生物素材：教材梳理蛋白質(zhì)工程的崛起

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精庖丁巧解牛知識·巧學(xué)一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的生物功能的分析結(jié)果，為設(shè)計改造天然蛋白質(zhì)提供了藍圖。分子遺傳學(xué)以定點突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g(shù)為蛋白質(zhì)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)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(yīng)體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(chǔ)理論研究方面，蛋白質(zhì)工程是研究多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)分子設(shè)計等一系列分子生物學(xué)基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質(zhì)工程的研究，可以深入地揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)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(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(jié)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(zhì)組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)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(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”；另一項是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕。“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質(zhì)組計劃，由我國賀福初院士牽頭。這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設(shè)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(xué)目標(biāo)是揭示并確認肝臟的蛋白質(zhì),為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計劃的深入研究將是對蛋白質(zhì)工程的有力推動和理論支持。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)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(zhì),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(zhì)分子。蛋白質(zhì)工程自誕生起就與基因工程密不可分。蛋白質(zhì)工程通過對天然蛋白質(zhì)的基因的改造，來實現(xiàn)對它編碼的蛋白質(zhì)的改造。因此它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質(zhì),而是通過改造的、具有了人類所需優(yōu)點的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是生命的體現(xiàn)者，離開了蛋白質(zhì)，生命將不復(fù)存在.可是，生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，有的往往不盡如人意，需要進行改造。由于蛋白質(zhì)是由許多氨基酸按一定順序連接而成的,每一種蛋白質(zhì)有自己獨特的氨基酸順序，所以改變其中關(guān)鍵的氨基酸就能改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)。而氨基酸是由三聯(lián)體密碼決定的，只要改變構(gòu)成遺傳密碼的一個或兩個堿基就能達到改造蛋白質(zhì)的目的.蛋白質(zhì)工程的一個重要途徑就是根據(jù)人們的需要,對負責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因重新進行設(shè)計,使合成的蛋白質(zhì)變得更符合人類的需要。記憶要訣蛋白質(zhì)工程流程:預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有氨基酸序列→找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）。三、蛋白質(zhì)工程的進展和前景蛋白質(zhì)工程在食品工業(yè)、日用品工業(yè)方面有廣泛的應(yīng)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(shè)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(zhì)工程可實現(xiàn)常規(guī)酶工程手段不能實現(xiàn)的目標(biāo)。在醫(yī)學(xué)上，蛋白質(zhì)工程也具有廣泛的應(yīng)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(zhì)，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(zhì)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(zhì)工程未來發(fā)展的一個重要目標(biāo).有朝一日，人們一定能夠通過蛋白質(zhì)工程來設(shè)計、控制那些與DNA相互作用的調(diào)控蛋白質(zhì)，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(zhì)工程與基因工程簡單地講,蛋白質(zhì)工程就是根據(jù)蛋白質(zhì)的精細結(jié)構(gòu)和生物活力的作用機制之間的關(guān)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(zhì)，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(zhì)分子。蛋白質(zhì)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(zhuǎn)入適當(dāng)?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(zhì).蛋白質(zhì)工程則更進一步根據(jù)分子設(shè)計的方案，通過對天然蛋白質(zhì)的基因進行改造，來實現(xiàn)對其所編碼的蛋白質(zhì)的改造，它的產(chǎn)品已不再是天然的蛋白質(zhì)，而是經(jīng)過改造的，具有了人類所需要的優(yōu)點的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)都是通過漫長的進化過程自然選擇而來的,而蛋白質(zhì)工程對天然蛋白質(zhì)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(wù)。問題·探究問題1蛋白質(zhì)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(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì).問題2對天然蛋白質(zhì)進行改造,你認為應(yīng)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)？探究：毫無疑問應(yīng)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。問題3能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細菌中，讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)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(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計出來而自然界不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,人類對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)。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(yīng)的密碼子，由于有的氨基酸密碼子不是唯一的，因此導(dǎo)致mRNA上的核糖核苷酸的序列無法準(zhǔn)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(yīng)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(guān)系。例2蛋白質(zhì)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(zhì)工程和基因工程的最終目的都是獲得人們預(yù)期的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。蛋白質(zhì)工程根據(jù)人們對特定蛋白質(zhì)的需要，設(shè)計預(yù)期蛋白質(zhì)，推測出預(yù)期蛋白質(zhì)的氨基酸序列，再找到相對應(yīng)的核苷酸序列，最終生產(chǎn)符合要求的蛋白質(zhì)?；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(zhì)。蛋白質(zhì)工程從改造蛋白