第3章

基因工程第4節

蛋白質工程的原理和應用情景視頻二:從社會中來

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。

用細菌“畫畫”（視頻）問題1:科學家利用了什么技術讓細菌能發出綠色熒光？基因工程技術使細菌表達了熒光蛋白。問題2:科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造讓細菌能發出黃色熒光？情景視頻一:從社會中來

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。

用細菌“畫畫”（視頻）

科學家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結構，并利用計算機進行輔助設計，在此基礎上再采用定點突變的技術將綠色熒光蛋白發光基團正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。問題2:科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造讓細菌能發出黃色熒光？問題3:這種對現有蛋白質進行改造的技術與基因工程技術一樣嗎？一、蛋白質工程崛起的緣由（一）基因工程的實質和不足：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，進而表現出新性狀。基因工程的缺陷原則上只能產生自然界已存在的蛋白質(天然蛋白)天然蛋白的缺陷有時不完全符合人類生產和生活需要蛋白質工程對天然蛋白進行改造，產生更符合人類需要的蛋白質問題4:什么是蛋白質工程呢？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操作對象：結果：與基因工程的關系：理論和技術：基因改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程分子生物學、晶體學和計算機技術（二）蛋白質工程概念：賴氨酸合成調控達到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸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賴氨酸含量抑制提高提高限制提高提高5倍提高2倍一、蛋白質工程崛起的緣由（三）實例：對天然酶的改造問題5:蛋白質工程是怎樣進行的呢？3、溫故天然蛋白質合成的過程。構建出蛋白質工程的基本思路。2、為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？1、蛋白質工程的目標、實質、結果。合作探究一：請同學們自主閱讀教材P94，小組合作思考討論完成問題。

二、蛋白質工程的基本原理4、如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質工程？二、蛋白質工程的基本原理目標實質結果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。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。生產出自然界沒有的蛋白質。問題5: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；（一）實質、目標和結果：二、蛋白質工程的基本原理（二）天然蛋白質合成過程：基因mRNA轉錄翻譯具有特定氨基酸序列的多肽鏈具有高級結構的蛋白質行使生物功能盤曲折疊按照中心法則進行二、蛋白質工程的基本原理（三）蛋白質工程的基本設計思路：①預期的蛋白質功能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蛋白質工程基本思路的應用思考.討論二、蛋白質工程的基本原理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問題6: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：推知mRNA序列為：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）。GCUUGGAAAGAAUUU蛋白質工程基本思路的應用思考.討論二、蛋白質工程的基本原理丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸查密碼子表得知：推知mRNA序列為：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）。GCUUGGAAAGAAUUU共

種可能序列32脫氧核苷酸序列GCTTGGAAAGAATTTCGAACCTTTCTTAAA共

種可能序列32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：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸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中獲取目的基因。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等。學科交叉蛋白質工程經常要借助計算機來建立蛋白質的三維結構模型；要制備蛋白質晶體，然后通過X射線衍射技術，分析晶體結構；用到基因的定點突變技術來進行堿基的替換。蛋白質工程的基本原理二蛋白質工程基本思路的應用思考.討論二、蛋白質工程的基本原理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問題7: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？根據改造蛋白質的部位的多少，對蛋白質的改造可分為三類：（1）大改：設計并制造出自然界中不存在的全新蛋白質（2）中改：在蛋白質分子中替換某一個肽段或某一個特定的結構域。（3）小改：改造蛋白質分子中的幾個氨基酸殘基人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等。學科交叉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三、蛋白質工程與基因工程的比較問題8: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？速效胰島素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蛋白質工程的應用三醫藥工業方面1.實例一：研發速效胰島素類似物實例二：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β-干擾素氨基酸序列蛋白質工程的應用三醫藥工業方面實例三：降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應通過改造基因，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。蛋白質工程的應用三醫藥工業方面其它工業方面改進酶的性能或開發新的工業用酶，如適應范圍更廣的枯草桿菌蛋白酶農業方面改造某些參與調控光合作用的酶設計微生物農藥蛋白質工程的應用三(1)面臨的問題：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。四、蛋白質工程的運用(2)前景展望：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。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。⑴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。（

）⑵蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列。（

）⑶蛋白質工程可以改造酶，提高酶的熱穩定性。（

）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.水蛭素是一種蛋白質，可用于預防和治療血栓。研究人員發現，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺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.蛋白質概念檢測練習與應用

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？