5.1.4 蛋白质工程的崛起

Word文档下载后可自行编辑16/165.1.4蛋白质工程的崛起专题1第4节

人教版生物（高中）

蛋白质工程的崛起

基因工程的实质：

将一种生物的?????????转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产的???????，进而表现出??。

基因

蛋白质

新的性状

1

课堂导入

一、蛋白质工程崛起的缘由

1

基因工程的局限性：

a、基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质

b、天然蛋白质不一定完全符合类

生产和生活的需要

2

蛋白质工程的目的：

生产符合人们生活需要的、自然界中没有的蛋白质

阅读P26第二自然段思考：

科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸的产量上面临什么样的问题？如何解决这些问题？

一、蛋白质工程崛起的缘由

例如：

改造

干扰素（半胱氨酸）

体外很难保存

干扰素（丝氨酸）

体外可以保存半年

玉米中赖氨酸含量比较低

天冬氨酸激酶

（352位的苏氨酸）

二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）

天冬氨酸激酶

（异亮氨酸）

二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）

玉米中赖氨酸含量可提高数倍

改造

改造

问题1：

解决：

蛋白质功能

不能满足需求

改变蛋白质的结构

半胱氨酸

体外很难保存

？如何改造

丝氨酸

体外可以保存半年

问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？

干扰素

干扰素（改）

思考与讨论思考与讨论

(你认为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？能否说出你的理由？)

答：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：

（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。

（基因改造—可遗传；蛋白质改造—不可遗传）

（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。

半胱氨酸

体外很难保存

丝氨酸

体外可以保存半年

问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改造后的该部分序列吗？

（半胱氨酸：UGU；丝氨酸：UCU）

干扰素

干扰素（改）

思考与讨论思考与讨论

二、蛋白质工程的基本原理

中心法则

回顾

DNA

RNA

蛋白质

转录

翻译

逆转录

复制

蛋白质

三维结构

氨基酸序列

多肽链

基因

DNA

mRNA

生物

功能

转录

翻译

折叠

蛋白质的合成过程

蛋白质工程的流程

基因

DNA

氨基酸序列

多肽链

蛋白质

三维结构

预期功能

生物功能

mRNA

转录

翻译

折叠

DNA合成

分子设计

天然蛋白质的合成途径：

基因表述（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽

链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能

预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测

应有的氨基酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列酸

蛋白质工程的途径：

二、蛋白质工程的基本原理

蛋白质工程的主要步骤通常包括：

（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；

（2）测定其氨基酸序列；

（3）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结构和三维晶体结构;

（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；

（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；

（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。

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。

mRNA序列为：

GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）

脱氧核苷酸序列：

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）？

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。

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，以满足人类对生产和生活的需求。

了解蛋白质的结构和功能

改造基因（基因修饰或基因合成）

前提：

途径：

目的：

定向改造或制造蛋白质，满足人类的生产或生活的需要

蛋白质工程的概念P27

三、蛋白质工程的进展和前景

进展

前景

胰岛素速效型药品

制作电子元件

应用于微电子方面：

具有、耗电少和的特点

体积小

效率高

蛋白质

工程现状

蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。

对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。

天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。

蛋白质改造工程的实例：

项目

基因工程

蛋白质工程

操作起点

操作核心

过程

目标

结果

联系

目的基因

预期的蛋白质功能

基因表述载体

基因

获取目的基因→

构建表述载体→

导入受体细胞→

目的基因的检测与表述

预期蛋白质功能→

设计蛋白质结构→

推测氨基酸序列→

推测核苷酸序列→

合成DNA→表述出蛋白质

定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或产品

定向改造或生产

人类所需的蛋白质

生产自然界中已有的蛋白质

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。

生产自然界没有的蛋白质

比较基因工程和蛋白质工程

1、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。2003年，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。

四、知识拓展

“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。

2、你知道酶工程吗?绝大多数酶都是蛋白质，酶工程和蛋白质工程有什么区别？

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。（如加酶洗衣粉）

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。

小结

1、蛋白质工程崛起的缘由

2、蛋白质工程的原理：

中心法则的逆推

预期的蛋白质功能出发

推测应有的氨基酸序列

设计预期的蛋白质结构

找到相应的脱氧核苷酸序列

3、蛋白质工程的进展和前景

练习检测

1．蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）

Ａ．氨基酸结构B．蛋白质空间结构

C．肽链结构D．基因结构

Ｄ

2、蛋白质工程的基本流程正确的是（）

①蛋白质分子结构设计②DNA合成

③预期蛋白质功能④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列

A.①→②→③→④B.④→②→①→③C.③→①→④→②D.③→④→①→②

C

3．[15·全国卷Ⅱ]已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答：

(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的进行改造。

(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰______基因或合成_____基因。所获得的基因表述时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：

。

(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过和_______________，进而确定相对应的脱