1.4蛋白质工程的崛起

温故知新 蛋白质的结构及其多样性
蛋白质多样性原因
①氨基酸种类不同，肽链结构不同 ②氨基酸数目成百上千，肽链结构不同 ③氨基酸排列顺序千变万化，肽链结构不同 ④空间结构千差万别，蛋白质种类不同
答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对 天然蛋白质改造，主要原因如下： （1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的， 改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改 造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质 直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白 质分子还是无法遗传的。 （基因改造—可遗传； 蛋白质改造—不可遗传） （2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要 容易操作，难度要小得多。
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 （104位的天冬酰胺）
问题1：
蛋白质功能 不能满足需求
解决：改变蛋白质
的结构
-----半胱氨酸----干扰素 体外很难保存
？如何改造 ------丝氨酸------干扰素（改） 体外可以保存半年
问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？ (你认为直接对蛋白质分子进行操作，还是 通过对基因的操作来实现？能否说出你的理 由？)
何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有
生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带
来什么危害也是人们所担心的。
三、蛋白质工程的进展和前景
1、进展P28： （1）对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。
天然胰岛素制剂在储存 中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入 血液，从而延缓了其降血糖 作用，也增加了抗原性，这 是胰岛素B23-B28氨基酸残 基结构所致。利用蛋白质工 程技术改变这些残基，则可 降低其聚合作用，使胰岛素 快速起作用。该速效胰岛素 已通过临床实验。
例，解答本题应突破以下几点：
①首先设计蛋白质氨基酸序列。
②找到对应的脱氧核苷酸序列。
③根据DNA(基因)脱氧核苷酸序列进行人工合成
或进行基因改造。
（1）每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一 下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序 列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸 是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来 就比较复杂，至少可以排列出16种，根据学过的排列 组合知识排列一下。首先应该根据三联密码子推出 mRNA序列为GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G） AUGUUU（或C），再根据碱基互补配对规律推出脱 氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C） TACAAA（或G）。
-----半胱氨酸----干扰素 体外很难保存
？如何改造 ------丝氨酸------干扰素（改） 体外可以保存半年
问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改 造后的该部分序列吗？
（半胱氨酸：UGU；丝氨酸：UCU）
某多肽链的一段氨基酸序列是： ……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应 的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要 的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。
一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自
然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而 自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构
非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如
丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG 色氨酸：UGG 苯丙氨酸：UUU、UUC
讨论： 1、请写出决定这一段肽链的mRNA片段和基因片段 的核苷酸序列。
2、确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改
造目的基因（DNA）？
【思路点拨】
本题考查蛋白质工程的原理及实
（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的 需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。
二、蛋白质工程的基本原理P27
1、蛋白质工程的途径 ----------中百度文库法则的逆推
预期蛋白质功能 设计预期的蛋白质结构
推测应有的氨基酸序列
找到相应的脱氧核苷酸序列 (合成基因)
分子设计
DNA合成 基因 DNA 氨基酸序列 多肽链 mRNA 转录 翻译
蛋白质 三维结构 折叠
预期功能 生物功能
2、目标P26：
根据人们对 蛋白质功能 的特定需求，
对蛋白质的 结构 进行分子设计。
3、实质： 基因改造
问题:蛋白质工程操作程序的基本思路 与基因工程有什么不同？
答：基因工程是遵循中心法则， DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基 本上是生产出自然界已有的蛋白质。 蛋白质工程是按照以下思路进行的： 确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结 构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨 基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自 然界不存在的蛋白质
一、蛋白质工程崛起的缘由
阅读P26第二自然段思考：
科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸 的产量上面临什么样的问题？如何解决 这些问题？
例如：
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存 玉米中赖氨酸含量比较低 改造
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年 玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）
改造
4、蛋白质工程的概念 P27
• 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与 生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因 合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋 白质，以满足人类对生产和生活的需求。
前提： 了解蛋白质的结构和功能 途径： 改造基因（基因修饰或基因合成） 目的： 定向改造或制造蛋白质
回顾： 基因工程的实质：
将一种生物的 基因 转移 到另一种生物体内，后者产生 它本不能产的 蛋白质 ，进而表 现出 新的性状 。
基因工程 的成果
基因工程的局限性：
基因工程在原则上只能生产 自然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的结构和功能符合 特定物种生存的需要，却不一定完 全符合人类生产和生活的需要。
5 、比较基因工程和蛋白质工程
基因工程 蛋白质工程
相同 操作环境——生物体外；操作对象—— 重组 创新 点 基因；操作水平——分子 结果 天然存在的蛋白质 自然不存在的蛋白质 实质 流程 基因重组 中心法则
基因修饰或基因合成 中心法则逆推
联系 蛋白质工程是在基因工程基础上的延伸， 是第二代基因工程