资源简介

(共27张PPT)
蛋白质工程
【教学目标】
1．简述蛋白质工程的基本原理
2．举例说明蛋白质工程的应用和发展
3．尝试运用逆向思维分析和解决问题
积极思维
1.1958年，由中国科学院上海生物化学研究所、上海有机化学研究所和北京大学生物系组成的联合协作组，开始探索用化学方法合成牛胰岛素。1965年，协作组完成了结晶牛胰岛素的全化学合成。经过鉴定，这种人工合成的结晶牛胰岛素在结构、生物活性、物理化学性质上都与天然的牛胰岛素完全一样。
2. 科学家发现经皮下注射的天然胰岛素进入血液的速率较为缓慢，其主要原因是胰岛素分子会聚合成二聚体或多聚体。这影响了胰岛素功能的及时发挥。
3. 科学家将胰岛素分子上的 2 个氨基酸加以改造，使改造后的胰岛素既能保持天然胰岛素分子的主要构象，又能保持为单体，从而提高了胰岛素进入血液的速率。
纪念人工合成牛胰岛素结晶
五十周年邮票
1.科学家为什么要改造胰岛素分子？
2.科学家是如何改造胰岛素分子的？
目录
01
蛋白质工程是基因工程的延伸
02
蛋白质工程的设计思路与应用
03
课堂小结
04
随堂小测
01
蛋白质工程是基因工程的延伸
1.蛋白质工程的一般过程
(1)概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的 规律及其与生物 的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以 现有蛋白质或制造 的蛋白质。
1.蛋白质工程
(1)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 的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以 现有蛋白质或制造新的的蛋白质
新蛋白质预期功能―→设计蛋白质结构―――→推测氨基酸
序列――――――→基因(DNA)――→合成新的蛋白质
分子设计
DNA改造或合成
表达
(2)蛋白质工程的一般过程
（3）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
更充分地利用自然界中存在的
蛋白质
在分子水平上对蛋白质进行再
设计和改造，进而创造出自然界中
不存在的蛋白质
（4）蛋白质工程的优势：
（6）实例
（5）蛋白质工程的一般过程示意图
水蛭素是水蛭的唾液腺分泌的一种效果很好的凝血酶抑制剂，是由65个氨基酸组成的蛋白质。通过蛋白质工程将其第47位的天冬酰胺变成赖氨酸或精氨酸时，这种新的蛋白质抗凝血效率可提高4倍。
2.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据
(1)GenBank生物大分子数据库
①序列文件的基本单位是序列条目，包括核苷酸排列顺序和注释两部分
②GenPept是由GenBank中的核酸序列翻译而得到的蛋白质序列数据库
(2)Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和基因、蛋白质结构数据库整合在一起的综合数据库查询系统
3.通过基因改造生产目标蛋白质
(1)基因的体外定向突变
①适用对象：掌握了基本结构信息的蛋白质
②类型
目的 方法
大面积的定向突变 基因全合成
单一或少数几个突变位点的基因定向突变 引物定点引入法
引物定点引入法实质上是一种寡聚核苷酸介导的定点诱变（site directedmutagenesis），它能在克隆基因内直接产生各种点突变和区域突变，从而有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基，最终达到改善蛋白质的性质和功能的目的。
引物
突变
DNA聚合酶
DNA连接酶
受体细胞
转录
突变
③定点诱变法的过程示意图
(2)非定点诱变技术
①适用对象：不能预先确定诱变位点的蛋白质
②缺点：目的性和针对性不够强
③优点：突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果
注意：
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，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的
02
蛋白质工程的设计思路与应用
蛋白质工程的应用十分广泛。对于已知空间结构的蛋白质，如人胰岛素，可以采用定点诱变技术，通过改变其结构便可有目的地改造蛋白质的功能。
生物体内的酶有数千种，但目前能直接被运用于工业化生物转化反应的酶只有几十种，绝大多数酶类在大规模体外反应时，或丧失原有的催化特异性，或在高温高压及存在有机溶剂条件下会发生变性。因此，利用蛋白质工程改造蛋白质（酶）具有广阔的应用前景。
1.提高蛋白质（酶）的稳定性
（1）引入二硫键提高蛋白质（酶）稳定性
热稳定的蛋白质一般都具有抗有机溶剂和极端pH的能力。二硫键是稳定蛋白质分子空间结构最关键的一种共价键，在蛋白质分子中引入二硫键能显著提高其稳定性。
例： T4 溶菌酶催化速率随温度升高而升高，T4 溶菌酶分子含有两个未形成二硫键的半胱氨酸，实验表明：向T4溶菌酶引入二硫键提高了T4溶菌酶的热稳定性
（2）转换氨基酸残基提高蛋白质（酶）的稳定性
在高温下，蛋白质分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的侧链上的酰胺基会发生脱氨反应，进而损害其结构和功能。因此，在不影响酶催化活性的前提下，将天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基，可以提高蛋白质的热稳定性
例：酵母菌的丙糖磷酸异构酶的两个亚基中各含有两个天冬酰胺残基，分别用苏氨酸和异亮氨酸残基替代，大幅度提高了酶的热稳定性
