第三節(jié) 蛋白質(zhì)工程

第三節(jié)蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1、基因工程的應用（1）基因工程的實質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者產(chǎn)生本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新的性狀。在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。（2）基因工程的不足：蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1、基因工程的應用2、天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1、基因工程的應用2、天然蛋白質(zhì)的不足3、蛋白質(zhì)工程的目的生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活的需要的蛋白質(zhì)。滿足人類生產(chǎn)和生活的需要例如：改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進行表達，產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為106U/mg，只相當于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的β-干擾素量很多，但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存在。為什么會這樣？如何改變這種狀況？研究發(fā)現(xiàn)，β-干擾素蛋白質(zhì)中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的β-干擾素的抗病性活性提高到108U/mg，并且比天然β-干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。滿足人類生產(chǎn)和生活的需要又如：玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍改造改造一、蛋白質(zhì)工程的概念1.概念:

蛋白質(zhì)工程是指通過物理化學與生物化學等技術(shù)了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，并借助計算機輔助設(shè)計、基因定點誘變和重組DNA技術(shù)改造基因，以定向改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)的技術(shù)?；蚬こ淌瞧渲械年P(guān)鍵技術(shù),蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程?；A(chǔ):實質(zhì)：途徑:目標:了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系基因修飾或基因合成改造或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的生產(chǎn)或生活的需要是對編碼蛋白質(zhì)的基因進行改造一、蛋白質(zhì)工程的概念2.理解轉(zhuǎn)錄DNAmRNA翻譯肽鏈折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達生物特有的功能或性狀天然蛋白質(zhì)的合成過程?遵循中心法則，并需經(jīng)過高級空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變究探作合逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯蛋白質(zhì)復制復制天然蛋白質(zhì)的合成遵循中心法則納歸題問轉(zhuǎn)錄DNA復制轉(zhuǎn)錄DNA復制思考：對天然蛋白質(zhì)進行改造，你認為應該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？應該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。（2）對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。

究探續(xù)繼蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)是對編碼蛋白質(zhì)的基因進行改造!結(jié)構(gòu)分析功能分析結(jié)構(gòu)預測與設(shè)計基因工程(關(guān)鍵技術(shù))蛋白質(zhì)純化不斷完善蛋白質(zhì)工程基本原理示意圖二、蛋白質(zhì)工程的原理根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行分子設(shè)計。

1、目標：2、原理：改造基因（基因修飾或基因合成）二、蛋白質(zhì)工程的原理納歸題問３.途徑:預期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應有的氨基酸序列找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）納歸題問蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)氨基酸序列多肽鏈基因DNA預期功能DNA合成分子設(shè)計mRNA生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯折疊圖1-29蛋白質(zhì)工程流程圖蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括：（1）從生物體中分離純化目的蛋白；（2）測定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維結(jié)構(gòu)(構(gòu)象)和三維晶體結(jié)構(gòu)(空間結(jié)構(gòu));（4）設(shè)計各種處理條件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5）設(shè)計編碼該蛋白的基因改造方案，如點突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用?！獙嵤┑鞍踪|(zhì)工程的前提條件1.了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系資料1:

蛋白質(zhì)的分子設(shè)計與改造蛋白質(zhì)工程首先是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和溶液構(gòu)象的研究，積累了成千上萬蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)資料，并編制成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，得以從中找出蛋白質(zhì)分子間的進化關(guān)系、一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的關(guān)系、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系方面的規(guī)律。————實施蛋白質(zhì)工程的前提條件1.了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系X射線衍射儀核磁共振儀器蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)胰島素的三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)血紅蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

血紅蛋白分子就是由二個由141個氨基酸殘基組成的α亞基和二個由146個氨基酸殘基組成的β亞基按特定的接觸和排列組成的一個球狀蛋白質(zhì)分子，每個亞基中各有一個含亞鐵離子的血紅素輔基?！獙嵤┑鞍踪|(zhì)工程的關(guān)鍵2.用基因工程的方法改造蛋白質(zhì)資料2:

蛋白質(zhì)作為生物大分子是生物化學和分子生物學的研究重點，大量蛋白質(zhì)被分離純化，測定了它們的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和生物學作用。分子生物學有關(guān)基因組的研究，也可以用以推測出一些未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。采用定位誘變的方法，可以對編碼蛋白質(zhì)的基因進行核苷酸密碼子的插入、刪除、置換和改組，其結(jié)果為分子改造提供新的設(shè)計方案?，F(xiàn)有的蛋白質(zhì)是生物長期進化的結(jié)果，蛋白質(zhì)工程則是對生物進化的模擬，按照蛋白質(zhì)形成的規(guī)律，改造蛋白質(zhì)或構(gòu)建新的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的改造通常需要先經(jīng)周密的分子設(shè)計，然后依賴基因工程獲得突變型蛋白質(zhì)，以檢驗其是否達到了預期的效果。如果改造的結(jié)果不理想，還需要從新設(shè)計再進行改造，往往經(jīng)歷多次實踐摸索才能達到改進蛋白質(zhì)性能的預定目標。

