生物素材：教材梳理蛋白质工程的崛起

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精庖丁巧解牛知识·巧学一、蛋白质工程崛起的缘由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。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。疑点突破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）,推测可能是由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干扰素的抗病活性提高到108U/mg，并且比天然β干扰素的储存稳定性高很多。知识拓展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，该组织正式提出并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蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系，利用基因工程手段，按照人类自身需求,定向改造天然蛋白质,甚至创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。蛋白质工程自诞生起就与基因工程密不可分。蛋白质工程通过对天然蛋白质的基因的改造，来实现对它编码的蛋白质的改造。因此它的产品已不再是天然的蛋白质,而是通过改造的、具有了人类所需优点的蛋白质。蛋白质是生命的体现者，离开了蛋白质，生命将不复存在.可是，生物体内存在的天然蛋白质，有的往往不尽如人意，需要进行改造。由于蛋白质是由许多氨基酸按一定顺序连接而成的,每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的.蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的需要,对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计,使合成的蛋白质变得更符合人类的需要。记忆要诀蛋白质工程流程:预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列（基因）。三、蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程在食品工业、日用品工业方面有广泛的应用前景。比如用经过改造的稳定性好的酶，可由价格便宜的棕榈油生产出价格昂贵的可可脂,从而创造很高的经济效益。荷兰一家公司设计了一种能和漂白剂一同起作用的去污酶,并且通过对这种酶上的两个氨基酸的修改，使这种酶具有较高抵抗力，在洗涤过程中不受破坏。因此，通过蛋白质工程可实现常规酶工程手段不能实现的目标。在医学上，蛋白质工程也具有广泛的应用前景.例如，用人工手段去改造某些致癌基因的产物—-蛋白质，使它失去致癌作用，从而开辟治疗癌症的新途径。我国的蛋白质工程具有国际先进水平,这些工程包括重组人胰岛素和溶血栓药物、重组人尿激酶等.对动植物体内参与重要生命活动的酶加以修饰和改造，是蛋白质工程未来发展的一个重要目标.有朝一日，人们一定能够通过蛋白质工程来设计、控制那些与DNA相互作用的调控蛋白质，到那时，人为控制遗传、改造生命就不再是天方夜谭了.辨析比较蛋白质工程与基因工程简单地讲,蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活力的作用机制之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定向地改造天然的蛋白质，甚至于创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。蛋白质工程在诞生之日起就与基因工程密不可分。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，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质.蛋白质工程则更进一步根据分子设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对其所编码的蛋白质的改造，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造的，具有了人类所需要的优点的蛋白质。天然蛋白质都是通过漫长的进化过程自然选择而来的,而蛋白质工程对天然蛋白质的改造，好比是在实验室里加快了的进化过程，期望能更快、更有效地为人类服务。问题·探究问题1蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？探究: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.问题2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？探究：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。(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。问题3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？探究：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界不存在的蛋白质。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。典题·热题例1已知某多肽的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—…，控制此多肽合成的基因中的碱基序列()A.只能有一种情况B。可能有多种情况C。A、B都不对D。A、B都正确解析：每种氨基酸都有对应的密码子，由于有的氨基酸密码子不是唯一的，因此导致mRNA上的核糖核苷酸的序列无法准确确定，只能根据密码子表将所有可能情况逐一列出，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列,因此，基因中的碱基序列也是不确定的。答案：B误区警示一种密码子只对应一种氨基酸，但一种氨基酸可能有多种密码子，要注意“一对多，多对一”关系。例2蛋白质工程和基因工程的相同点在于(）A。最终目的B.实施过程C。基本原理D.没有共同点解析：蛋白质工程和基因工程的最终目的都是获得人们预期的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要。蛋白质工程根据人们对特定蛋白质的需要，设计预期蛋白质，推测出预期蛋白质的氨基酸序列，再找到相对应的核苷酸序列，最终生产符合要求的蛋白质。基因工程是将原有的一段特定核苷酸序列拼接到另外一段核苷酸序列中，使其产生人们需要的蛋白质。蛋白质工程从改造蛋白