生物选修三蛋白质工程的崛起

一、蛋白质工程崛起的理由基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。天然蛋白质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。3、蛋白质工程产物：是自然界原本不存在的新的蛋白质。实例1：干扰素的保存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半胱氨酸变成丝氨酸，那么在—70℃的条件下，可以保存半年。

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白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？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：（1）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。（2）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。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？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。二、蛋白质工程的基本原理

中心法则的逆推

根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行分子设计。1、目标2、原理３、蛋白质工程的基本途径预期的蛋白质功能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苷酸序列（基因）讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—…（1）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。首先应该根据三联密码子推出mRNA序列，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。再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列。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

种。GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）mRNA序列脱氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)ATGTTT(或C)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）？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。二、蛋白质工程的基本原理蛋白质工程流程图基因DNA氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构预期蛋白质功能分子设计DNA合成4、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求。（第二代基因工程）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？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。5、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，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域。基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内，并在其中进行表达，它的产品是该基因编码的天然存在的蛋白质。基因工程蛋白质工程操作核心操作起点产品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二、蛋白质工程的基本原理1、目标

2、原理３、蛋白质工程的基本途径4、蛋白质工程的概念5、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1、科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。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。3、蛋白质工程目前成功的例子不多,原因是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福音。思考与探究：课本P281.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。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。通过蛋白质工程来提高重组β-干扰素专一活性和稳定性。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只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。研究发现，β-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β-干扰素的抗病性活性提高，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。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.基因工程是遵循中心法则，从DNA→mRNA→蛋白质→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→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。3.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。α-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；蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业；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功能的衰竭等。至于我们日常生活中所见到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的体现了。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而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等步骤。因此，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已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其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。课堂练习1.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白质进行改造

D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质A2.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A3.下列与基因工程无关的是()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mRNA碱基序列

()A.氨基酸的密码子