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(yīng)用（1）基因工程的實(shí)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(jìn)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(yīng)用2、天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)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。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1、基因工程的應(yīng)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(jìn)行表達(dá)，產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為106U/mg，只相當(dāng)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(huì)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(gè)半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測(cè)可能是有一個(gè)或幾個(gè)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(diǎn)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(xué)與生物化學(xué)等技術(shù)了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，并借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、基因定點(diǎn)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(shí)質(zhì)：途徑:目標(biāo):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(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)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(dá)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(jí)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(fù)制復(fù)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(fù)制轉(zhuǎn)錄DNA復(fù)制思考：對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)？應(yīng)該從對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)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(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)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(shí)質(zhì)是對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造!結(jié)構(gòu)分析功能分析結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)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(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。

1、目標(biāo)：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(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(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到相對(duì)應(yīng)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(yù)期功能DNA合成分子設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對(duì)其活性與功能的影響；（5）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造方案，如點(diǎn)突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測(cè)后投入實(shí)際使用?！獙?shí)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)系資料1:

蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)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(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)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(jìn)化關(guān)系、一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)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(shí)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(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

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

血紅蛋白分子就是由二個(gè)由141個(gè)氨基酸殘基組成的α亞基和二個(gè)由146個(gè)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(gè)球狀蛋白質(zhì)分子，每個(gè)亞基中各有一個(gè)含亞鐵離子的血紅素輔基?！獙?shí)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)資料2:

蛋白質(zhì)作為生物大分子是生物化學(xué)和分子生物學(xué)的研究重點(diǎn)，大量蛋白質(zhì)被分離純化，測(cè)定了它們的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和生物學(xué)作用。分子生物學(xué)有關(guān)基因組的研究，也可以用以推測(cè)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(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)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(jì)方案?，F(xiàn)有的蛋白質(zhì)是生物長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果，蛋白質(zhì)工程則是對(duì)生物進(jìn)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(jì)，然后依賴基因工程獲得突變型蛋白質(zhì)，以檢驗(yàn)其是否達(dá)到了預(yù)期的效果。如果改造的結(jié)果不理想，還需要從新設(shè)計(jì)再進(jìn)行改造，往往經(jīng)歷多次實(shí)踐摸索才能達(dá)到改進(jìn)蛋白質(zhì)性能的預(yù)定目標(biāo)。

————實(shí)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(jì)、制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)替代某一個(gè)肽段或一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域改造某個(gè)活性單位的一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基（定點(diǎn)誘變技術(shù)）核心技術(shù)

基因定點(diǎn)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(xì)胞目的蛋白質(zhì)基因工程表達(dá)定點(diǎn)誘變技術(shù)27基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的理解項(xiàng)目?jī)?nèi)容條件原料酶引物能量ＡＴＰ操作方法ＰＣＲ法結(jié)果適應(yīng)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(diǎn)誘變技術(shù)與基因突變的比較比較基因定點(diǎn)誘變基因突變相同點(diǎn)發(fā)生的過程結(jié)果不同點(diǎn)場(chǎng)所手段方向DNA復(fù)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(xué)方法實(shí)例：胰島素改造天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)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(shí)驗(yàn)。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(duì)于那些不能預(yù)的蛋白質(zhì)，可采用非定點(diǎn)誘變技術(shù)來進(jìn)行蛋白質(zhì)改造。雖然目的性和針對(duì)性比不上定點(diǎn)誘變，但是因?yàn)橥蛔兾稽c(diǎn)多，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生出意想不到的改造效果。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)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(jìn)到嶄新的時(shí)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(hù)等方面的應(yīng)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(shí)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(duì)t-PA的改造”3、疾病診斷：利用蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)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(yīng)用1、改造酶結(jié)構(gòu)，提高酶的熱穩(wěn)定性實(shí)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(duì)人體的不良反應(yīng)減少制藥領(lǐng)域上2、鼠—人嵌合抗體3.對(duì)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(zhǎng)了其在血液循環(huán)中的停留時(shí)間4、蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)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(duì)基因和蛋白質(zhì)進(jìn)行再設(shè)計(jì)和改造，進(jìn)而創(chuàng)造出自然界不存在的基因和蛋白質(zhì)。當(dāng)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(xiàng)目基因工程蛋白質(zhì)工程操作起點(diǎn)操作核心過程目標(biāo)結(jié)果聯(lián)系目的基因預(yù)期的蛋白質(zhì)功能基因表達(dá)載體基因獲取目的基因→構(gòu)建表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與表達(dá)預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→推測(cè)核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)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?yàn)閷?duì)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(zhǎng)期進(jìn)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(xí)練饋反

2．蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對(duì)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(cuò)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(duì)蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)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(xí)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(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)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(jì)②DNA合成③預(yù)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(xí)練饋反6、蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延伸