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第三节 蛋白质工程
能说出蛋白质的概念,概述蛋白质工程的一般过程
能概述蛋白质工程与基因工程的不同
能概述蛋白质工程的设计思路与应用
基因工程是通过对生物A的基因进行改造或重新组合，然后导入生物B的细胞中使其产生新的蛋白质并表达出新性状，这个蛋白质往往是自然界中已存在的蛋白质，这个蛋白质一定符合人类的生产生活需要吗？怎样解决这一问题？
对蛋白质进行定向改造，以满足人类生产生活需要。
一、蛋白质工程是基因工程的延伸
任务一：阅读教材110页的内容，思考以下几个问题：蛋白质工程的一般过程是怎样的？蛋白质工程中的关键技术是什么？蛋白质工程跟基因工程相比有哪些创新的地方？
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为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。
新蛋白质预期功能
改造或合成
分子设计
转录
翻译
折叠
基因
DNA
新蛋白质新功能
氨基酸序列多肽链
蛋白质
三维结构
mRNA
起点：
目的：
终点：
实质：
前提：
蛋白质的预期功能
了解蛋白质结构和功能的关系
获得大量的改造后的蛋白质
改造基因结构
生产出符合人们生活需要的蛋白质
关键技术：基因工程
又称第二代基因工程
1.蛋白质工程的一般过程
思考：为什么蛋白质工程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（改造基因需要利用基因工程技术）可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传。
2.蛋白质工程的实例
实例：提高水蛭素的抗凝血效率
水蛭素第47位天冬酰胺改造成赖氨酸或精氨酸，以此来提高抗凝血效率，可提高4倍。
水蛭素是自然界存在的最强抗凝血物质，在防治心脑血管疾病和抗癌方面等具有特效。
a.以据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质（到目前还没有成功的例子）
b.改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构域
c.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（实践中运用的最多）
借助计算机构建蛋白质三维结构图
3.蛋白质工程的类型
定点诱变法的过程示意图
引物
突变
DNA聚合酶
DNA连接酶
受体细胞
转录
突变
归纳总结定点诱变技术
项目 内容
条件 原料
酶
引物
操作方法
结果
适用范围
特点
4种脱氧核苷酸
DNA聚合酶和DNA连接酶
含突变位点的DNA分子片段
先通过PCR扩增已获得定点突变的基因，再通过基因工程将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译合成所需的蛋白质
后代中半数为诱变的DNA分子
空间结构完全清楚的蛋白质，进行“小改”
定点诱变有目的性和针对性
①能更充分地利用自然界中存在的蛋白质。
②能在分子水平上对编码蛋白质的基因进行再设计和改造，进而创造出自然界中不存在的蛋白质。
a.蛋白质工程优势
b.基因工程的不足
①原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。
②生产的蛋白质不一定符合人们生产和生活的需要。
4.比较蛋白质工程与基因工程
比较项目 基因工程 蛋白质工程
操作对象 操作水平 区别 原理
过程
实质
结果
应用 现状 在转基因动植物、药物生产等领域 已有广泛应用 主要集中在对现有蛋白质的改造，
还需不断地攻坚克难
基因
DNA分子水平
基因重组
中心法则、基因重组
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→目的基因及其表达产物的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→
改造或合成对应的DNA序列（基因） →基因工程技术合成新的蛋白质
通过基因重组定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物或产品
通过改造基因定向改造或生产人类所需的新的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
可生产自然界没有的蛋白质
联系：蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程________________
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
速效胰岛素类似物
预期结构
折叠等
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用
二、蛋白质工程的设计思路和应用
实例1. 研发速效胰岛素类似物
第3位上的异亮氨酸
半胱氨酸
-s-s-
改造后的T4溶菌酶，可在第3位（异亮氨酸）与第97位（半胱氨酸）之间形成一个新的二硫键，使T4溶菌酶获得了较强的耐热特征
实例2. 提高蛋白质的热稳定性
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。如何改善酶的催化活性呢？
1．转换氨基酸残基
应用：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，酶的活性大幅度提高。
实例3. 改善酶的催化活性
2．删除末端部分氨基酸序列或某些肽段。
1．思路：通过转换氨基酸残基可以消除酶的被抑制特性。
2．应用
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。
实例4. 消除酶的被抑制特性
蛋白质工程
蛋白质工程的一般过程
蛋白质工程的设计思路和应用
1．如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述错误的是( 　　)
A．图中①代表转录，②代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成
B．代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤，代表中心法则内容的是①②
C．蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计
D．从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的
C
2.科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的氨基酸由天冬氨酸变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。下列对蛋白质的改造，操作正确的是 (　　)
A．直接通过分子水平改造蛋白质
B．直接改造相应的mRNA
C．对相应的基因进行操作
D．重新合成新的基因
C

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