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第三章 基因工程
第4節 蛋白質工程的原理和應用
下圖是用發出不同顏色熒光的細菌“西畫” 的美妙圖案。這些細菌能夠發出熒光，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。
思考：那么，科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢
想一想：如何讓細菌能發出熒光？
熒光蛋白基因
細菌
熒光
蛋白
導入
熒光蛋白
基因表達
基因工程：
基因工程實質：
基因工程是將一種生物的 轉移到另一種生物體內，使后者可以產生它原本不能產生的 ，進而表現出 。
基因
蛋白質
新性狀
基因重組
自然界中存在的熒光蛋白只有綠色熒光蛋白，能否通過基因工程，獲得黃色熒光蛋白呢？
不能
①基因工程不足：
原則上只能生產自然界中已存在（天然）的蛋白質。
天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的，它們的 符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合 的需要。
②天然蛋白質的不足:
結構和功能
人類生產和生活
蛋白質工程崛起的緣由
對蛋白質分子的設計和改造是通過蛋白質工程來實現的。
蛋白質工程：
以蛋白質分子的結構規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。
①基礎：
②手段：
③結果：
④目的：
蛋白質的結構規律與生物功能關系
改造或合成基因
改造現有蛋白質或制造一種新的蛋白質
滿足人類生產和生活需求
蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的，又叫作第二代基因工程。
思考：蛋白質工程是怎樣進行的呢？基本原理是什么？
一、蛋白質工程崛起的緣由
實例：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。
蛋白質工程手段：
玉米中賴氨酸合成受兩種關鍵酶：天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶影響，改造這兩種酶，使賴氨酸含量提高。
天冬氨酸激酶
二氫吡啶二羧酸合成酶
+
賴氨酸合成
（＋）
賴氨酸含量達到一定濃度
（－）
（－）
天冬氨酸激酶
二氫吡啶二羧酸合成酶
+
賴氨酸合成
（＋）
賴氨酸含量提高
第352位蘇氨酸變成異亮氨酸
第104位天冬酰胺變成異亮氨酸
↑5倍
↑2倍
改
造
前
改
造
后
一、蛋白質工程崛起的緣由
逆轉錄
轉錄
DNA
RNA
翻譯
肽鏈
復制
復制
折疊等
具有空間結構的蛋白質
表達生物特有的功能或性狀
天然蛋白質的合成過程與性狀表達
溫故知新：
蛋白質只有具有一定空間結構，才能表達特有性狀或具有特定功能
二、蛋白質工程的基本原理
1、目標：
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。
2、原理：
通過改造或合成基因，來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質。
思考：為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？
①蛋白質是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質；
②基因可以遺傳，蛋白質無法遺傳；
③蛋白質的高級結構十分復雜，直接改造難度大；
3、天然蛋白質合成的過程
天然蛋白質合成的過程是按照中心法則進行的。
基因→表達（轉錄和翻譯）→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。
而蛋白質工程卻與之相反！
二、蛋白質工程的基本原理
目的基因
轉錄
mRNA
翻譯
多肽鏈
折疊
蛋白質
（三維結構）
行使
生物功能
預期功能
設計
推測
改造或合成
①預期蛋白質的功能
②設計預期的蛋白質結構
③推測應有的氨基酸序列
④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
⑤獲得所需蛋白質
★4、蛋白質工程的基本思路
從預期的蛋白質功能出發→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。
①蛋白質工程是在分子水平上進行
②蛋白質工程的基本思路是按照中心法則相反進行
預期功能
生物功能
設計
蛋白質
（三維結構）
推測
改造或合成
轉錄
翻譯
折疊
行使
目的基因
mRNA
多肽鏈
借助計算機
通過X射線衍射技術
基因的定點突變技術
構建蛋白質三維結構圖：
制備蛋白質晶體：
堿基的替換：
思考·討論：蛋白質工程基本思路的應用
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
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。
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
谷氨酸
苯丙
氨酸
查閱密碼子表
氨基酸的編碼序列
推出mRNA序列
推出脫氧核苷酸序列
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
推出脫氧
核苷酸序列
推出mRNA序列：
GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA（或G）UUU(或C)，
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
谷氨酸
苯丙
氨酸
GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA(或G) TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT(或C) AAA(或G)
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？
（1）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、PCR技術擴增；
（2）應用基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等進而改造基因。
3、然后如何獲得所需蛋白質呢？
改造后得到的基因序列通過PCR擴增后，通過基因工程技術獲得轉基因生物，從而生產出所需蛋白。
項目 蛋白質工程 基因工程
操作對象
操作起點
操作水平
操作流程
結果
實質
聯系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→找到并改變對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質
目的基因的篩選與獲取→構建基因表達載體→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
可生產自然界沒有的蛋白質
可生產自然界已有的蛋白質
通過改造或合成基因來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質
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
①蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程；
②蛋白質工程離不開基因工程，其包含基因工程基本操作；
預期蛋白質功能
目的基因
5. 蛋白質工程與基因工程的比較
小結：如何判斷一個操作是基因工程還是蛋白質工程
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
能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產人類所需要的蛋白質食品呢？
