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蛋白质工程的原理和应用
【学习目标】
1.概述中心法则与蛋白质工程的关系
2.列表比较基因工程和蛋白质工程的区别与联系
3.举例说明蛋白质工程在生产生活中的应用
目录
02
03
蛋白质工程的基本原理
04
蛋白质工程的应用
蛋白质工程崛起的缘由
01
蛋白质工程的概念及理解
从社会中来
你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。
用细菌“画”的画
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
01
蛋白质工程的概念及其理解
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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
(1) 基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2) 操作方法和对象：改造或合成基因。
(3) 目的：改造现有的蛋白质或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
(4) 地位：在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。
(5) 学科和技术：分子生物学、晶体学和计算机技术。
02
蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的不足：
基因工程原则上只能生产自然界
已存在的蛋白质(天然蛋白质)
天然蛋白质不一定完全符合
人类生产和生活的需要
需要对天然蛋白进行改造产生
更符合人类需要的蛋白质
实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
天然蛋白质的结构和功能
符合特定物种生存的需要
蛋白质工程崛起
2.实例：提高玉米赖氨酸含量
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
抑制
限制
提高
提高5倍
提高2倍
赖氨酸含量低
对天然酶的改造：玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
03
蛋白质工程的基本原理
1.目标：
3.天然蛋白质合成过程：
2. 实质：
通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。
基因
形成具有特定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
（转录和翻译）
表达
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造
中心法则
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反：
从预期蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
学科交叉
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体的结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
定点突变是指通过聚合酶链式反应（PCR）等方法向目的DNA片段（可以是基因组，也可以是质粒）中引入所需变化（通常是表征有利方向的变化），包括碱基的添加、删除、点突变等。定点突变能迅速、高效的提高DNA所表达的目的蛋白的性状及表征，是基因研究工作中一种非常有用的手段。
X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
某多肽链的一段氨基酸序列是：
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。
提示：
查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG) 色氨酸(UGG)
赖氨酸(AAA、AAG）谷氨酸（GAA、GAG）苯丙氨酸（UUU、UUC）
mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：
CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
某多肽链的一段氨基酸序列是：
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
确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
蛋白质工程和基因工程的对比
蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
结果
实质
联系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
可生产自然界没有的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
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，进而表现出新的性状
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。
预期蛋白质功能
目的基因
04
蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
科学家通过改造胰岛素基因实现对相应氨基酸序列的改变,使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合。
或
B28位（脯氨酸）
B29位（赖氨酸）
B28位（天冬氨酸）B29位（赖氨酸）
B28位（天冬氨酸）
B29位（赖氨酸）
天然胰岛素
速效胰岛素类似物
改造胰岛素
基因
聚合作用降低，起效快
易形成二聚体或六聚体
定点突变
（2）延长干扰素体外保存时间
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，-70℃可以延长保存时间。
定点突变
天然干扰素不易保存
预期结构
改造
一个半胱氨酸变成丝氨酸
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
半
胱
氨
酸
丝氨酸
（3）人鼠嵌合抗体：降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
基因融合
解决办法：通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多
医学问题：小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低。
2.工业用酶方面
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。
枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
3.农业方面
（1）科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
（2）科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
伊维菌素是由土壤中发现的一种新型链霉菌提取出了一种名为阿维菌素的抗生素，经过多年的不断改造获得的，伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗动物寄生虫病兽药。
4.蛋白质工程现状
三级结构
一级结构
四级结构
二级结构
(1) 面临的问题：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。
(2) 前景展望：要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
课堂总结
蛋白质工程
蛋白质工程的应用
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的崛起的缘由
蛋白质工程的概念
蛋白质工程仅产生已存在的蛋白质
需要对蛋白质进行设计和改造
基因（DNA）
氨基酸序列多肽链
蛋白质的三维结构
增加粮食产量、研发新型农药
药物研发
改进酶的性能或开发新的工业用酶
合成
设计
表达
折叠
随堂练习
1.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是( )
A.蛋白质工程技术是基因工程技术的延伸
B.蛋白质工程只能生产自然界中已存在的蛋白质
C.蛋白质工程的设计是按中心法则相反的途径进行的
D.蛋白质工程可对基因进行改造或合成
解析：A、蛋白质工程是通过改造控制现有蛋白质的基因来改造蛋白质，所以蛋白质工程技术是基因工程技术的延伸，A正确；B、蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；C、蛋白质工程过程中先由蛋白质到基因、再由基因控制合成相应的蛋白质，是按中心法则相反的途径进行的，C正确；D、蛋白质工程通过预期蛋白质功能，然后设计结构，最后通过对基因进行改造或合成来完成，D正确。
B
解析：该题目属于蛋白质工程，已经获得该目的基因片段，不需要合成编码目的肽的DNA片段，故A错误；是需要构建含目的肽DNA片段的表达载体，但这不是第一步，故B错误；蛋白质工程的第一步是根据蛋白质的功能，设计P1氨基酸序列，从而推出其基因序列，故C正确；该基因表达产物为一种抗菌体和溶血性均较强的多肽P1，目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，而目的多肽是抗菌性强但溶血性弱，所以必须对其改造，保持其抗菌性强，抑制其溶血性，故D错误。
C
2.从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌体和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是( )
A.合成编码目的肽的DNA片段
B.构建含目的肽DNA片段的表达载体
C.依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D.筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
3.T4溶菌酶耐热性差，若将该酶的第3位氨基酸进行改造（如图所示），并使第3位氨基酸和第97位氨基酸之间形成1个二硫键，可以大大提高其耐热性。下列叙述错误的是( )
A.根据T4溶菌酶的氨基酸序列可推测出多种脱氧核苷酸序列
B.T4溶菌酶耐热性提高的原因是其氨基酸的种类和数量均发生改变
C.改造T4溶菌酶可利用基因定点突变技术，对相关基因进行改造
D.改造后的T4溶菌酶需要进行功能鉴定才能应用于生产实践
解析：A、由于一种氨基酸可能对应多种密码子，因此根据设计的T4溶菌酶的氨基酸序列可能推测出多种脱氧核苷酸序列，A正确；B、根据题意“科学家通过相关研究，最终使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸”可知，T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类和排列顺序发生了改变，而氨基酸的数量没变，B错误；C、根据题意，改造T4溶菌酶可以从合成蛋白质的基因进行改造，因此可利用基因定点突变技术，对相关基因进行改造，C正确；D、该实例将蛋白质进行了改造，属于蛋白质工程的范畴，T4溶菌酶本质为蛋白质，可利用抗原—抗体特异性结合的特点对该酶进行检测，D正确。故选B。
B

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