1.4蛋白质工程的崛起

1、选彳3现代生物科技专题学案专题1基因工程1.4蛋白质工程的崛起学习目标1 .举例说出蛋白质工程崛起的缘由。(重点)2 .简述蛋白质工程的原理。(重点、难点)3 .尝试运用逆向思维分析和解决问题。导学脉络美国科学家厄尔默于 1983年首次提出了 “蛋白质工程”，随即被广泛接受和采用。随着分子生物学、 晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程已取得很大的发展。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关系？我国科学家承担了什么任务？及6提示：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命 题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织

2、正式提出启动了两项重大国际合作行动： 一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划”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，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，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。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。一、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质及不足(1)

3、实质：将一种生物的 土瓦转移到另一种生物体内，使后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。(2)不足：基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。2.蛋白质工程崛起的缘由天然蛋白质不能满足人类生产和生活的需求。天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。若不能直接满足人类需要，就必须人为对其进行改造，蛋白质工程从而崛起。3.蛋白质工程的成果(1)干扰素的体外保存:干扰素是动物体内的一种蛋白质，可治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存 相当困难，经过蛋白质工程改造(将干扰素第17位的半胱氨酸变成丝氨酸)后，可使其在

4、-70c条件下保存半年。(2)富含赖氨酸的玉米新品种的培育:玉米体内赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两 个关键酶天冬氨酸激酶和二氢口比咤二竣酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸 浓度达到一定量时，就会抑制这两种酶的活性，从而影响赖氨酸含量的提高，经过蛋白质工程改造(将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢口比咤二竣酸合成酶中104位的天冬酰胺变成异亮氨酸)这两种酶后，分别使赖氨酸的含量提高了5倍和2倍。(3)许多工业用酶也是在改变天然酶的活性后,才使之适应生产和使用需要的。旁栏思考题 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

5、对基因的操 作来实现？ P26答案：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：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，而且改造过的蛋白 质可以遗传下去。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遗传的。对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。二、蛋白质工程的基本原理1 .概念：蛋白质工程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,通过基因修饰或 基因合成，对现有蛋白质 进行改造,或制造一种 新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需要。 基因工程 是其中的关键技术，因此蛋白质工程是在基因工程的

6、基础上延伸出来的第二代基因工程。对蛋白质工程概念的理解：基础：蛋白质分子的 结构规律 及其与生物功能的关系。手段：通过 基因修饰 或基因合成，对现有蛋白质 进行改造,或制造一种 新的蛋白质。特别提醒 改造蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。目的：获得满足人类生产和生活需要的蛋白质。2 .基本原理：基因改造，即由预期的蛋白质创造出适合人类需求的新基因。根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，但因为基因决定蛋白质，因此对蛋 白质的结构进行设计改造，归根到底还需对相应的基因进行操作，按要求进行修饰加工改造，使其能控制 合成人类需要的、并非自然界已经存在的蛋白质。

7、3 .基本途径（1）蛋白质工程的流程（P27图1-29）天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因一表达（转录和翻译）一形成特定氨基酸序列的多肽链一形成具有高级结构的蛋白质一行使生物功能；而蛋白质工程与之相反，它的基本途径是：从预期的 蛋白质功能出发一设计预期的蛋白质结构 -推测应有的 氨基酸序列-找到相对应的 脱氧核甘酸序列（基因）。蛋白质工程基因DNADNA合成翻译氨基酸序列多肽链分子设计折叠蛋白质 三维结构预期功能 生物功能蛋白质合成过程（中心法则）图1-29蛋白质工程流程图（2）实施方法通过改变蛋白质肽链中的个别氨基酸或一段氨基酸序列，可以实现对蛋白质的改造。改变蛋白质肽链中个别氨

8、基酸时，通常采用定点诱变技术，从而获得人类所需要的目的蛋白质。讨论 某多肽链的一段氨基酸序列是： 丙氨酸一色氨酸一赖氨酸一甲硫氨酸一苯丙氨酸一 P27 1.怎样得出决定这段肽链的脱氧核甘酸序列？请把相应的碱基序列写出来。答案：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表，就可以将上述氨基酸序列的 编码序列查出来。但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 组合起来就比较复杂，至少可以排列出16种，可以让学生根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出 mRNA序列为GCU （或C或A或G） UGGAAA （或G） AUGUUU （或C

