2021第4節蛋白質工程的原理和應用用細菌“畫”的畫思考：科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢?

你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發出不同顏色熒光的細菌“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。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。從社會中來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，以滿足人類的生產和生活的需求。是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程。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。---第二代基因工程基礎：了解蛋白質的結構和功能途徑：目的：改造或制造新的蛋白質，滿足人類的生產或生活的需要改造基因（基因修飾或基因合成）一、蛋白質工程崛起的緣由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。原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。基因工程的實質基因工程的不足玉米中賴氨酸的含量較低，原因是賴氨酸合成過程中的兩種關鍵酶-----天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細胞內賴氨酸濃度的影響較大。二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數倍玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）改造改造天然蛋白質的不足天然蛋白質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。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：改造基因（基因修飾或基因合成）3、流程：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相對應的脫氧核苷酸序列（基因）蛋白質（三維結構）預期功能生物功能翻譯折疊行使轉錄設計推測改造或合成mRNA目的基因通過改造或合成基因，定向改造現有蛋白質，或制造新的蛋白質。實質生產出自然界沒有的蛋白質。結果天然蛋白質的合成途徑：基因表達（轉錄和翻譯）形成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相應的脫氧核苷酸序列(基因)蛋白質工程的途徑：（基因工程）遵循中心法則某多肽鏈的一段氨基酸序列是：思考：1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣合成或改造目的基因？思考·討論丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸天然胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，皮下注射后延緩療效。科學家通過對胰島素的改造，有效抑制了胰島素的聚合，研發出的速效胰島素類似物產品已在臨床上廣泛應用。前景誘人二、蛋白質工程的應用利用蛋白質工程研發藥物。干擾素在體外保存相當困難，如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，則在-70℃的條件下可保存半年。小鼠單克隆抗體會使人產生免疫反應，將小鼠抗體上結合抗原的區域“嫁接”到人的抗體上，其誘發免疫反應的強度會減低很多。醫藥工業方面迄今為止，利用蛋白質工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可篩選出一些符合工業化生產需求的突變體。蛋白質工程廣泛用于改進酶的性能或開發新的工業酶。其他工業方面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。如改造某些參與調控光合作用的酶，提高植物光合作用的效率，增加糧食產量；利用蛋白質工程的思路設計優良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，增強其防治病蟲害的效果。農業方面蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，高級結構非常復雜。血紅蛋白的三維結構模型要設計出更符合人類需要的蛋白質還需不斷地攻堅克難。隨著科技的發展，蛋白質工程將會給人帶來更多的福祉。難度很大課堂總結蛋白質工程崛起的緣由2蛋白質工程的基本原理1蛋白質工程的應用3定義；實質；結果醫藥工業方面；其他工業方面；農業方面基因工程只能生產自然界已存在的蛋白質。二代基因工程前景誘人，難度很大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________________