上圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“西畫”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。

從社會(huì)中來

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(dòng)的檢測(cè)、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(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢?對(duì)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)的第節(jié)4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用高中生物選擇性必修3第3章

將一種生物的____轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它__________________，進(jìn)而表現(xiàn)出________。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的實(shí)質(zhì)：基因本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)新的性狀2.基因工程的局限性：_______________________________只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)3.天然蛋白質(zhì)的不足：

天然蛋白質(zhì)是生物長(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；

如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計(jì)改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。達(dá)到一定濃度352位的蘇氨酸變成異亮氨酸賴氨酸合成調(diào)控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兩種酶的活性抑制提高提高賴氨酸含量限制提高玉米中賴氨酸含量比較低提高玉米中賴氨酸的含量如何？實(shí)例：對(duì)天然酶的改造二、蛋白質(zhì)工程的概念

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。

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。1.基礎(chǔ):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2.操作方法及對(duì)象:改造或合成基因3.結(jié)果:改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)4.目的:滿足人類生產(chǎn)和生活的需求5.與基因工程的關(guān)系:6.相關(guān)學(xué)科及技術(shù)：分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)特別注意：蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象——基因！1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)

根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)_____的特定需求，因此要對(duì)蛋白質(zhì)的_____進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。2.蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)*_____________________________________________功能結(jié)構(gòu)改造或合成基因（來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)）思考：為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳；三、蛋白質(zhì)工程的基本原理天然蛋白質(zhì)的合成過程DNA(基因）轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多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遵循中心法則，并需經(jīng)過高級(jí)空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變?nèi)⒌鞍踪|(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)只有具有一定空間結(jié)構(gòu)，才能表達(dá)特有性狀或具有特定功能8三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))3.蛋白質(zhì)工程流程圖從預(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(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)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)。第一步、難度最大構(gòu)建基因表達(dá)載體導(dǎo)入受體細(xì)胞（需要酶和載體）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(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。查密碼子表得知：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）。mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）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？

人工合成目的基因或從基因文庫(kù)中獲取目的基因。對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。蛋白質(zhì)工程的類型（1）以據(jù)氨基酸的性質(zhì)和特點(diǎn)，制造全新蛋白質(zhì)（到目前還沒有成功的例子）（2）改變蛋白質(zhì)分子中某一個(gè)多肽鏈片段或一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域（3）利用基因工程中的定點(diǎn)誘變技術(shù)，改造蛋白質(zhì)分子某活性部位的一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基（實(shí)踐中運(yùn)用的最多）一級(jí)結(jié)構(gòu)

二級(jí)結(jié)構(gòu)

三級(jí)結(jié)構(gòu)

四級(jí)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對(duì)象操作起點(diǎn)操作水平操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(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→找到并改變對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)可生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過改造或合成基因來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀①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；②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程基本操作；預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因4.蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較小結(jié)：如何判斷一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程如果僅將基因用限制酶從DNA片段中切割下來，沒有經(jīng)過對(duì)編碼蛋白序列進(jìn)行修飾、加工，或僅對(duì)其調(diào)控序列進(jìn)行加工，則屬于基因工程；

如果將目的基因經(jīng)過了一些實(shí)質(zhì)性的改造，如對(duì)編碼蛋白序列進(jìn)行了堿基替換或增添或缺失某幾個(gè)堿基，則屬于蛋白質(zhì)工程。異想天開能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動(dòng)物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計(jì)并獲得了一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長(zhǎng)期深入的研究。1.研發(fā)速效胰島素類似物天然蛋白質(zhì)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(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用定點(diǎn)突（誘）變2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)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(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年定點(diǎn)突（誘）變3.降低人對(duì)小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)

通過_________，將小鼠抗體上__的區(qū)域（即_______）“嫁接”到_______（即_______）上，經(jīng)過這樣改造的抗體______________________________。改造基因結(jié)合抗原可變區(qū)人的抗體恒定區(qū)誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)降低很多基因融合對(duì)人體的不良反應(yīng)減少小鼠單克隆抗體會(huì)使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低醫(yī)學(xué)問題:4.其他①改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；②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；③設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，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(jià)值。五、蛋白質(zhì)工程現(xiàn)狀

蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程；主要原因是：_________________________________________________________蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)(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(duì)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(

)判斷正誤√×√×探討點(diǎn)基因工程和蛋白質(zhì)工程的比較1.蛋白質(zhì)工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白質(zhì)的原因有：(1)任何一種天然蛋白質(zhì)都是由

編碼的，改造了

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

進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多。核心探討突破重難強(qiáng)化素養(yǎng)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，則為基因工程，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(duì)

進(jìn)行操作，目的都是合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，

工程是以

工程為基礎(chǔ)的。蛋白質(zhì)基因蛋白質(zhì)分子基因蛋白質(zhì)基因1.葡萄糖異構(gòu)酶(GI)在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，為提高其熱穩(wěn)定性，科學(xué)家對(duì)GI基因進(jìn)行體外定點(diǎn)誘變，以脯氨酸(Pro138)替代甘氨酸(Gly138)，含突變體的重組質(zhì)粒在大腸桿菌中表達(dá)，結(jié)果最適反應(yīng)溫度提高10～12℃。這屬于生物工程中的A.基因工程

B