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1、1.4 蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链复制复制复制复制折叠折叠等等具有空间结具有空间结构的蛋白质构的蛋白质表达生物特有表达生物特有的功能或性状的功能或性状天然蛋白质的合成过程天然蛋白质的合成过程遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程崛起的缘由满足人类满足人类生产和生生产和生活的需要活的需要例如：例如：改造改造干扰素（半胱氨酸）干扰素（半胱氨酸）体外很难保存体外很难保存干扰素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年体外可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低
2、天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352352位的苏氨酸）位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（104104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（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（异亮氨酸）（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造改造改造蛋白质工程就是为了生产出符合人蛋白质工程就是为了生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。自然界不存在的蛋白质。蛋白质工程蛋白质工程 以蛋白质分子的以蛋白质分子的结构结构规律及其生物规律及其生物功能功能的关系的关系作为基
3、础，通过作为基础，通过基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成，对现有，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。满足人类的生产和生活的需求。一、蛋白质工程的崛起一、蛋白质工程的崛起二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1、目标：、目标：根据人们对根据人们对蛋白质功能蛋白质功能的特定需求，的特定需求，对对蛋白质的结构蛋白质的结构进行分子进行分子设计设计。讨论讨论1：蛋白质工程的目标是什么？：蛋白质工程的目标是什么？讨论讨论2.对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行
4、操作，还是通过对基因的操作来实现？白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？答：毫无疑问应该从答：毫无疑问应该从对基因的操作对基因的操作来实现对天然蛋来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：白质改造，主要原因如下：（1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改）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。如果对蛋白质直接改造，即使白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。（2）对基因进行改造比对蛋白质直
5、接改造要容易）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。操作，难度要小得多。蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 胰胰岛岛素素的的三三级级结结构构血红蛋白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子血红蛋白分子就是由二个由就是由二个由141个氨基酸残个氨基酸残基组成的基组成的亚基亚基和二个由和二个由146个个氨基酸残基组氨基酸残基组成的成的亚基按特亚基按特定的接触和排定的接触和排列组成的一个列组成的一个球状蛋白质分球状蛋白质分子，每个亚基子，每个亚基中各有一个含中各有一个含亚铁离子的血亚铁离子的血红素辅基。红素辅基。2、蛋白质工程的、蛋白质工程的
6、原理原理：基因改造：基因改造3、基本、基本途径途径：从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）蛋蛋白白质质工工程程是是在在基基因因工工程程的的基基础础上上，延延伸伸出出来来的的第第二二代代基基因因工工程程。人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域中的一项重大的科学命题。科学乃至自然科学领域中的一项重大的科学命题。20012001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。年，国际人类蛋白质
7、组组织宣告成立。20032003年，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：年，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项一项是由中国科学家牵头执行的是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计人类肝脏蛋白质组计划划”，它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。科学基础。另一项另一项是以美国科学家牵头执行的是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组人类血浆蛋白质组计划计划”。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力人类蛋白质组计划的深入研
8、究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。推动和理论支持。讨论讨论3：你知：你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？有什么关系？我国科学家承担了什么任务？异想天开异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应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？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。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一些报道利用细菌生
9、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，非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如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，何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有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。来什么危害也是人们所担心的。讨论讨论4：蛋白质工程操作思路与基因工程有什：蛋白质工程
10、操作思路与基因工程有什么不同？么不同？基因工程遵循中心法则，从基因工程遵循中心法则，从DNAmRNA 蛋白质蛋白质折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能能蛋白质应用的高级结构蛋白质应用的高级结构蛋白质应具备的折叠状蛋白质应具备的折叠状态态应有的氨基酸序列应有的氨基酸序列应有的碱基序列，可以创造应有的碱基序列，可以创造出自然界不存在的蛋白质。出自然界不存在的蛋白质。三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景讨论讨论4.研究蛋白质工程，有
11、成功的例子吗？研究蛋白质工程，有成功的例子吗？有，科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为有，科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效性药品。速效性药品。讨论讨论5.研究蛋白质工程是一项难度很大的工程，研究蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，为什么？目前成功的例子不多，为什么？主要是因为主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂，而目前科学家级结构，这种高级结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够，要，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛设计出更加符合人
12、类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。的探索。讨论讨论5.蛋白质工程的前景如何？蛋白质工程的前景如何？生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面微电子方面。用蛋白质工程方法制成的。用蛋白质工程方法制成的电子元件电子元件，具有具有体积小、耗电少和效率高体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为的特点，因此有极为广阔的发展前景。广阔的发展前景。项目 蛋白质工程基因工程 操作方法结 果 操作对象操作流程区别联系基因的改造、合成基因的改造、合成基因的剪切基因的剪切拼接、导入拼接、导入获得自然界未有的获得自然界未有的蛋白质蛋白质所得到的蛋白质是所得到的蛋
13、白质是自然界存在的自然界存在的基因基因蛋白质工程获得目的基因后，需要进行基蛋白质工程获得目的基因后，需要进行基因工程的操作来获得预期蛋白质因工程的操作来获得预期蛋白质探究探究：你知道：你知道酶工程酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？酶工程与蛋白质工程有什么区别？酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的
14、生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。工业、轻工业以及医药工业中。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用点在于对已存酶的合理充分利用，而，而蛋白质工程的重点蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造则在于对已存在的蛋白质分子的改
15、造。当然，随着蛋白。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。成为蛋白质工程的一部分。1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（不正确的是（）A是生物在长期进化过程中形成的是生物在长期进化过程中形成的B它们的结构和功能符合特定物种生存的需要它们的结构和功能符合特定物种生存的需要C构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种种D一定完全符合人类生产和生活的需要一定完全符合人类生产和生活的需要练习检测练习检测D2蛋蛋白白质质工工
16、程程中中直直接接需需要要进进行行操操作作的的对对象象是是（）氨基酸结构氨基酸结构 B蛋白质空间结构蛋白质空间结构 C肽链结构肽链结构 D基因结构基因结构 3下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）A蛋蛋白白质质工工程程能能定定向向改改造造蛋蛋白白质质分分子子的的结结构构，使使之之更更加加符合人类的需要符合人类的需要B蛋蛋白白质质工工程程是是在在分分子子水水平平上上对对蛋蛋白白质质分分子子直直接接进进行行操操作，定向改变分子的结构作，定向改变分子的结构C蛋蛋白白质质工工程程能能产产生生出出自自然然界界中中不不曾曾存存在在过过的的新新型型蛋蛋白白质分子质分子D蛋蛋白
17、白质质工工程程与与基基因因工工程程密密不不可可分分，又又被被称称为为第第二二代代基基因工程因工程4 4、蛋白质工程的基本流程正确的是（）、蛋白质工程的基本流程正确的是（）蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计DNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A B C D5 5、蛋蛋白白质质工工程程是是在在基基因因工工程程基基础础上上，延延伸伸出出来来的的第第二二代代基基因因工工程程，其其结结果果产产生生的的蛋蛋白白质质是是（）（）A氨基酸种类增多氨基酸种类增多 B氨基酸种类减少氨基酸种类减少C仍为天然存在蛋白质仍为天然存在蛋白质 D可合成天然不存在蛋白质可合成天然不存在蛋白质6、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（不正确的是（）A科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品速效药品B生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面程应用于微电子方面C蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用大力推广应用D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多成功的例子不多C