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第三章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
下图是用发出不同颜色荧光的细菌“西画” 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。
思考：那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
想一想：如何让细菌能发出荧光？
荧光蛋白基因
细菌
荧光
蛋白
导入
荧光蛋白
基因表达
基因工程：
基因工程实质：
基因工程是将一种生物的 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 ，进而表现出 。
基因
蛋白质
新性状
基因重组
自然界中存在的荧光蛋白只有绿色荧光蛋白，能否通过基因工程，获得黄色荧光蛋白呢？
不能
①基因工程不足：
原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的 符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合 的需要。
②天然蛋白质的不足:
结构和功能
人类生产和生活
蛋白质工程崛起的缘由
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
蛋白质工程：
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。
①基础：
②手段：
③结果：
④目的：
蛋白质的结构规律与生物功能关系
改造或合成基因
改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质
满足人类生产和生活需求
蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的，又叫作第二代基因工程。
思考：蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？
一、蛋白质工程崛起的缘由
实例：提高玉米中赖氨酸的含量来满足人类生活需求。
蛋白质工程手段：
玉米中赖氨酸合成受两种关键酶：天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶影响，改造这两种酶，使赖氨酸含量提高。
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
+
赖氨酸合成
（＋）
赖氨酸含量达到一定浓度
（－）
（－）
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
+
赖氨酸合成
（＋）
赖氨酸含量提高
第352位苏氨酸变成异亮氨酸
第104位天冬酰胺变成异亮氨酸
↑5倍
↑2倍
改
造
前
改
造
后
一、蛋白质工程崛起的缘由
逆转录
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
天然蛋白质的合成过程与性状表达
温故知新：
蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能
二、蛋白质工程的基本原理
1、目标：
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。
2、原理：
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。
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蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
②基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
③蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
3、天然蛋白质合成的过程
天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。
基因→表达（转录和翻译）→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。
而蛋白质工程却与之相反！
二、蛋白质工程的基本原理
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
折叠
蛋白质
（三维结构）
行使
生物功能
预期功能
设计
推测
改造或合成
①预期蛋白质的功能
②设计预期的蛋白质结构
③推测应有的氨基酸序列
④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
⑤获得所需蛋白质
★4、蛋白质工程的基本思路
从预期的蛋白质功能出发→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。
①蛋白质工程是在分子水平上进行
②蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反进行
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
借助计算机
通过X射线衍射技术
基因的定点突变技术
构建蛋白质三维结构图：
制备蛋白质晶体：
碱基的替换：
思考·讨论：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：
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。
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙
氨酸
查阅密码子表
氨基酸的编码序列
推出mRNA序列
推出脱氧核苷酸序列
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
推出脱氧
核苷酸序列
推出mRNA序列：
GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA（或G）UUU(或C)，
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙
氨酸
GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA(或G) TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT(或C) AAA(或G)
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？
（1）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、PCR技术扩增；
（2）应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。
3、然后如何获得所需蛋白质呢？
改造后得到的基因序列通过PCR扩增后，通过基因工程技术获得转基因生物，从而生产出所需蛋白。
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
5. 蛋白质工程与基因工程的比较
小结：如何判断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
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。
三、蛋白质工程的应用
1.研发速效胰岛素类似物
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
转录
mRNA
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
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
2.延长干扰素体外保存时间
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
转录
mRNA
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
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
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。
小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
3.改造抗体—降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
医学问题:
解决办法:
4.其他
①改进酶的性能或开发新的工业用酶；
②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；
③设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强；
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。
5.面临的困难：
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
主要原因：
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
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
6.前景展望：
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。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。
酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
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。( )
√
×
×
练习与应用
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
3.水经素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水经素第47位的天冬酰肢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
D
A
练习与应用
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的技术体系，评估生产成本等。
6.镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β 肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。回答下列问题：
(1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的____________序列发生改变。
(2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作_______(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作___________________________________________。
(3)用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的________，以其作为模板，在________酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和_____________酶的作用下，构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。
(4)检测受体菌是否已合成血红蛋白，可从受体菌中提取________，用相应的抗体进行______________杂交，若出现杂交带，则表明该受体菌已合成血红蛋白。
碱基
不属于
没有对现有蛋白质进行改造
mRNA
逆转录
DNA连接
蛋白质
抗原-抗体
7.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______；
②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计

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