目錄/CONTENTS01發(fā)酵工程02細胞工程03基因工程04生物技術的安全性與倫理問題第3章

基因工程第4節(jié)

蛋白質工程的原理和應用學習目標目標010203嘗試通過蛋白質工程技術，根據人類需要的蛋白質結構，設計改造某一蛋白質的設計流程。（科學思維）說明基因的堿基排列順序—蛋白質的結構—蛋白質功能的關系。（生命觀念）嘗試運用逆向思維分析和解決問題。（社會責任）視頻：細菌畫畫

細菌畫畫是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內導入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。那么，科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢？

從社會中來

對蛋白質分子的設計和改造是通過蛋白質工程來實現的。綠色熒光蛋白基因控制（轉基因）綠色熒光蛋白基因工程的局限性：

只能生產自然界中已存在的蛋白質。這些天然蛋白質是生物長期進化過程中形成的，它們的結構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和生活的需要?；蚬こ痰膶嵸|:

將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。蛋白質工程崛起的緣由一蛋白質工程的概念及其理解二（1）困難：蛋白質發(fā)揮功能必須依賴正確的高級結構，而蛋白質的高級結構十分復雜。蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學科的綜合科技工程。（2）與基因工程的聯(lián)系：①蛋白質的高級結構十分復雜，直接改造難度大。②蛋白質是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質。③基因可以遺傳，蛋白質無法遺傳。蛋白質工程概念：以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因

，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。

問題：為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？實例：提高玉米賴氨酸含量

：天冬氨酸

二氫吡啶二羧激酶

酸合成酶賴氨酸含量思考：蛋白質工程是怎樣進行的呢?基本原理是什么?調控賴氨酸合成達到一定濃度抑制兩種酶的活性提高

限制104位的天冬酰胺變成異亮氨酸提高提高2倍352位的蘇氨酸

變成異亮氨酸提高十蛋白質工程的基本思路二基因表達形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結構的蛋白質行使生物功能天然蛋白質合成按照中心法則進行蛋白質工程的基本思路二預期功能生物功能設計推測改造或合成行使折疊目的基因轉錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(三維結構)思路逆中心法則，與天然蛋白質合成的過程相反。預期的蛋白質功能設計預期的蛋白質結構推測應有的氨基酸序列找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質蛋白質工程的基本思路：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸…………色氨酸賴氨酸苯丙氨酸討論1．怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應的堿基序列寫出來。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）。推知mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）進一步推知脫氧核苷酸序列為：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）思考·討論—教材P94共32

種可能序列任務：基因工程和蛋白質工程2.如果已經推測出多肽中的氨基酸序列，那么推測出的基因中的堿基序列

(填“唯一”或“不唯一”)，理由是______________________

。不唯一一個氨基酸是由一個或多個密碼子決定的，因此獲得的基因中的堿基序列有多種探究—學習筆記P73不同的生物密碼子基本相同，即共用一套密碼子。丙氨酸…………色氨酸賴氨酸苯丙氨酸討論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？某多肽鏈的一段氨基酸序列是：3.確定目的基因的堿基序列后，可以

合成目的基因，或應用______

來進行堿基的替換等進而改造基因。探究—學習筆記P73人工基因的定點突變技術蛋白質工程的實例實例：提高水蛭素的抗凝血效率水蛭素第47位天冬酰胺改造成賴氨酸或精氨酸，以此來提高抗凝血效率，可提高4倍。

水蛭素是自然界存在的最強抗凝血物質，

在防治心腦血管疾病和抗癌方面等具有特效。蛋白質工程的基本思路二蛋白質工程的基本思路二是否合成新的基因蛋白質工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質工程基因工程看蛋白質看基因是否為天然蛋白質是否蛋白質工程基因工程蛋白質工程的基本思路二蛋白質工程和基因工程的比較如何確定一個操作過程是基因工程技術還是蛋白質工程技術?視頻：蛋白質工程的應用蛋白質工程的應用三1.研發(fā)速效胰島素(1)原因：天然胰島素見效慢，是因為天然胰島素制劑往往以二聚體或六聚體的形式存在，需要經歷長時間才能解離為單體，發(fā)揮作用。醫(yī)藥工業(yè)方面六聚體二聚體單體蛋白質工程的應用三(2)研究進展：

