第三节 蛋白质工程

第三节蛋白质工程蛋白质工程崛起的缘由1、基因工程的应用（1）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。（2）基因工程的不足：蛋白质工程崛起的缘由1、基因工程的应用2、天然蛋白质的不足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。蛋白质工程崛起的缘由1、基因工程的应用2、天然蛋白质的不足3、蛋白质工程的目的生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质。满足人类生产和生活的需要例如：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106U/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β-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，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到108U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。满足人类生产和生活的需要又如：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一、蛋白质工程的概念1.概念:

蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构和功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。基因工程是其中的关键技术,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。基础:实质：途径:目标:了解蛋白质的结构和功能的关系基因修饰或基因合成改造或制造新的蛋白质，满足人类的生产或生活的需要是对编码蛋白质的基因进行改造一、蛋白质工程的概念2.理解转录DNAmRNA翻译肽链折叠等具有空间结构的蛋白质表达生物特有的功能或性状天然蛋白质的合成过程?遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变究探作合逆转录转录DNARNA翻译蛋白质复制复制天然蛋白质的合成遵循中心法则纳归题问转录DNA复制转录DNA复制思考：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。

究探续继蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造!结构分析功能分析结构预测与设计基因工程(关键技术)蛋白质纯化不断完善蛋白质工程基本原理示意图二、蛋白质工程的原理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：改造基因（基因修饰或基因合成）二、蛋白质工程的原理纳归题问３.途径: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对应的脱氧核苷酸序列（基因）纳归题问蛋白质三维结构氨基酸序列多肽链基因DNA预期功能DNA合成分子设计mRNA生物功能转录翻译折叠图1-29蛋白质工程流程图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(构象)和三维晶体结构(空间结构);（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。————实施蛋白质工程的前提条件1.了解蛋白质的结构和功能的关系资料1:

蛋白质的分子设计与改造蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。————实施蛋白质工程的前提条件1.了解蛋白质的结构和功能的关系X射线衍射仪核磁共振仪器蛋白质结构蛋白质的结构蛋白质的一级结构

蛋白质的结构蛋白质的二级结构

蛋白质的结构胰岛素的三级结构蛋白质的结构血红蛋白质的四级结构

血红蛋白分子就是由二个由141个氨基酸残基组成的α亚基和二个由146个氨基酸残基组成的β亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。————实施蛋白质工程的关键2.用基因工程的方法改造蛋白质资料2:

蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。采用定位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组，其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标。

————实施蛋白质工程的关键2.用基因工程的方法改造蛋白质

改造类型操作程序大改

中改小改

设计、制造出自然界不存在的全新蛋白质替代某一个肽段或一个特定的结构域改造某个活性单位的一个或几个氨基酸残基（定点诱变技术）核心技术

基因定点诱变技术的示意图

——改变蛋白质结构的核心技术之一

PCR诱变引物定向突变基因受体细胞目的蛋白质基因工程表达定点诱变技术27基因定点诱变技术的理解项目内容条件原料酶引物能量ＡＴＰ操作方法ＰＣＲ法结果适应范围后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子脱氧核苷酸ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶含突变顺序的ＤＮＡ分子片段空间结构完全清楚的蛋白质思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较比较基因定点诱变基因突变相同点发生的过程结果不同点场所手段方向DNA复制过程中产生新基因，从而产生新性状生物体外生物体内定向改造不定向性PCR技术物理化学方法实例：胰岛素改造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，这是胰岛素B23-B29氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基（将胰岛素B链由：B28脯氨酸—B29赖氨酸

B28赖氨酸—B29脯氨酸

），则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用(单体速效胰岛素)。该速效胰岛素已通过临床实验。目前，空间结构完全清楚的蛋白质数量还比较少，对于那些不能预的蛋白质，可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。虽然目的性和针对性比不上定点诱变，但是因为突变位点多，有时甚至会产生出意想不到的改造效果。三、蛋白质工程的应用

蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业、医药和环境保护等方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。1、改造酶结构，有目的地提高酶的热稳定性和催化活性2、生物制药——“鼠—人嵌合抗体”、“对t-PA的改造”3、疾病诊断：利用蛋白质芯片检测与诊断SARS病毒异亮氨酸苏氨酸天门冬酰胺天门冬酰胺酵母菌丙糖磷酸异构酶热稳定性提高50％工业生产上三、蛋白质工程的应用1、改造酶结构，提高酶的热稳定性实例：鼠抗体人抗体恒定区恒定区可变区可变区嵌合抗体对人体的不良反应减少制药领域上2、鼠—人嵌合抗体3.对t-PA的改造”：纤维蛋白溶解酶原激活因子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺延长了其在血液循环中的停留时间4、蛋白质芯片检测与诊断SARS病毒（阅读）蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白质，而且能够在分子水平上对基因和蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界不存在的基因和蛋白质。当然，蛋白质工程中还有许多理论和技术问题有待研究和探索，但是我们可以相信，蛋白质工程的发展前景一定非常广阔！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达载体基因获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与表达预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测核苷酸序列→合成DNA→表达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生物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。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋白质

1．关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（）

A．是生物在长期进化过程中形成的

B．它们的结构和功能符合特定物种生存的需要

C．构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种

D．一定完全符合人类生产和生活的需要D习练馈反

2．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

Ｄ3．下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构C．蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程Ｂ习练馈反4、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

Ａ5、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根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列

A．①②③④B．④②①③

C．③①④②D．③④①②Ｃ习练馈反6、蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