2.改善酶的催化活性
思路：转换氨基酸残基改善酶催化活性
理论基础：大量酶蛋白的 X 射线晶体衍射结果显示，酶的催化活性中心附近有少数关键性氨基酸残基，在很大程度上决定了酶的催化活性
例：将嗜热芽孢杆菌酪氨酰-tRNA 合成酶分子中的一个苏氨酸残基改变为丙氨酸或脯氨酸残基时，酶的活性大幅提高
删除末端部分氨基酸序列或某些肽段等也可以改善某些酶的催化活性
3.消除酶的被抑制特性
思路：转换氨基酸残基可以消除酶的被抑制特性
例：枯草芽孢杆菌蛋白酶是一种丝氨酸型蛋白酶，它具有广谱的蛋白质降解能力。但该酶会因漂白剂的抑制作用而无法用作洗涤添加剂。将该酶分子中第 222 位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基，酶的活性将不再受漂白剂的抑制
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
放眼社会
细胞内所有的生理生化过程都是由系列酶促反应以及选择性的物质运输系统来实现的，且是可调控的。在大多数情况下，细胞内这些过程需要经历多步酶促反应，而这些反应又以串联的形式组合成为途径，其中前一反应的产物是后一反应的底物。
途径工程利用DNA重组技术对生物体内的固有代谢途径进行倾向性和功利性的设计、修饰和改造，在活的生物细胞内通过基因操作，局部设计、改造和更新固有的代谢途径，以达到认识生命、改造生命和优化生命的目的。
第三代基因工程——途径工程
课堂小结
蛋白质工程
设计思路与应用
蛋白质的改造
过程
概念
蛋白质的改造
定点诱变技术
非定点诱变技术
蛋白质的改造
蛋白质的改造
随堂小测
1.蛋白质工程是一种通过操纵和设计蛋白质结构来改造蛋白质功能的技术，广泛应用于农牧业、医药工业等领域。下列叙述错误的是( )
A.可利用蛋白质工程对胰岛素进行定向修改
B.改造后的基因可直接导入酵母细胞中进行规模化生产
C.需要利用计算机建立蛋白质的三维结构模型
D.在改造蛋白质的过程中需要遵循碱基互补配对原则
解析：改造后的基因需构建基因表达载体后导入酵母细胞中进行规模化生产,B错误;蛋白质工程涉及基因水平的修改,基因的表达过程涉及碱基互补配对,D正确。
B
2.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。
B
解析：蛋白质工程的目标是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,A正确;蛋白质工程中的操作对象是基因,B错误;由于人的T细胞可以产生Y,故可以从人的T细胞中提取mRNA,经过逆转录合成cDNA,来获取编码Y的基因,C正确；因为蛋白质工程本质上改造的是基因,故经改造后的Y的热稳定性提高这一性状可遗传,D正确。
3.人的T细胞可以产生某种具有临床价值的蛋白质(Y), 天然的Y通常需要在低温下保存,若将Y的第6位氨基酸甲改变为氨基酸乙,可提高其热稳定性。下列说法错误的是( )
A.蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的需求,对其结构进行设计改造
B.蛋白质工程中的操作对象是蛋白质或控制蛋白质合成的基因
C.若要获得编码Y的基因,可从人的T细胞中提取RNA,逆转录合成DNA
D.经改造后的Y的热稳定性提高这一性状可遗传
B
4.天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射后往往要逐渐解离为单体，才能发挥作用，在一定程度上延缓了疗效。科学家利用蛋白质工程(基本思路如图)研发出速效胰岛素，已在临床上广泛应用。下列有关叙述正确的是( )
A.当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟
B.从六聚体胰岛素解离为单体形式是将胰岛素水解为氨基酸
C.利用基因工程和蛋白质工程生产胰岛素都经历①②过程
D.利用蛋白质工程生产速效胰岛素要从推测b入手
C
4.解析：A、当前限制蛋白质工程发展的关键因素是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很复杂，人们对蛋白质的高级结构了解太少，A错误；B、由题干信息可知，经过蛋白质工程改造后，发挥作用的仍是胰岛素分子，所以从六聚体胰岛素解离为单体形式是将六个胰岛素形成的六聚体水解为单个胰岛素的过程，B错误；C、利用基因工程和蛋白质工程生产胰岛素都经历找到对应的脱氧核苷酸序列（基因）→转录（①）形成mRNA(c)→翻译（②）获得所需要的蛋白质过程，C正确；D、蛋白质工程中，首先根据预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构，因此利用蛋白质工程生产速效胰岛素要从设计预期的蛋白质结构（a）入手，D错误。
A.基因定点突变的原理是使基因发生碱基对的替换
B.诱变寡核苷酸引物的延伸需要消耗四种核糖核苷酸
C.突变基因的合成是以正常基因的单链作为模板的
D.延伸过程遵循碱基互补配对原则，且需要DNA聚合酶的催化
5.基因定点突变技术通过改变基因特定位点的核苷酸来改变蛋白质的氨基酸序列，常用于研究某个氨基酸对蛋白质的影响，其原理是利用人工合成的诱变寡核苷酸引物和多种酶来合成突变基因，过程如图所示。下列分析错误的是( )
解析：本题考查蛋白质工程的应用。定点突变改变特定位点的核苷酸，先是人工合成诱变寡核苷酸引物，随后经过延伸和复制，产生新的突变基因，A正确；诱变寡核苷酸引物的延伸需要消耗四种脱氧核苷酸，B错误；突变基因的合成以正常基因的单链为模板，C正确；延伸过程中遵循碱基互补配对原则，该过程需要将脱氧核苷酸连接起来，所以需要DNA聚合酶的催化，D正确
B

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