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第4节 蛋白质工程的原理和应用
第3章 基因工程
从社会中来
1.科学家利用什么技术让细菌能够发出荧光？
用细菌“画”的画
2. 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？
利用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。
最早发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白（来源于一种发光水母），天然的细菌一般不能发出荧光。
什么是蛋白质工程呢？
地位：
在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程
蛋白质工程概念
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。
直接操作对象
目的
分子生物学、晶体学和计算机技术(了解）
理论及技术：
为什么要进行第二代基因工程的研究呢？
1.基因决定蛋白质的合成；
2.改造基因可以遗传；
3.改造基因更容易操作。
1.基因工程的实质及局限性
①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。
②局限性：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质
一、蛋白质工程崛起的缘由
天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要
实例
赖氨酸
第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
第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
提高5倍；
提高2倍
底物
抑制
高赖氨酸玉米
蛋白质工程是如何进行的呢？
天然玉米赖氨酸含量较低
1.目标：
二、蛋白质工程的基本原理
3.天然蛋白质合成过程：
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）
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。
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
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
获得所需蛋白质
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
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：
思考·讨论
某多肽链的一段氨基酸序列是：
蛋白质工程基本思路的应用
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
思考1. 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
思考·讨论
某多肽链的一段氨基酸序列是：
蛋白质工程基本思路的应用
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
1. 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
GCU
GCC
GCA
GCG
UGG
AAA
AAG
GAA
GAG
UUU
UUC
DNA序列:
GCTTGGAAAGAATTT
CGAACCTTTCTT AAA
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
人工合成
基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
mRNA
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
生产自然界没有的蛋白质（新的）
只能生产自然界已存在的蛋白质
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
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，赋予后者新的遗传性状
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
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
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造
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
新胰岛素基因
表达
折叠
预期功能
行使功能
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
推测序列
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
三、蛋白质工程的应用
天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过蛋白质工程可以有效抑制了胰岛素的聚合，从而实现速效胰岛素类似物的研发。
1.研发速效胰岛素类似物
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃的条件下，可保存半年。解决了干扰素体外保存困难的问题。
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
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
表达
多肽链
在-70℃下可以保存半年
2.研发耐保存干扰素
三、蛋白质工程的应用
科学家通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域"嫁接"到人的抗体上，经过改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低。
3.改造抗体
三、蛋白质工程的应用
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。
如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。
（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。
4.工业方面
5.农业方面
三、蛋白质工程的应用
（2）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。
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。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
三级结构
一级结构
四级结构
二级结构
三、蛋白质工程的应用
课后作业
P96：练习与应用
小册子检测案15
p98：复习与提高

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