生物素材：教材梳理蛋白質工程的崛起

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精庖丁巧解牛知識·巧學一、蛋白質工程崛起的緣由蛋白質工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎理論研究的需要。而結構生物學對大量蛋白質分子的精確立體結構及其復雜的生物功能的分析結果，為設計改造天然蛋白質提供了藍圖。分子遺傳學以定點突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g為蛋白質工程提供了手段。在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下,大多數(shù)酶會很快變性失活。提高蛋白質的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質的穩(wěn)定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的保存期,抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。在基礎理論研究方面，蛋白質工程是研究多種蛋白質的結構和功能、蛋白質折疊、蛋白質分子設計等一系列分子生物學基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質工程的研究，可以深入地揭示生命現(xiàn)象的本質和生命活動的規(guī)律。疑點突破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干擾素蛋白質中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位）,推測可能是由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，結果使大腸桿菌中生產(chǎn)的β干擾素的抗病活性提高到108U/mg，并且比天然β干擾素的儲存穩(wěn)定性高很多。知識拓展人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該組織正式提出并啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭。這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區(qū)的80多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質,為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎。人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。二、蛋白質工程的基本原理蛋白質工程就是根據(jù)蛋白質的精細結構與功能之間的關系，利用基因工程手段，按照人類自身需求,定向改造天然蛋白質,甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質分子。蛋白質工程自誕生起就與基因工程密不可分。蛋白質工程通過對天然蛋白質的基因的改造，來實現(xiàn)對它編碼的蛋白質的改造。因此它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質,而是通過改造的、具有了人類所需優(yōu)點的蛋白質。蛋白質是生命的體現(xiàn)者，離開了蛋白質，生命將不復存在.可是，生物體內(nèi)存在的天然蛋白質，有的往往不盡如人意，需要進行改造。由于蛋白質是由許多氨基酸按一定順序連接而成的,每一種蛋白質有自己獨特的氨基酸順序，所以改變其中關鍵的氨基酸就能改變蛋白質的性質。而氨基酸是由三聯(lián)體密碼決定的，只要改變構成遺傳密碼的一個或兩個堿基就能達到改造蛋白質的目的.蛋白質工程的一個重要途徑就是根據(jù)人們的需要,對負責編碼某種蛋白質的基因重新進行設計,使合成的蛋白質變得更符合人類的需要。記憶要訣蛋白質工程流程:預期蛋白質功能→設計預期的蛋白質結構→推測應有氨基酸序列→找到對應的脫氧核苷酸序列（基因）。三、蛋白質工程的進展和前景蛋白質工程在食品工業(yè)、日用品工業(yè)方面有廣泛的應用前景。比如用經(jīng)過改造的穩(wěn)定性好的酶，可由價格便宜的棕櫚油生產(chǎn)出價格昂貴的可可脂,從而創(chuàng)造很高的經(jīng)濟效益。荷蘭一家公司設計了一種能和漂白劑一同起作用的去污酶,并且通過對這種酶上的兩個氨基酸的修改，使這種酶具有較高抵抗力，在洗滌過程中不受破壞。因此，通過蛋白質工程可實現(xiàn)常規(guī)酶工程手段不能實現(xiàn)的目標。在醫(yī)學上，蛋白質工程也具有廣泛的應用前景.例如，用人工手段去改造某些致癌基因的產(chǎn)物—-蛋白質，使它失去致癌作用，從而開辟治療癌癥的新途徑。我國的蛋白質工程具有國際先進水平,這些工程包括重組人胰島素和溶血栓藥物、重組人尿激酶等.對動植物體內(nèi)參與重要生命活動的酶加以修飾和改造，是蛋白質工程未來發(fā)展的一個重要目標.有朝一日，人們一定能夠通過蛋白質工程來設計、控制那些與DNA相互作用的調控蛋白質，到那時，人為控制遺傳、改造生命就不再是天方夜譚了.辨析比較蛋白質工程與基因工程簡單地講,蛋白質工程就是根據(jù)蛋白質的精細結構和生物活力的作用機制之間的關系，利用基因工程的手段，按照人類自身的需要，定向地改造天然的蛋白質，甚至于創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質分子。蛋白質工程在誕生之日起就與基因工程密不可分?；蚬こ淌峭ㄟ^基因操作把外源基因轉入適當?shù)纳矬w內(nèi)，并在其中進行表達，它的產(chǎn)品還是該基因編碼的天然存在的蛋白質.蛋白質工程則更進一步根據(jù)分子設計的方案，通過對天然蛋白質的基因進行改造，來實現(xiàn)對其所編碼的蛋白質的改造，它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質，而是經(jīng)過改造的，具有了人類所需要的優(yōu)點的蛋白質。天然蛋白質都是通過漫長的進化過程自然選擇而來的,而蛋白質工程對天然蛋白質的改造，好比是在實驗室里加快了的進化過程，期望能更快、更有效地為人類服務。問題·探究問題1蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？探究:基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質.問題2對天然蛋白質進行改造,你認為應該直接對蛋白質分子進行操作,還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？探究：毫無疑問應該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質改造，主要原因如下:（1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造,即使改造成功,被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。(2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作,難度要小得多。問題3能不能根據(jù)人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質食品呢？探究：理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然界不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜,人類對蛋白質的高級結構和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質。典題·熱題例1已知某多肽的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—…，控制此多肽合成的基因中的堿基序列()A.只能有一種情況B?？赡苡卸喾N情況C。A、B都不對D。A、B都正確解析：每種氨基酸都有對應的密碼子，由于有的氨基酸密碼子不是唯一的，因此導致mRNA上的核糖核苷酸的序列無法準確確定，只能根據(jù)密碼子表將所有可能情況逐一列出，再根據(jù)堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列,因此，基因中的堿基序列也是不確定的。答案：B誤區(qū)警示一種密碼子只對應一種氨基酸，但一種氨基酸可能有多種密碼子，要注意“一對多，多對一”關系。例2蛋白質工程和基因工程的相同點在于(）A。最終目的B.實施過程C?；驹鞤.沒有共同點解析：蛋白質工程和基因工程的最終目的都是獲得人們預期的蛋白質，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。蛋白質工程根據(jù)人們對特定蛋白質的需要，設計預期蛋白質，推測出預期蛋白質的氨基酸序列，再找到相對應的核苷酸序列，最終生產(chǎn)符合要求的蛋白質?；蚬こ淌菍⒃械囊欢翁囟ê塑账嵝蛄衅唇拥搅硗庖欢魏塑账嵝蛄兄?，使其產(chǎn)生人們需要的蛋白質。蛋白質工程從改造蛋白