PAGEPAGE5蛋白質工程的崛起一、教學目標1.舉例說出蛋白質工程崛起的緣由。2.簡述蛋白質工程的原理。3.嘗試運用逆向思維分析和解決問題。二、教學重點和難點1.教學重點（1）為什么要開展蛋白質工程的探討？（2）蛋白質工程的原理。2.教學難點蛋白質工程的原理。三、教學過程一、蛋白質工程崛起的緣由（P26）引言：要想讓一種生物的性狀在另一種生物中表達，在種內可以用常規雜交育種的方法實現，但要使有生殖隔離的種間生物實現基因溝通，就顯得力不從心了?；蚬こ痰恼Q生，為克服這一遠緣雜交的障礙問題，帶來了新的希望。于是取得了豐碩成果：大腸桿菌為人類生產出了胰島素，牛的乳腺生物反應器為人類制造出了蛋白質類藥物，煙草植物體內含有了某種藥物蛋白……至此，人們也只是實現了世界上現有基因在轉基因生物中的表達。但一個新問題出現了，生物產生的自然蛋白質是在長期進化過程中形成的，它的結構、性能不能完全滿意人類生產和生活的須要。舉例：P26干擾素例子、工業用酶的例子于是要對現有蛋白質進行改造，制造出目前從自然蛋白質中找不到的蛋白質。這樣人們又起先了新一輪的探究，蛋白質工程應運而生了。二、蛋白質工程的原理回顧已學習過中心法則及蛋白質具有困難的空間結構等學問。中心法則告知我們遺傳信息的流淌方向如圖1-4所示。圖1-4遺傳信息的流淌方向那么，既然蛋白質的功能是由DNA確定的，那么要制造出新的蛋白質，就要改造DNA。所以蛋白質工程的原理應當是中心法則的逆推。（結合課本中插圖）小結：蛋白質工程的概念（是探討蛋白質的結構及結構與功能的關系，然后人為地設計一個新蛋白質，并按這個設計的蛋白質結構去變更其基因結構，從而產生新的蛋白質?；蛘邚牡鞍踪|結構與功能的關系動身，定向地改造自然蛋白質的結構，特殊是對功能基因的修飾，也可以制造新型的蛋白質。）思索：蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是依據以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創建自然界不存在的蛋白質。三、蛋白質工程的進展和前景1、蛋白質工程的誕生是有其理論與技術條件的，它是隨著分子生物學、晶體學以及計算機技術的發展而誕生的，與基因組學、蛋白質組學、生物信息學的發展等因素有關2、現狀：勝利的例子不多，主要是因為蛋白質發揮其功能須要依靠于正確的空間結構，而科學家目前對大多數蛋白質的空間結構了解很少?？茖W探究之路的漫長、艱辛和永無止境。四、答案和提示（一）思索與探究1.蛋白質工程是應怎樣的需求而崛起的？提示（供老師在教學中參考）：蛋白質工程的崛起主要是工業生產和基礎理論探討的須要。而結構生物學對大量蛋白質分子的精確立體結構及其困難的生物功能的分析結果，為設計改造自然蛋白質供應了藍圖。分子遺傳學的以定點突變為中心的基因操作技術為蛋白質工程供應了手段。在已探討過的幾千種酶中，只有極少數可以應用于工業生產，絕大多數酶都不能應用于工業生產，這些酶雖然在自然狀態下有活性，但在工業生產中沒有活性或活性很低。這是因為工業生產中每一步的反應體系中經常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數酶會很快變性失活。提高蛋白質的穩定性是工業生產中一個特別重要的課題。一般來說，提高蛋白質的穩定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩定性，延長藥用蛋白的保存期，抵擋由于重要氨基酸氧化引起的活性丟失等。下面舉一個如何通過蛋白質工程來提高重組β-干擾素專一活性和穩定性的例子。干擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進行表達，產生的干擾素的抗病毒活性為106U/mg，只相當于自然產品的特別之一，雖然在大腸桿菌中合成的β-干擾素量許多，但多數是以無活性的二聚體形式存在。為什么會這樣？如何變更這種狀況？探討發覺，β-干擾素蛋白質中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推想可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。探討人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變變更成絲氨酸，結果使大腸桿菌中生產的β-干擾素的抗病性活性提高到108U/mg，并且比自然β-干擾素的貯存穩定性高許多。在基礎理論探討方面，蛋白質工程是探討多種蛋白質的結構和功能、蛋白質折疊、蛋白質分子設計等一系列分子生物學基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質工程的探討，可以深化地揭示生命現象的本質和生命活動的規律。2.蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是依據以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，可以創建自然界不存在的蛋白質。3.你知道酶工程嗎？絕大多數酶都是蛋白質，酶工程與蛋白質工程有什么區分？提示：酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產、生活、醫療診斷和環境愛護等方面的一門科學技術。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產和應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中于食品工業、輕工業以及醫藥工業中。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構酶這三個酶連續作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產出高果糖漿；蛋白酶用于皮革脫毛膠以及洗滌劑工業；固定化酶還可以治療先天性缺酶病或是器官缺損引起的某些功能的衰竭等。至于我們日常生活中所見到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最干脆的體現了。通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重點則在于對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發展，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。（二）正文中探討題答：（1）每種氨基酸都有對應的三聯密碼子，只要查一下遺傳密碼子表，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯密碼子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較困難，至少可以排列出16種，可以讓學生依據學過的排列組合學問自己排列一下。首先應當依據三聯密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再依據堿基互補配對規律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。（2）確定目的基因的堿基序列后，就可以依據人類的須要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲得。（三）異想天開能不能依據人類須要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產人類所須要的蛋白質食品呢？提示：理論上講可以，但目前還沒有真正勝利的例子。一些報道利用細菌生產人類須要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要緣由是蛋白質的高級結構特別困難，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔憂的。（四）旁欄思索題1.你知道人類蛋白質組安排嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家擔當了什么任務？提示：人類蛋白質組安排是繼人類基因組安排之后，生命科學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執行的“人類肝臟蛋白質組安排”；另一項是以美國科學家牽頭執行的“人類血漿蛋白質組安排”，由此拉開了人類蛋白質組安排的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質組安排”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質組安排，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協作安排，總部設在北京，目前有16個國家和地區的80多個試驗室報名參與。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發的突破供應重要的科學基礎。人類蛋白質組安排的深化探討將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。2.對自然蛋白質進行改造，你認為應當干脆對