3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

我國是棉花的生產(chǎn)和消費(fèi)大國。棉花在種植過程中，常常會受到一些害蟲的侵襲，其中以棉鈴蟲最為常見。普通棉花如何能培育出自身就能抵抗蟲害的棉花新品種呢？轉(zhuǎn)基因抗蟲棉第3章基因工程將蘇云金桿菌中的Bt抗蟲蛋白基因轉(zhuǎn)入普通棉花【從社會中來】你見過用細(xì)菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樗鼈凅w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實(shí)現(xiàn)的蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。①基礎(chǔ)：②操作手段及對象：③結(jié)果：④目的：⑤困難：蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴正確的高級結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難度很大的工程。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，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由目錄/CONTENTS01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的實(shí)質(zhì)及不足①實(shí)質(zhì)：基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新性狀。②不足：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)?；蛑亟M2.天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)是生物長期進(jìn)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。3.實(shí)例：提高玉米賴氨酸含量賴氨酸合成調(diào)控達(dá)到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴氨酸含量抑制提高提高限制提高提高5倍提高2倍人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國際合作科研項(xiàng)目。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動兩項(xiàng)重大國際合作項(xiàng)目：一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是由美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國際科研協(xié)作計(jì)劃。它的目標(biāo)是通過對肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)?；难芯?，解析肝臟蛋白質(zhì)在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃取得的成果有力推動了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃啟動?！九詸谒伎肌磕阒廊祟惖鞍踪|(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由目錄/CONTENTS1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：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(jìn)行設(shè)計(jì)改造。2.改造蛋白質(zhì)的方法：改造或合成基因3.天然蛋白質(zhì)合成過程：按照中心法則進(jìn)行基因表達(dá)形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能轉(zhuǎn)錄、翻譯4.蛋白質(zhì)工程的基本思路從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反【問題探究】下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：（1）寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容：

①

；②

；③

；④

；⑤

。（2）代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是

；

代表中心法則內(nèi)容的是

。（填寫數(shù)字）（3）蛋白質(zhì)工程的目的是根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，

，通過

實(shí)現(xiàn)。（4）從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是

的。轉(zhuǎn)錄翻譯盤曲折疊推測改造或合成對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造改造或合成基因相反④⑤①②③5.基因工程和蛋白質(zhì)工程的比較（1）蛋白質(zhì)工程需直接改造

，而不直接改造

。

原因：①任何一種天然蛋白質(zhì)都是由

編碼的，改造了

即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質(zhì)也是無法遺傳的。原因：②對

進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多。基因蛋白質(zhì)基因基因基因（2）基因工程和蛋白質(zhì)工程的區(qū)別①通過基因判斷：若基因的編碼蛋白序列未經(jīng)改造，則為

工程，反之，則為

工程。②通過蛋白質(zhì)判斷：若生產(chǎn)出的蛋白質(zhì)是天然蛋白質(zhì)，則為

工程，反之，則為

工程。（3）基因工程和蛋白質(zhì)工程的聯(lián)系：兩種工程都是在

水平上對

進(jìn)行操作，目的都是合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)工程是以

工程為基礎(chǔ)的?；虻鞍踪|(zhì)基因蛋白質(zhì)分子基因基因蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程。【思?考討論】蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。查密碼子表【思?考討論】蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。查密碼子表得知：推知mRNA序列為：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共

種可能序列32GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G）UUU(或C)mRNA序列脫氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列共

種可能序列321.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來?！舅?考討論】蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。學(xué)科交叉蛋白質(zhì)工程經(jīng)常要借助計(jì)算機(jī)來建立蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型；要制備蛋白質(zhì)晶體，然后通過X射線衍射技術(shù)，分析晶體結(jié)構(gòu)；要用到基因的定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換。重疊延伸PCR大引物PCR01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由目錄/CONTENTS1.醫(yī)藥工業(yè)方面①實(shí)例1：研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合實(shí)例2.延長干擾素體外保存時間天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長保存時間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年實(shí)例3.改造抗體——降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)醫(yī)學(xué)問題：小鼠單克隆抗體會使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低解決辦法：通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會減低很多。人鼠嵌合抗體2.其他工業(yè)方面的應(yīng)用—廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶①改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量；②設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。3.農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用4.面臨的困難：蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程。主要原因：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。由計(jì)算機(jī)建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型5.前景展望：科學(xué)家要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。（1）蛋白質(zhì)工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質(zhì)

（

）（2）對蛋白質(zhì)的改造是通過直接改造相應(yīng)的mRNA來實(shí)現(xiàn)的

（

）（3）由于蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，空間結(jié)構(gòu)千差萬別，蛋白質(zhì)工程操作難度很大

（

）（4）蛋白質(zhì)工程不能改變蛋白質(zhì)的活性

（

）判斷?？颊Z句，澄清易混易錯【歸納總結(jié)】基因工程與蛋白質(zhì)工程的比較比較項(xiàng)目基因工程蛋白質(zhì)工程原理

的逆轉(zhuǎn)區(qū)別過程獲取目的基因→構(gòu)建表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)實(shí)質(zhì)

改造生物的遺傳特性,以獲得人類所需要的生物類型或生物產(chǎn)品改造或制造人類所需要的

.

結(jié)果生產(chǎn)自然界中

的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中

的蛋白質(zhì)聯(lián)系①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,對現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)必須通過基因修飾或基因合成來實(shí)現(xiàn),蛋白質(zhì)工程離不開基因工程②基因工程中所用的某些酶也需要通過蛋白質(zhì)工程進(jìn)行修飾或改造,以提高其功能