9、）,再根据 碱基互补配对规律推出脱氧核甘酸序列：CGA （或G或T或C） ACCTTT （或C） TACAAA （或G）。2.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（DNA）?答案：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，通过人工合成的方法或从基因 库中获取。异想天开 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，让细菌生产 人类所需要的蛋白质食品呢？ P27提示：理论上讲可以，但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。主要原因是蛋白质 的高级结

10、构非常复杂，人类对蛋白质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用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。三、蛋白质工程的主要步骤蛋白质工程的内容主要有两个方面：一是根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；二 是确定蛋白质的化学组成及空间结构与生物功能之间的关系。在此基础上，实现从氨基酸序列预测蛋白质 的空间结构和生理功能，设计合成具有特定生理功能的全新蛋白质。而氨基酸的排列顺序由基因决定，所 以还需要改造控制蛋白质合成的相应基因中的脱氧核甘酸序列或人工合成所需要的自然界原来不存在的 基因片段，用于蛋白质工程。实施蛋白质

11、工程的前提条件是了解蛋白质的结构和功能之间的关系。利用X射线衍射法可测定蛋白质分子的三维空间结构，利用核磁共振可了解蛋白质的构象。蛋白质工程操作的主要步骤包括：从生物体中分离纯化目的蛋白；测定其氨基酸序列；借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构；设计各种处理条件,了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠凳，对其活性与功能的影响；设计编码蛋白质的基因改造方 案，如点突变；分离、纯化新蛋白质，功能检测后投入实际使用。对蛋白质的改造可以分为三类：第一类为“大改”，即制造出自然界中不存在的全新蛋白质；第二类 为“中改”，即在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构

12、域；第三类为“小改”，即改造蛋白质分 子中的几个氨基酸的残基。基因的定点诱变技术是改造蛋白质结构的核心技术之一。四、蛋白质工程的进展和前景1 .蛋白质工程的进展向人们展示出诱人的前景，如通过对胰岛素的改造，使其成为一种速效性药品。小资料胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时 间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此，治疗效果受到影响。2 .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，用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有 体积小、耗电少和效率高的特点,具有极为广阔的发展前景。（前景诱人）3 .目前科学家对大多数蛋白质的 高级结构的了

13、解还很不够,要设计出更符合人类需要的蛋白质还需要 经过艰辛的探索。（难度很大）蛋白质工程和基因工程的关系比较蛋白质工程基因工程区 别过程从预期的蛋白质功能出发一设计预期的蛋白质 结构一推测应有的氨基酸序列一找到相对应的 脱氧核甘酸序列（基因）目的基因的获取一基因表达载体的构建一将目 的基因导入殳体细胞一目的基因的检测与鉴定目的定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传性状，获得人类所需的生 物类型或生物产品结果P可生产自然界没有的蛋白质原则上只能生产自然界已存在的蛋白质应用 及 现状主要集中在对现有蛋白质进行改造，如伊干扰素、天冬氨酸激酶和二氢口比咤二竣酸合成酶等。对创造新的蛋白质还启许

14、多技术难题未矢破， 目前还没后真止成功的例子，原因是蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少已被广泛应用，转基因植物、动物、药品生产 等已商业化，但基因治疗仅处于实验阶段，未 实践应用联系蛋白质工程师在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因修饰或基因合成实现。基因工程能为蛋白质工程提供理论及技术支持，蛋白质工程可对基因工程中所需的某些酶进行修饰、改造，使之更符合需要。思考与探究 P281 .蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？提示：蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质分子 的精确立体结构及其复杂的生物功能

15、的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以 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。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产， 这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的 反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶 的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。 下面举一个如何通过蛋白质工程来

16、提高重组3干扰素专一活性和稳定性的例子。干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达， 产生的干扰素的抗病毒活性为 106 U/mg, 只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的3干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，伊干扰素蛋白质中有 3个半胱氨酸（第17位、31位和141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。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的伊干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg,并且比天然伊干扰素的贮存稳定性高很多。在基础理论

17、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 示生命现象的本质和生命活动的规律。2 .蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？答案：基因工程是遵循中心法则，从DNA-mRNA 一蛋白质一折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能一蛋白质应有的高级结构一蛋 白质应具备的折叠状态一应有的氨基酸序列一应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。3 .你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？提示：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 断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工 程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。”-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个