————實施蛋白質(zhì)工程的關(guān)鍵2.用基因工程的方法改造蛋白質(zhì)

改造類型操作程序大改

中改小改

設(shè)計、制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)替代某一個肽段或一個特定的結(jié)構(gòu)域改造某個活性單位的一個或幾個氨基酸殘基（定點誘變技術(shù)）核心技術(shù)

基因定點誘變技術(shù)的示意圖

——改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一

PCR誘變引物定向突變基因受體細胞目的蛋白質(zhì)基因工程表達定點誘變技術(shù)27基因定點誘變技術(shù)的理解項目內(nèi)容條件原料酶引物能量ＡＴＰ操作方法ＰＣＲ法結(jié)果適應范圍后代中半數(shù)為誘變的ＤＮＡ分子脫氧核苷酸ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ連接酶含突變順序的ＤＮＡ分子片段空間結(jié)構(gòu)完全清楚的蛋白質(zhì)思考：基因定點誘變技術(shù)與基因突變的比較比較基因定點誘變基因突變相同點發(fā)生的過程結(jié)果不同點場所手段方向DNA復制過程中產(chǎn)生新基因，從而產(chǎn)生新性狀生物體外生物體內(nèi)定向改造不定向性PCR技術(shù)物理化學方法實例：胰島素改造天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進入血液，從而延緩了其降血糖作用，這是胰島素B23-B29氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基（將胰島素B鏈由：B28脯氨酸—B29賴氨酸

B28賴氨酸—B29脯氨酸

），則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用(單體速效胰島素)。該速效胰島素已通過臨床實驗。目前，空間結(jié)構(gòu)完全清楚的蛋白質(zhì)數(shù)量還比較少，對于那些不能預的蛋白質(zhì)，可采用非定點誘變技術(shù)來進行蛋白質(zhì)改造。雖然目的性和針對性比不上定點誘變，但是因為突變位點多，有時甚至會產(chǎn)生出意想不到的改造效果。三、蛋白質(zhì)工程的應用

蛋白質(zhì)工程匯集了當代分子生物學等學科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就，它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進到嶄新的時代，為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)境保護等方面的應用開拓了誘人的前景。蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造、創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時期。1、改造酶結(jié)構(gòu)，有目的地提高酶的熱穩(wěn)定性和催化活性2、生物制藥——“鼠—人嵌合抗體”、“對t-PA的改造”3、疾病診斷：利用蛋白質(zhì)芯片檢測與診斷SARS病毒異亮氨酸蘇氨酸天門冬酰胺天門冬酰胺酵母菌丙糖磷酸異構(gòu)酶熱穩(wěn)定性提高50％工業(yè)生產(chǎn)上三、蛋白質(zhì)工程的應用1、改造酶結(jié)構(gòu)，提高酶的熱穩(wěn)定性實例：鼠抗體人抗體恒定區(qū)恒定區(qū)可變區(qū)可變區(qū)嵌合抗體對人體的不良反應減少制藥領(lǐng)域上2、鼠—人嵌合抗體3.對t-PA的改造”：纖維蛋白溶解酶原激活因子中的天門冬酰胺替換為谷氨酰胺延長了其在血液循環(huán)中的停留時間4、蛋白質(zhì)芯片檢測與診斷SARS病毒（閱讀）蛋白質(zhì)工程使我們不僅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白質(zhì)，而且能夠在分子水平上對基因和蛋白質(zhì)進行再設(shè)計和改造，進而創(chuàng)造出自然界不存在的基因和蛋白質(zhì)。當然，蛋白質(zhì)工程中還有許多理論和技術(shù)問題有待研究和探索，但是我們可以相信，蛋白質(zhì)工程的發(fā)展前景一定非常廣闊！項目基因工程蛋白質(zhì)工程操作起點操作核心過程目標結(jié)果聯(lián)系目的基因預期的蛋白質(zhì)功能基因表達載體基因獲取目的基因→構(gòu)建表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與表達預期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→推測核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上,延伸出來的第二代基因工程。因為對現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)，必須通過基因的修飾或基因的合成。生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)

1．關(guān)于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說法不正確的是（）

A．是生物在長期進化過程中形成的

B．它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要

C．構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的氨基酸目前發(fā)現(xiàn)的有20種

D．一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要D習練饋反

2．蛋白質(zhì)工程中直接需要進行操作的對象是Ａ．氨基酸結(jié)構(gòu)B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

C．肽鏈結(jié)構(gòu)D．基因結(jié)構(gòu)

Ｄ3．下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法錯誤的是（）A．蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要B．蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)C．蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子D．蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程Ｂ習練饋反4、以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是（)A、蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)B、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進行改造D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì)

Ａ5、蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（）①蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計②DNA合成③預期蛋白質(zhì)功能④根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列

A．①②③④B．④②①③

C．③①④②D．③④①②Ｃ習練饋反6、蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延伸