1.4　蛋白质工程的崛起

1、蛋白质工程的崛起,蛋白质工程崛起的缘由,01,基因工程产物： 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。,这些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。,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，后者可以产生它本不能产 生的蛋白质，进而表现出新的形状。,一、蛋白质工程的崛起的缘由,例如：,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,许多工业用酶是在改变天然

2、酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。,蛋白质工程的基本原理,02,二、蛋白质工程的基本原理,1、蛋白质工程的目标：,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。,2、天然蛋白质的合成过程：,基因表达（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,由于基因决定蛋白质，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造基因来完成,、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）,蛋白质工程流程图,从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

3、序列,比较基因工程和蛋白质工程,蛋白质工程的概念,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。,前提：,了解蛋白质的结构和功能,原理：,改造基因（基因修饰或基因合成）,目的：,定向改造或制造蛋白质,讨论： 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。,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-,丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：UGG 赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：UUU、U

4、UC,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。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16种。同学们可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出mRNA序列为GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：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）？,可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变

5、。,蛋白质工程的进展和前景,03,如：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，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。,三、蛋白质工程的进展和前景,如今，生物材料科学家正积极探索将蛋白质应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广泛的发展前景。,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

6、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

7、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。,旁栏思考题：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。,随堂基础巩固,1蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是() A氨基酸结构B蛋白质空间结构 C肽链结构 D基因结构,解析：蛋白质工程是指

8、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需求。因此，归根到底，还是要对基因进行改造。 答案：D,2蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是() A基因功能 B蛋白质功能 C氨基酸序列 DmRNA密码子序列,解析：蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据蛋白质功能，设计了蛋白质结构后再推测并合成相应的基因。 答案：B,3蛋白质工程的基本操作程序正确的是() 蛋白质分子结构合成DNA合成mRNA合成 蛋白质的预期功能根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列 A B C D,解析：蛋白质工程的操作流程为：从预期的蛋

9、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。 答案：C,4下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：,(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_；代表中心法则内容的是_。(填写数字) (2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： _；_；_； _；_。,转录,折叠(加工),翻译,分子设计,DNA合成,4下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：,对蛋白质的结构进行分子设计,(3)蛋白质工程的目的是_， 通过_实现。 (4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是_的。,基因合成或改造,相反,11(14分)干扰素是动物体内合成的一种

10、蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在70 条件下保存半年，给广大患者带来福音。,(1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”：,预期的蛋白质结构,应有的氨基酸序列,相对应的脱氧核苷酸序列(基因),预期蛋白质的功能,11(14分)干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在70 条件下保存半年，给广大患者带来福音。,自然界已存在,(2)

11、基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产_ 的蛋白质，不一定符合_需要。而蛋白质工程是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_或_，对现有蛋白质进行_或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。,人类生产和生活,基因修饰,基因合成,改造,11(14分)干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在70 条件下保存半年，给广大患者带来福音。,空间(或高级),(3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的_ 结构。 (4)对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操

12、作，还是通过对基因的操作来实现？其原因是什么？,应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。首先，任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去；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也无法遗传。其次，对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多,12绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发生的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答：,(1)图中通过过程、形

13、成重组质粒，需要限制酶切取目的基因、切割质粒。限制酶的识别序列和切点是GGATCC，限制酶的识别序列和切点是GATC。在质粒上有酶的1个切点，在目的基因的两侧各有1个酶的切点。 请画出质粒被限制酶切割后形成黏性末端的过程。,12绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发生的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答：,(1)图中通过过程、形成重组质粒，需要限制酶切取目的基因、切割质粒。限制酶的识别序列和切点是GGATCC，限制酶的识别序列和切点是GATC。在质粒上有酶的