理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產人類需要的蛋白質，但這些蛋白質往往都是自然界中已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來的、自然界中不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對大多數蛋白質的高級結構和蛋白質在生物體內如何行使功能了解得還不夠，很難設計出一個全新的而又具有功能的蛋白質。即使設計并獲得了一個全新的蛋白質，它的生理生化特性、用它生產的蛋白質食品的安全性等都需要長期深入的研究。
三、蛋白質工程的應用
1.研發速效胰島素類似物
天然蛋白質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
2.延長干擾素體外保存時間
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
通過改造基因，將小鼠抗體上結合抗原的區域（即可變區）“嫁接”到人的抗體（即恒定區）上，經過這樣改造的抗體誘發免疫反應的強度就會減低很多。
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
3.改造抗體—降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應
醫學問題:
解決辦法:
4.其他
①改進酶的性能或開發新的工業用酶；
②改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產量；
③設計優良微生物農藥，改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強；
如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、絲綢工業等。迄今為止，利用蛋白質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化生產需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。
5.面臨的困難：
蛋白質工程是一項難度很大的工程；
主要原因：
蛋白質發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
由計算機建立的血紅蛋白三維結構模型
6.前景展望：
科學家要設計出更加符合人類需要的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發展，蛋白質工程將會給人類帶來更多的福祉。
酶用作工業催化劑，比無機催化劑具有更大的優越性，主要體現在以下幾個方面。由于酶促反應能在常溫、常壓和中性pH條件下進行，因此可以節省大量的能源和設備投資；生產過程中不會造成嚴重的污染，符合環境保護的要求；生產過程簡單、效率高，產品質量好，生產成本低。因此，酶制劑在工業領域得到了廣泛的應用。近年來，通過引進國外先進設備、優良菌種以及開發新型酶制劑，我國酶制劑產業保持了較快的增長態勢，品種越來越豐富，產品的市場競爭力也在不斷提升。2016年，我國工業酶制劑年產量達120萬噸，年增長率保持在10%左右。在全球范圍內，我國酶制劑的市場份額已占到了30%左右，我國進入酶制劑生產大國的行列。在酶制劑產業中，蛋白質工程被廣泛用于開發酶的新品種或改進酶的性能，如提高酶的熱穩定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。
練習與應用
一、概念檢測
1.蛋白質工程可以說是基因工程的延伸。判斷下列相關表述是否正確。
(1)基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質工程不需要對基因進行操作（ ）
(2)蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列。（ ）
(3)蛋白質工程可以改造酶，提高酶的熱穩定性。( )
√
×
×
練習與應用
2.蛋白質工程是在深入了解蛋白質分子的結構與功能關系的基礎上進行的，它最終要達到的目的是( )
A.分析蛋白質的三維結構
B. 研究蛋白質的氨基酸組成
C.獲取編碼蛋白質的基因序列信息
D. 改造現有蛋白質或制造新的蛋白質，滿足人類的需求
3.水經素是一種蛋白質，可用于預防和治療血栓。研究人員發現，用賴氨酸替換水經素第47位的天冬酰肢可以提高它的抗凝血活性。在這項替換研究中，目前可行的直接操作對象是( )
A.基因 B.氨基酸 C. 多肽鏈 D.蛋白質
D
A
練習與應用
二、拓展應用
T4溶菌酶是一種重要的工業用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結構進行了研究。然后以此為依據對相關基因進行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變為半胱氨酸。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，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項工作屬于什么工程的范疇？在該實例中引起T4溶菌酶空間結構發生改變的根本原因是什么？如果要將該研究成果應用到生產實踐，還需要做哪些方面的工作？
這項工作屬于蛋白質工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結構發生改變的根本原因是基因的堿基序列發生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應用于生產實踐，還有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空間結構發生了變化，因此它的一些基本特性需要重新明確，包括它能耐受的溫度范圍、催化反應的最適溫度、酶活力的大小等；需要建立規模化生產該的技術體系，評估生產成本等。
6.鐮刀型細胞貧血癥是一種單基因遺傳病，患者的血紅蛋白分子β 肽鏈第6位氨基酸谷氨酸被纈氨酸代替，導致功能異常。回答下列問題：
(1)異常血紅蛋白的氨基酸序列改變的根本原因是編碼血紅蛋白基因的____________序列發生改變。
(2)將正常的血紅蛋白基因導入患者的骨髓造血干細胞中，可以合成正常的血紅蛋白達到治療的目的。此操作_______(填“屬于”或“不屬于”)蛋白質工程，理由是該操作___________________________________________。
(3)用基因工程方法制備血紅蛋白時，可先提取早期紅細胞中的________，以其作為模板，在________酶的作用下反轉錄合成cDNA。cDNA與載體需在限制酶和_____________酶的作用下，構建基因表達載體，導入受體菌后進行表達。
(4)檢測受體菌是否已合成血紅蛋白，可從受體菌中提取________，用相應的抗體進行______________雜交，若出現雜交帶，則表明該受體菌已合成血紅蛋白。
堿基
不屬于
沒有對現有蛋白質進行改造
mRNA
逆轉錄
DNA連接
蛋白質
抗原-抗體
7.下圖為蛋白質工程操作的基本思路，請據圖回答下列問題：
(1)代表蛋白質工程操作思路的過程是________；代表中心法則內容的是__________。(填寫數字)
(2)寫出圖中各數字代表的生物學過程的名稱或內容： ①______；
②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白質工程的目的是_______________________________ ___________________________，通過____________________實現。
(4)從圖中可以看出蛋白質工程的基本途徑與中心法則是______的。
④⑤
①②③
轉錄
翻譯
折疊
推測
改造合成
根據人們對蛋白質功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
對蛋白質的結構進行分子設計

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