研究人員發(fā)現，人胰島素B鏈的第20~29位氨基酸是胰島素分子相互作用形成多聚體的關鍵區(qū)域。

科學家通過改造胰島素基因使B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與B29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合。B20B29B28蛋白質工程的應用三(3)解決辦法：將胰島素基因中編碼第28位的脯氨酸的堿基序列替換為編碼天冬氨酸的堿基序列改造胰島素基因將胰島素基因中編碼第28位脯氨酸的堿基序列與編碼第29位天冬氨酸的堿基序列對換天然胰島素易形成二聚體或六聚體預期結構改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或將它與B29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設計結構改變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PCR定點突變技術在基因改造中的應用蛋白質工程通過改造基因實現對蛋白質的定向改造。PCR定點突變技術是最常用的基因定點突變技術，通過設計含有非特異性配對堿基的引物，再通過PCR將突變位點引入產物中，它又可以分為重疊延伸PCR、大引物PCR等。拓展延伸—學習筆記P74天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNAmRNA翻譯翻譯轉錄天然胰島素對應的部分基因：改造后應得到的基因序列：轉錄天然胰島素對應的部分基因：待突變位點常規(guī)下游引物突變上游引物進行PCR產物作為下一輪PCR的大引物產物作為下一輪PCR的大引物進行PCR待突變位點下游大引物常規(guī)上游引物待突變位點下游大引物常規(guī)上游引物進行PCR天然胰島素對應的部分基因：待突變位點PCR合成的人胰島素突變基因PCR定點突變技術在基因改造中的應用(2)大引物PCR的流程如圖2所示。該技術需要用到三條引物進行兩輪PCR，這三條引物分別是突變上游引物、常規(guī)上游引物和常規(guī)下游引物。第一輪PCR利用突變上游引物和常規(guī)下游引物進行擴增，得到不完整的含有突變位點的DNA片段；第二輪PCR利用第一輪擴增產物中的一條DNA鏈作為下游大引物，它與常規(guī)上游引物一起擴增得到完整的含有突變位點的DNA片段。拓展延伸—學習筆記P74(1)重疊延伸PCR是發(fā)展最早的PCR定點突變技術。該技術的流程如圖1所示。該技術要使用四條引物。其中引物2和3的突起處代表與模板鏈不能互補的突變位點，而這兩條引物有部分堿基(包括突變位點)是可以互補的。因此，分別利用引物1和2、引物3和4進行PCR后，得到的DNA片段可以通過引物2和3互補的堿基雜交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成為一個完整的DNA。最后，用引物1和4進行擴增得到含有突變位點的DNA片段。通過測序可以檢驗定點突變是否成功。拓展延伸—學習筆記P74四、蛋白質工程的應用天然干擾素不易保存預期結構改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能延長保存時間設計結構氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年將干擾素分子上的一個