14、1个切点，在目的基因的两侧各有1个酶的切点。 在DNA连接酶的作用下，上述两种不同限制酶切割后形成的黏性末端能否连接起来？_，理由是,可以连接,因为由两种不同限制酶切割后形成的黏性末端是相同的(或是可以互补的),12绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发生的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答：,(2)过程将重组质粒导入猪胎儿成纤维细胞时，采用最多也最有效的方法是_。 (3)如果将切取的GFP基因与抑制小猪抗原表达的基因一起构建到载体上，GFP基因可以作为基因

15、表达载体上的标记基因，其作用是_ 。获得的转基因克隆猪，可以解决的医学难题是_。,显微注射技术,鉴定受体细胞中是否含有目的基因,供体器官不足和免疫排斥,12绿色荧光蛋白(GFP)能在蓝光或紫外光的激发下发出荧光，这样借助GFP发生的荧光就可以跟踪蛋白质在细胞内部的移动情况，帮助推断蛋白质的功能。下图为我国首例绿色荧光蛋白(GFP)转基因克隆猪的培育过程示意图，据图回答：,(4)目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白过程的正确顺序是：_(用序号表示)。 推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列 蓝色荧光蛋白的功能分析和结构设计

16、蓝色荧光蛋白基因的修饰(合成) 表达出蓝色荧光蛋白,1下列说法不正确的是() A天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的 B天然蛋白质都能符合人类生产和生活的需要 C天然干扰素在体外保存相当困难 D许多工业用酶是由天然酶改造而来的,解析：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，但不一定完全符合人类生产和生活的需要。 答案：B,课时跟踪训练,2下列关于蛋白质工程的设计思路中，说法不正确的是() A从蛋白质的功能推测蛋白质应有的结构 B从蛋白质的结构推测氨基酸的排列顺序 C从氨基酸的排列顺序推测基因中脱氧核苷酸的排列顺序 D蛋白质工程完全不遵循中心法则,解析：蛋白质工程的基本途径是根据中心法则

17、反推出来的。 答案：D,3科学家将干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌中表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高了干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为() A基因工程B蛋白质工程 C基因突变 D组织培养,解析：题目中的操作中涉及的基因显然不再是原来的基因，其合成的干扰素也不是天然干扰素，而是经过改造的、具人类所需优点的蛋白质，因而整个过程利用的生物技术应为蛋白质工程。 答案：B,4下列哪项不是蛋白质工程的研究内容() A分析蛋白质分子的精细结构 B对蛋白质进行有目的的改造 C分析氨基酸的化学组成 D按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质,解析：蛋白质工程就是指

18、根据蛋白质的精细结构和功能之间的关系，按照人的意愿改造蛋白质分子，形成自然界中不存在的蛋白质分子，对蛋白质的改造包括氨基酸的种类、数量和排列顺序，但不包括氨基酸的化学组成。 答案：C,5下列关于蛋白质工程的叙述中，不正确的是() 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蛋白质工程能产生自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D蛋白质工程的操作起点是从预期蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现的,解析：蛋白质工程实际操作还是对基因进行操作，而不是对蛋白质进行操作。 答案：B,6科学家为提高

19、玉米中赖氨酸含量，将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍，下列对蛋白质的改造，操作正确的是() A直接通过分子水平改造蛋白质 B直接改造相应的mRNA C对相应的基因进行操作 D重新合成新的基因,解析：蛋白质工程的直接操作对象是基因。 答案：C,7猪的胰岛素用于人体降低血糖浓度效果不明显，原因是猪的胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪的胰岛素用于临床治疗人的糖尿病，用蛋白质工程对蛋白质分子进行设计的最佳方案是() A对猪的胰岛素进行一个不同氨基酸的替换 B将猪的胰岛素和人的胰岛素进行拼接，组成新的胰岛素 C将猪和人的胰岛素混合在一起治疗人的糖尿病 D根据人的胰岛素设计制造一种新的胰岛素,解析：要使猪的胰岛素临床用于治疗人的糖尿病，需要对猪的胰岛素进行蛋白质改造，制造一种新的胰岛素。蛋白质工程实质是对基因的改造。 答案：D,8下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是() A基因工程原则上只能生产自然