋白质工程来提高重组提高重组-干扰素专一活性干扰素专一活性 和稳定性和稳定性。干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。 将人的干扰素的将人的干扰素的cDNAcDNA在大肠杆菌中进行表

15、达，产在大肠杆菌中进行表达，产 生的干扰素的抗病毒活性只相当于天然产品的十生的干扰素的抗病毒活性只相当于天然产品的十 分之一，虽然在大肠杆菌中合成的分之一，虽然在大肠杆菌中合成的-干扰素量干扰素量 很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。研很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。研 究发现，究发现，-干扰素蛋白质中有干扰素蛋白质中有3 3个半胱氨酸（第个半胱氨酸（第 1717位、位、3131位和位和141141位），推测可能是有一个或几位），推测可能是有一个或几 个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将 第第1717位的半胱氨酸，通过位的半胱氨酸，通

16、过基因定点突变基因定点突变改变成丝改变成丝 氨酸，结果使大肠杆菌中生产的氨酸，结果使大肠杆菌中生产的-干扰素的抗干扰素的抗 病性活性提高，并且比天然病性活性提高，并且比天然-干扰素的贮存稳干扰素的贮存稳 定性高很多。定性高很多。 在基础理论研究方面，蛋白质工程是在基础理论研究方面，蛋白质工程是 研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白 质折叠、蛋白质分子设计等一系列分质折叠、蛋白质分子设计等一系列分 子生物学基本问题的一种新型的、强子生物学基本问题的一种新型的、强 有力的手段。通过对蛋白质工程的研有力的手段。通过对蛋白质工程的研 究，可以深入地揭示生命现象的本质究，可以

17、深入地揭示生命现象的本质 和生命活动的规律。和生命活动的规律。 2.2.基因工程基因工程是遵循中心法则，是遵循中心法则， 从从DNAmRNADNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能折叠产生功能， 基本上是基本上是生产生产出出自然界已有的蛋白质自然界已有的蛋白质。 蛋白质工程是按照以下思路进行的：蛋白质工程是按照以下思路进行的： 确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级蛋白质应有的高级 结构结构蛋白质应具备的折叠状态蛋白质应具备的折叠状态应有应有 的氨基酸序列的氨基酸序列应有的碱基排列，应有的碱基排列，可以可以 创造自然界不存在的蛋白质创造自然界不存在的蛋白质。 3.3.酶工程就是指将酶所

18、具有的生物催化作用，借助酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助 工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环 境保护等方面的一门科学技术。境保护等方面的一门科学技术。 概括地说，酶工程是由概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用酶制剂的生产和应用两方面两方面 组成的。酶工程的应用主要集中于组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工食品工业、轻工 业以及医药工业业以及医药工业中。中。 -淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶 连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生产出高果糖浆；连续作用于淀粉，就可以代替蔗糖生

19、产出高果糖浆； 蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；固定化酶固定化酶 还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些 功能的衰竭等。至于我们日常生活中所见到的功能的衰竭等。至于我们日常生活中所见到的加酶加酶 洗衣粉、嫩肉粉洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的体现了。等，就更是酶工程最直接的体现了。 通常所说的通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂酶工程是用工程菌生产酶制剂，而，而 没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然 后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列后由酶的分子结构

20、来确定相应基因的碱基序列 等步骤。因此，等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的酶工程的重点在于对已存酶的 合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对 已存在的蛋白质分子的改造。已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着当然，随着蛋白蛋白 质工程质工程的发展，其的发展，其成果也会应用到酶工程中，成果也会应用到酶工程中， 使酶工程成为蛋白质工程的一部分使酶工程成为蛋白质工程的一部分。 课堂练习 1.以下关于蛋白质工程的说法正确的是（以下关于蛋白质工程的说法正确的是（ ） A、蛋白质工程以基因工程为基础 B、蛋白质工程就是酶工程的延伸 C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋

21、白质进行 改造 D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 A 2.某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中 的蛋白酶的结构和功能很相似，只有对热的蛋白酶的结构和功能很相似，只有对热 稳定性较差，进入人体后容易失效。现要稳定性较差，进入人体后容易失效。现要 将此酶开发成一种片剂，临床治疗食物的将此酶开发成一种片剂，临床治疗食物的 消化不良，最佳方案是消化不良，最佳方案是 ( ) A.对此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功 能 B.将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋 白酶 C.重新设计与创造一种全新的蛋白酶 D.减少此酶在片剂中的含量 A 3.下列与基因工程无关的是下列与

22、基因工程无关的是( ) A.培养利用“工程菌”生产胰岛素 B.基因治疗 C.蛋白质工程 D.杂交育种 4.已知氨基酸序列如何确定已知氨基酸序列如何确定mRNA碱基序碱基序 列列 ( ) A.氨基酸的密码子 B.基因碱基对序列 C.mRNA上U的位置 D.tRNA序列 D A 5. 蛋白质工程的基本流程正确的是蛋白质工程的基本流程正确的是( ) 蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计 DNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A. B. C. D. C 思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋思考：对天然蛋白质进行改造，你认为

23、应该直接对蛋 白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？ 应该应该从对基因的操作来实现从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，对天然蛋白质改造， 主要原因如下：主要原因如下： （1 1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的， 改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过改造过 的蛋白质可以遗传下去的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，。如果对蛋白质直接改造， 即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法 遗传的。遗传的。 （2 2）

24、对基因进行改造比对蛋白质直接改造要）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容容 易操作，难度要小得多易操作，难度要小得多。 蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图 基因基因 DNA 氨基酸序列氨基酸序列 多肽链多肽链 蛋白质三蛋白质三 维结构维结构 预期蛋白预期蛋白 质功能质功能 分子设计分子设计 DNA合成 合成 4、蛋白质工程的概念：、蛋白质工程的概念： 是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关 系作为基础，系作为基础，通过基因修饰或基因合成通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质，对现有蛋白质 进行改造进行改造,或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和或

25、制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和 生活的需求。生活的需求。（第二代基因工程） 异想天开异想天开: :能不能根据人类需要的蛋白质的结能不能根据人类需要的蛋白质的结 构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，构，设计相应的基因，导入合适的细菌中， 让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以理论上讲可以，但，但目前还没有真正成功的例子目前还没有真正成功的例子。 一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往 都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人 工设计出来而自然不存在的蛋白质。工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因主要原因 是蛋白质的高级结构非常复杂是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质，人类对蛋白质 的