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第4节 蛋白质工程的原理和应用
从社会中来
1.视频里面有一副发光的树，科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
用细菌“画”的画
2.绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
概念：P93
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
操作对象：
结果：
与基因工程的关系：
理论和技术：
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
分子生物学、晶体学和计算机技术
蛋白质工程
1.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，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。
①基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。
2.蛋白质工程崛起的缘由
②天然蛋白质的缺陷：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。
蛋白质工程崛起的缘由
一
实例
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
提高5倍
提高2倍
限制
对天然的蛋白质进行改造，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？
蛋白质工程的基本原理
二
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。
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。
1.蛋白质工程的目标
2.蛋白质工程的实质
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
3.天然蛋白质合成过程
天然蛋白质合成的过程是按照________进行的：
基因
表达
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、翻译
中心法则
4.蛋白质工程的基本思路
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反：
预期功能
生物功能
推测
DNA合成
翻译
折叠
转录
基因
DNA
蛋白质
结构
氨基酸
序列
mRNA
设计
行驶
借助计算机
构建蛋白质三维结构图:
制备蛋白质晶体：
碱基的替换：
通过X射线衍射技术
基因的定点突变技术
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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：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：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列：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）
蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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？
蛋白质工程基本思路的应用
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。
基因定点突变：是在体外特异性地取代、插入或缺失DNA序列中任何一个特定碱基的技术,包括盒式取代诱变、寡核苷酸引物诱变及PCR定点诱变等。
　项目 　　　　　　内容
条件 原料
酶
引物
能量 dNTP
操作方法 ＰＣＲ法
结果
适应范围
后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子
脱氧核苷酸
ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶
含突变顺序的ＤＮＡ分子片段
空间结构完全清楚的蛋白质
基因定点诱变技术的示意图
补充：基因定点突变技术和基因突变的比较
比较 基因定点诱变 基因突变
相同点 发生的过程 结果 不同点 场所
手段
方向
DNA复制过程中
产生新基因，从而产生新性状
生物体外
生物体内
定向改造
不定向性
PCR技术
物理化学方法
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
1.蛋白质工程的类型
依据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质。
改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构。
利用基因工程中的定点诱变技术，改造蛋白质分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基。
2.根据基因工程的原理进行蛋白质的设计和改造
（1）对蛋白质的结构进行设计和改造，最终是通过改造基因来实现的。
（2）改造基因的方法：定点突（诱）变、基因融合和基因拼接。
蛋白质工程的应用
三
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20～29位氨基酸组成
改造
新胰岛素基因
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
推测序列
转录
mRNA
翻译
多肽链
行使功能
有效抑制胰
岛素的聚合
1.研发速效胰岛素类似物
预期结构
折叠
定点突（诱）变
医药工业方面
速效胰岛素
2.延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
定点突（诱）变
β-干扰素氨基酸序列
3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
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减低很多。
基因融合
鼠—人嵌合抗体
4.提高蛋白质的热稳定性
第3位上的
异亮氨酸
半胱氨酸
-s-s-
定点突变
5、其他工业方面，用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
枯草杆菌蛋白酶常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。利用蛋白质工程获得的该酶突变体已有上百种，从中筛选出优良突变体用于生产提高其使用价值。
（二）农业方面
1.改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。
2.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。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构。
这种高级结构很复杂，目前对其了解还很不够，还需探索。
蛋白质工程——难度大
原因：
胰岛素的三级结构
——多肽链既盘曲又折叠
血红蛋白的四级结构
——四条多肽链的盘曲和折叠
异想天开
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
蛋白质食品的工厂化生产想象图
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
操作流程
结果
实质
联系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可生产自然界没有的蛋白质
可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，其包含基因工程基本操作；
预期蛋白质功能
目的基因
小结：蛋白质工程与基因工程的比较

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