變成

，在一定條件下，可以延長保存時間。半胱氨酸絲氨酸半胱氨酸絲氨酸蛋白質工程的應用三醫(yī)藥工業(yè)方面2.延長干擾素體外保存時間四、蛋白質工程的應用蛋白質工程的應用三醫(yī)藥工業(yè)方面3.降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應抗體的基本結構是一個Y型的四肽鏈，由完全相同的兩條重鏈（Heavychain，H鏈）和相同的兩條輕鏈（Lightchain，L鏈）組成。重鏈和輕鏈是根據它們分子量大小來命名的，其相對分子質量分別約為50-75kDa和25kDa。在結構上，重鏈和重鏈之間、重鏈和輕鏈之間以二硫鍵相連，結合成一個輕重鏈配對的對稱分子。輕鏈重鏈二硫鍵可變區(qū)恒定區(qū)四、蛋白質工程的應用解決辦法：通過_________，將小鼠抗體上________的區(qū)域（即________）“嫁接”到_________（即_______）上，經過這樣改造的抗體__________________________；醫(yī)學問題：小鼠單克隆抗體會使人體產生免疫反應，從而導致治療效果大大降低。改造基因結合抗原可變區(qū)人的抗體恒定區(qū)誘發(fā)免疫反應的強度就會降低很多蛋白質工程的應用三醫(yī)藥工業(yè)方面3.降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應四、蛋白質工程的應用蛋白質工程的應用三其他工業(yè)方面（1）枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)，絲綢工業(yè)等，利用蛋白質工程獲得的該酶的突變體，篩選出一些符合工業(yè)化生產需求的突變體，提高這種酶的使用價值。廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶?？莶輻U菌四、蛋白質工程的應用蛋白質工程的應用三其他工業(yè)方面（2）T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個二硫鍵，提高了T4溶菌酶的耐熱性。四、蛋白質工程的應用蛋白質工程的應用三農業(yè)方面（1）科學家正在嘗試改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產量。四、蛋白質工程的應用蛋白質工程的應用三農業(yè)方面（2）科學家利用蛋白質工程的思路設計優(yōu)良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。伊維菌素是由土壤中發(fā)現的一種新型鏈霉菌提取出了一種名為阿維菌素的抗生素，經過多年的不斷改造獲得的，伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗動物寄生蟲病獸藥。蛋白質工程的應用三五、蛋白質工程難度很大的原因蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜。蛋白質工程小結四蛋白質工程理論基礎技術手段目標基本思路實踐應用蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系通過改造或合成基因,來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質根據人們對蛋白質功能的特定需求,對蛋白質的結構進行設計改造從預期的蛋白質功能出發(fā)→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。藥物研發(fā)改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶增加糧食產量、研發(fā)新型農藥1.科研人員利用相關技術改變了胰島素B鏈的第9位氨基酸，從而避免了胰島素結合成無活性的二聚體形式。下列相關敘述不正確的是(

)A．胰島素的本質是蛋白質，不宜口服使用B．可通過測定DNA的序列確定突變是否成功C．對胰島素結構的改造屬于蛋白質工程D．該過程的操作對象是胰島素分子D

蛋白質工程從屬于基因工程，蛋白質工程的操作對象是基因考點訓練

2.擾素在體外保存非常困難。干擾素由166個氨基酸組成，如果將其分子上第17位的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么在70℃的條件下可以保存半年。若利用蛋白質工程的原理和方法生產新型干擾素，下列思路最可行的是(

)A．用DNA合成儀合成新的干擾素基因B．利用基因定點突變技術改造干擾素基因C．直接改造mRNA，進行密碼子的替換D．生產正常干擾素，再進行氨基酸的替換蛋白質工程的目的是改造蛋白質，但其方法是通過改造或合成基因來實現的，而不是直接改造氨基酸；若直接改造mRNA，可獲得改造后的蛋白質，但不能遺傳、不能復制。考點訓練

考點訓練

3.β-葡聚糖酶是一種在酒類、飼料等行業(yè)中具有重要用途的工業(yè)用酶。為提高β-葡聚糖酶的催化活性，科學家將其第20位、117位和165位賴氨酸突變?yōu)榻z氨酸。下列有關敘述錯誤的是（

）A.改造后的β-葡聚糖酶的耐酸堿能力增強B.改造后的β-葡聚糖酶空間結構發(fā)生了改變C.對β-葡聚糖酶結構的改造屬于蛋白質工程D.可通過DNA分子測序法檢測突變是否成功不能得出改造后的β-葡聚糖酶的耐酸堿能力增強考點訓練

4.胰島素可用于治療糖尿病，但胰島素注射后易在皮下堆