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选择性必修3
3.4 蛋白质工程的原理和应用
课堂活动1：结合必修2所学中心法则的有关知识，写出胰岛素的合成过程。
胰岛素基因　　　mRNA 胰岛素
转录
翻译
资料1：
1978年，科学家们利用基因工程技术，生产出首个与人胰岛素序列完全相同的胰岛素产品。1982年，第1种重组人胰岛素产品获得批准。人胰岛素逐渐取代动物胰岛素被应用于临床。
胰岛素的三级结构
胰岛素只有形成特定的空间结构，才能具有降血糖的功能。
结构与功能相适应
课堂活动1：结合必修2所学中心法则的有关知识，写出胰岛素的合成过程。
胰岛素基因　　　mRNA 特定氨基酸序列的多肽链
　　　 具有高级结构的蛋白质　　 行使生物功能
转录
翻译
折叠
资料1：
1978年，科学家们利用基因工程技术，生产出首个与人胰岛素序列完全相同的胰岛素产品。1982年，第1种重组人胰岛素产品获得批准。人胰岛素逐渐取代动物胰岛素被应用于临床。
胰岛素的三级结构
胰岛素只有形成特定的空间结构，才能具有降血糖的功能。
结构与功能相适应
一、蛋白质工程崛起的缘由
基因工程的实际：
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，进而表现出新的遗传特性。
基因工程的不足：
在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
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。
资料2：
天然胰岛素见效慢，是因为天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，发挥作用。
胰岛素的分子结构示意图
→ 空间结构
→ 氨基酸序列
功能
见效慢
六聚体
资料3：
科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。
胰岛素的分子结构示意图
脯氨酸
天冬氨酸
小组讨论：如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在
六聚体
单体
方案1：直接改造胰岛素上的氨基酸
方案2：对胰岛素基因进行改造
如果你是科学家，这两种方案你会选择哪种？为什么？
方案2，工艺简单，产量高
六聚体
单体
脯氨酸
天冬氨酸
如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在
那么，我们需要对胰岛素基因进行怎样的改造？
氨基酸序列
已知
新胰岛素基因
结构未知
改造
降低胰岛素的聚合作用
预期功能
空间结构
推测
脯氨酸
天冬氨酸
六聚体
单体
设计
如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在
逆推
课堂活动2：推测胰岛素基因的结构需要作出什么改变？
脯氨酸
天冬氨酸
六聚体
单体
氨基酸序列
已知
新胰岛素基因
结构未知
改造
降低胰岛素的聚合作用
预期功能
空间结构
推测
设计
逆推
六聚体
单体
脯氨酸
（CCC）
天冬氨酸(GAC)
GGG
CCC
CCC
CTG
GAC
GAC
基因
mRNA
氨基酸
速效胰岛素
脯氨酸
天冬氨酸
胰岛素
课堂活动3：请画出研发速效胰岛素的流程图。
脯氨酸
天冬氨酸
六聚体
单体
氨基酸序列
新胰岛素基因
改造
降低胰岛素的聚合作用
预期功能
三维结构
推测
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸
预期结构
转录
mRNA
折叠
行使
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
设计
功能
研发速效胰岛素类似物的流程图
总结蛋白质工程的原理
二、蛋白质工程的原理
由预期的蛋白质的功能出发，找到并改变相对应的基因或合成新的基因，即基因表达的逆推。
流程图
借助计算机
构建蛋白质三维结构图:
获得蛋白质晶体：
碱基的替换：
通过X射线衍射技术
基因的定点突变技术
分析晶体的结构：
晶体学技术
研发长效胰岛素类似物
氨基酸序列
新胰岛素基因
改造
沉淀形成六聚体
预期功能
三维结构
推测
甘氨酸取代A21位的天冬酰胺，B链的B31和32位添加两个精氨酸
预期结构
转录
mRNA
折叠
行使
翻译
多肽链
作用持续时间更长
设计
功能
更理想的胰岛素如何制备？
三、蛋白质工程的应用
3.1 医药工业方面
3.2 其他工业方面
3.3 农业方面
玉米中赖氨酸的含量比较低。
赖氨酸
天冬氨酸激酶
（含量低）
二氢吡啶二羧酸合成酶
玉米
促进
促进
抑制
抑制
改造
后的
天冬氨酸激酶
异亮氨酸
（352位）
苏氨酸
（352位）
变为
异亮氨酸
（104位）
天冬酰胺
（104位）
改造后的二氢吡啶二羧酸合成酶
变为
玉米
赖氨酸
（含量提高5倍）
促进
（含量提高2倍）
赖氨酸
玉米
促进
三、蛋白质工程的应用
应用2：
干扰素可以用于治疗癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么，其在－70 ℃条件下可保存半年，这需要利用蛋白质工程来完成。
三、蛋白质工程的应用
3.1 医药工业方面
应用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。
3.1 医药工业方面
三、蛋白质工程的应用
3.2 其他工业方面
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。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。
三、蛋白质工程的应用
3.3 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。
三、蛋白质工程的应用
练习与应用
一、概念检测
1. 蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（ ）
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 （ ）
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 （ ）
x
x
√
2. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到 的目的是 （ ）
A. 分析蛋白质的三维结构
B. 研究蛋白质的氨基酸组成
C. 获取编码蛋白质的基因序列信息
D. 改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求
练习与应用
D
3. 水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第 47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）
A.基因 B.氨基酸　　
C.多肽链 D.蛋白质
练习与应用
A
二、拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。

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