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1、1.蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的原理和应用2.蛋白质工程的实际应用 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？用细菌“画”的画一、蛋白质工程崛起的缘由1.蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以 及其与 作为基础,通过 或 ,来改造 ,或 蛋白质,以满足 。蛋白质分子的结构规律生物功能的关系改造合成基因现有蛋白质制造一
2、种新的人类生产和生活的需求基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系；手段：基因修饰或基因合成；改造对象：蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构；产物：改造的蛋白质、新的蛋白质。2.基因工程的实质及缺陷（1）实质：基因工程是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）缺陷：原则上，基因工程只能产生自然界中已经存在的蛋白质。蛋白质工程的崛起主要是由于工业生产和基础理论研究的需要。（1）天然蛋白质的缺陷：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。（
3、2）蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活需要的非天然蛋白质。理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。一、蛋白质工程崛起的缘由转录DNARNA翻译肽链逆转录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：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血红蛋白的三级结构细胞内赖氨酸的浓度达到一定浓度达到一定浓度两种酶的活性两种酶的活性352位的位的苏氨酸苏氨酸变成变成异亮氨酸异亮氨酸二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶104位的位的天冬酰胺天冬酰胺变成变成异亮氨酸异亮氨酸抑制抑制提提高高提提高
4、高限制限制提高提高5倍倍提高提高2倍倍【实例】对天然酶的改造一、蛋白质工程崛起的缘由赖氨酸含量赖氨酸含量1.蛋白质工程的目标：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.改造蛋白质的方法：改造或合成基因二、蛋白质工程的基本原理基因决定蛋白质预期功能生物功能设计推测改造或合成目的基因转录翻译mRNA多肽链行使蛋白质（三维结构）折叠二、蛋白质工程的基本原理预期功能生物功能分子设计折叠DNA合成翻译转录基因DNA蛋白质结构氨基酸序列mRNA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对应的脱氧核苷酸序列合成新基因获得所需要的蛋白质蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来
5、的第二代基因工程。改造后相应基因的表达仍旧需要借助基因工程来实现。逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反讨论：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。1.对天然的蛋白质进行改造，为什么不是对天然的蛋白质进行改造，为什么不是直接对蛋白质分子进行操直接对蛋白质分子进行操作作，还是通过，还是通过对基因的操作对基因的操作来实现的？来实现的？蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；基因可以遗传，蛋白质无法遗传；二、蛋白质工程的基本原理2.某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：二、蛋白质工程的基本原理查密
6、码子表得知：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）。mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）二、蛋白质工程的基本原理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。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
7、基的替换、增添等。拓展延伸:根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质改造可分三类：（1）大改：设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质（2）中改：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。（3）大改：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基比较项目蛋白质工程基因工程区别过程实质结果联系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，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品创造出自然界不
8、存在的蛋白质生产出自然界已有的蛋白质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基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造研发速效胰岛素类似物提高干扰素的保存期改造抗体改造酶（工业、农业）01020304三、蛋白质工程的应用行使功能设计结构实例实例1：研发研发速效速效胰岛素类似物胰岛素类似物天然胰岛素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mRNA折叠预期功能降低胰岛素的聚合作用改变B链第2029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转录三、蛋白质工程的应用天然干扰素天然干扰素（体外保存困难）
9、（体外保存困难）改造后的干扰素改造后的干扰素（-70可保存半年）可保存半年）半胱氨酸半胱氨酸丝氨酸丝氨酸实例实例2：延长干扰素体外保存时间：延长干扰素体外保存时间三、蛋白质工程的应用医学问题：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解决办法：解决办法：通过改造基因，通过改造基因，将小鼠将小鼠抗体上结合抗原的区域抗体上结合抗原的区域（即可变区）（即可变区）“嫁接嫁接”到人的抗体到人的抗体（即恒定区）（即恒定区）上，上，经过这样改造的抗体经过这样改造的抗体诱发免疫诱发免疫反应的强度反应的强度就就会减低很多。会减低很多。实例实例3：制备人鼠嵌合抗体：制备人鼠嵌合抗体三、蛋白质工程
10、的应用在工业方面的应用在工业方面的应用突变体在农业方面的应用在农业方面的应用（1）尝试改造某些调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。（2）改造微生物蛋白质的结构，使其防治病虫害的效果增强。广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶三、蛋白质工程的应用（1）改进酶的性能，从而提高其使用价值。如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的_，从中筛选出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。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由计算机建立的血红蛋白
11、三维结构模型蛋白三维结构模型前景展望：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。四、蛋白质工程的困难三级结构一级结构四级结构二级结构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
12、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。1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸，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。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，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。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。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。蛋白质
13、工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。()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分析蛋白质的三维结构B.研究蛋白质的氨基酸组成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，满足人类的需求改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求D3.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
14、水蛭素第氨酸替换水蛭素第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换研究中，目前可行的直接操作对象是()A.基因基因 B.氨基酸氨基酸 C.多肽链多肽链 D.蛋白质蛋白质A A4.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。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。为了提高为了提高T4溶菌酶的耐热性溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一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，些重要结构进行了研究。然后以此为依据
15、对相关基因进行改造，使使T4溶菌酶的第溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第。于是，在该半胱氨酸与第97位位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，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。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这项工作属于什么工程的范畴?在该实例中引起在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么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做哪些方面的工作?这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起这项工作属于蛋白质
16、工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构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。如果要将改造后的改造后的T4溶菌酶应用于生产实践溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如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因此它的一些基本特性需要重新明确要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产评估生产成本等。成本等。