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第4节　蛋白质工程的原理和应用
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。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
从社会中来
一、蛋白质工程
1.基础：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
2.手段：
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
3.目的：
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
4.困难：
蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.崛起缘由
(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，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
(2)基因工程的不足：
基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质
(3)天然蛋白质的不足：
天然蛋白质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
2.实例：
提高玉米赖氨酸含量
天冬氨酸激酶(第352位的苏氨酸)
天冬氨酸激酶(异亮氨酸)
二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位的天冬酰胺)
二氢吡啶二羧酸合成酶(异亮氨酸)
改造
改造
改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍
天然玉米中赖氨酸含量比较低
三、蛋白质工程的基本原理
1.目标：
2.方法：
改造或合成基因
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
3.基本思路：
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
预期功能
生物功能
设计
推测
改造
或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
思考·讨论
蛋白质工程基本思路的应用
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。
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
查密码子表
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。
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）
脱氧核苷酸序列：
CGA（或G或T或C） ACC TTT （或C） TACAAA（或G）
1．蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因有：(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的。(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。
2．基因工程和蛋白质工程的区别
(1)通过基因判断：若基因的编码蛋白序列未经改造，则为基因工程，反之，则为蛋白质工程。
(2)通过蛋白质判断：若生产出的蛋白质是天然蛋白质，则为基因工程，反之，则为蛋白质工程。
3．基因工程和蛋白质工程的联系：两种工程都是在分子水平上对基因进行操作，目的都是合成相应的蛋白质，蛋白质工程是以基因工程为基础的。
核心归纳
基因工程和蛋白质工程的比较
核心归纳
基因工程和蛋白质工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点 预期的蛋白质功能 目的基因
原理 中心法则的逆转 基因重组
过程 预期蛋白质功能→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 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
目标 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品
结果 生产非天然的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质
联系 ①都在生物体外对基因进行操作； ②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 四、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
(1) 对胰岛素基因的改造
改造
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
(2)
(3)人——鼠嵌合抗体：降低免疫反应强度
天然胰岛素制剂
容易形成二聚体或六聚体，延缓疗效
改造
速效胰岛素类似物产品
有效抑制胰岛素的聚合
2.其他工业方面
用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值
3.农业方面
(1)科学家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，增强微生物防治病虫害的效果
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌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。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。
异想天开
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
蛋白质工程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。科学家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。我们相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
五、蛋白质工程的前景
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
到社会中去
特别提醒
(1)改造对象是基因: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。
(2)真核生物的基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程合成的新基因中则没有。
有关蛋白质工程的两点提醒
(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质(　　)
(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的(　　)
(3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大(　　)
(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性(　　)
辨析易错易混
√
×
√
×
中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一，被称为“活化石”。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的水域环境，以下说法错误的是(　　)
A．该工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B．改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的
C．改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D．改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
练一练
D

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