蛋白质工程是基因工程的延伸高二生物高效课件（沪科2020选择性必修3）

第3节蛋白质工程是基因工程的延伸选修3生物技术与工程

第3章

基因工程本节重点1、蛋白质工程的概念与设计思路2、蛋白质工程的应用案例重组DNA技术使得分离、克隆任何天然存在的基因并令其在特定受体细胞中表达成为可能。该技术所使用的目的基因均是天然存在的，因而表达出的产物仍为天然蛋白质。但不一定都能完全符合人类生产和生活的需要。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适应特殊环境而生存的需求，药物蛋白多肽在机体内半衰期较短等。比如，人类常规主食（尤其是水稻和玉米）中的必需氨基酸（如赖氨酸）含量偏低；工业用酶在高温和有机溶剂生产环境中容易失活；以蛋白质结构与功能相统一的生命观念为指导，采用重组DNA技术在DNA分子水平上改变基因的序列和结构，又称第二代基因工程。可以对天然蛋白进行理性改造，这种由人为突变或设计基因进而操纵蛋白质结构和性质的过程，称为蛋白质工程，蛋白质工程包括哪些方面？蛋白质工程修饰改造天然蛋白设计制造全新蛋白基因定点突变：基因定向进化：在DNA水平上改变蛋白质特定位点的氨基酸序列在DNA水平上随机改变蛋白质任一位点的氨基酸序列为设计制作新型的突变蛋白提供理论依据。修饰改造天然蛋白一方面可实现氨基酸序列改造，优化其功能；另一方面还可以确定多肽链中某个氨基酸残基在蛋白质结构和功能上的作用，以收集有关氨基酸残基线性序列与其空间构象和生物功能之间的对应关系，修饰改造天然蛋白实质上是一个模拟自然界进化与适应的循环渐进过程。可将数千万年的自然进化历程缩短为数月、数周甚至数天的实验室过程。设计制造全新蛋白才能在更广泛的氨基酸序列海洋里开发自然界并不存在、但自然界中天然蛋白质的氨基酸序列大约只有1012种。蛋白质工程的另一关键方面是根据我们所掌握的蛋白质结构与功能基本信息设计制造全新蛋白。假设蛋白质平均由200个氨基酸构成，按常见氨基酸种类进行估计，氨基酸序列的可能性高达20200种，但理论上可行的蛋白质资源。研究表明，人胰岛素样生长因子的结构和性质与人胰岛素高度相似，怎样才能做到这一点呢？但它不像人胰岛素那样容易聚合形成多分子。人胰岛素样生长因子在第28位和第29位氨基酸分别是赖氨酸和脯氨酸，而人胰岛素在这两处的氨基酸序列正好颠倒，因而推测这是人胰岛素形成多分子形式的关键原因。为了证实这一猜想，需要更换人胰岛素这两个位点的氨基酸顺序。已知，人胰岛素B链基因中编码第28位脯氨酸和第29位赖氨酸的序列分别为CCC和AAG。因此，只需在人胰岛素基因中将原来的“CCCAAG”序列改造成“AAGCCC”，理论上便能在受体细胞中产生两处氨基酸序列颠倒的突变型人胰岛素。由于人胰岛素B链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。也可采取PCR获取突变型目的基因因而这种突变型人胰岛素被称为“单体速效胰岛素”（又称“赖脯胰岛素”）。（PCR对较长的目的基因编码序列更经济）：首先人工化学合成含有突变序列的突变引物和不含突变序列的正常引物，然后使用这两种引物以人胰岛素基因为模板进行PCR。研究证实，由这种突变的目的基因表达的突变型人胰岛素不再聚合成多分子形式。将这种突变型人胰岛素注射进入患者体内，降血糖速率大为提高，定点突变最后，根据我们的需求从中筛选出具有特定优良功能或结构的目的蛋白。针对某个特定的基因采用PCR技术进行扩增，在过程中通过改变反应条件（如使用低保真度的DNA聚合酶）故意让DNA复制发生随机错误，便能创建一系列随机突变的新基因序列；然后再将这些新基因序列导入合适的受体细胞中，表达出相应的一系列随机突变蛋白；定点进化本堂小结1、蛋白质工程采用重组DNA技术在DNA分子水平上改变基因的序列和结构，对天然蛋白进行理性改造，甚至可以设计并制造出全新的非天然蛋白，以满足人类生产与生活的需求。由人为突变或设计基因进而操纵蛋白质结构和性质的过程，称为蛋白质工程，又称第二代基因工程。蛋白质工程修饰改造天然蛋白设计制