1.4　蛋白质工程的崛起

蛛丝蛋白,1.4蛋白质工程的崛起,阅读P26.回答:为什么要进行蛋白质工程?,我们已经掌握了基因工程，它能够定向的改变生物的性状，为什么还要去研究蛋白质工程，难道基因工程有什么不足之处？,一.蛋白质工程崛起的缘由,一.蛋白质工程崛起的缘由,1.基因工程的实质:,将一种生物的转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的，进而表现出。,基因,蛋白质,新性状,2.基因工程的不足:,在原则上只能生产自然界已存在的。,蛋白质,即天然蛋白质,3.天然蛋白质的不足:,天然蛋白质是生物在长期过程中形成的，它们的符合特定物种的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。,进化,结构和功能,生存,4.蛋白质工程的目的:,生产符合人类生产和生活需要的。,蛋白质,天然蛋白质的不足的实例:,改造,玉米中赖氨酸含量比较低,天冬氨酸激酶(352位的苏氨酸),二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）,改造,改造,天冬氨酸激酶(异亮氨酸),二氢吡啶二羧酸合成酶(异亮氨酸),玉米中赖氨酸含量可提高数倍,许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。,实例1:,实例2:,实例3:,思考:对天然蛋白质进行改造，你认为应该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？,应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，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。(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。,二.蛋白质工程的基本原理,蛋白质工程：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：,原理：,目的：,了解蛋白质的结构和功能,改造基因（基因修饰或基因合成）,定向改造或制造蛋白质,蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造。,二.蛋白质工程的基本原理,获得满足人类生产和生活需求的新的。,(1)理解蛋白质工程概念的3个角度:,基础:,蛋白质分子的及其与的关系。,手段:,通过或，对现有蛋白质进行，或制造一种新的蛋白质。,目的:,结构规律,生物功能,基因修饰,基因合成,“改造”,蛋白质,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-,丙氨酸:GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸:UGG赖氨酸:AAA、AAG甲硫氨酸:AUG苯丙氨酸:UUU、UUC,思考与讨论:,讨论:1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。,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)？,可以通过人工合成的方法获取。,首先应该根据密码子推出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为CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)TACAAA(或G)。,二.蛋白质工程的基本原理,从预期的蛋白质功能出发，到找到相对应的，即的逆推。,(2)原理:,基因,中心法则,(3)途径:,预期蛋白质功能设计推测应有的序列找到对应的序列,预期的蛋白质结构,氨基酸,脱氧核苷酸,生产出自然界从来没有过的蛋白质。,(4)最终结果:,蛋白质三维结构,氨基酸序列多肽链,基因DNA,预期功能,DNA合成,分子设计,mRNA,生物功能,转录,翻译,折叠,(5)蛋白质工程的流程（与天然蛋白合区别）,蛋白质的功能是DNA决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造DNA，所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。,主要是目前科学家对大多数蛋白质的了解还很不够。,三.蛋白质工程的进展和前景,(1)前景诱人:,采用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有、和的特点；通过对胰岛素的改造，使其成为药品。,体积小,耗电少,速效型,(2)难度很大:,效率高,高级结构,基因工程是遵循中心法则，从DNAmRNA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。,思考与探究:P28,2.蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？,3.你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？,酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。,目的基因,预期的蛋白质功能,基因表达载体,基因,获取目的基因构建表达载体导入受体细胞目的基因的检测与表达,预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测核苷酸序列合成DNA表达出蛋白质,定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品,定向改造或生产人类所需的蛋白质,生产自然界中已有的蛋白质,蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。,生产自然界没有的蛋白质,基因工程与蛋白质工程的比较,小结：,1.关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（）A.是生物在长期进化过程中形成的B.它们的结构和功能符合特定物种生存的需要C.构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种D.一定完全符合人类生产和生活的需要,D,当堂训练,2.蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）.氨基酸结构B.蛋白质空间结构C.肽链结构D.基因结构,D,3.下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程,B,4、蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（）A.氨基酸种类增多B.氨基酸种类减少C.仍为天然存在蛋白质D.可合成天然不存在蛋白质,D,5.科学家将-干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高了-干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为A基因工程B蛋白质工程C基因突变D细胞工程,B,6、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）A、蛋白质工程以基因工程为基础B、蛋白质工程就是酶工程的延伸C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质,A,7、蛋白质工程的基本流程正确的是（）蛋白质分子结构设计DNA合成预期蛋白质功能根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列ABCD,C,8、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（）A.科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品B.生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面C.蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用D.蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多,C,9、人们发现蛛丝蛋白比蚕丝蛋白更细，但强度却更大，于是有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推出其基因结构，以指导对蚕丝蛋白基因的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝一样坚韧的丝，此过程的名称和依据的原理分别是（）A.基因突变：DNARNA蛋白质B.基因工程：RNARNA蛋白质C.基因工程：DNARNA蛋白质D.蛋白质工程：蛋白质RNADNARNA蛋白质,D,9.科学家为提高玉米中赖氨酸含量，将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍，下列对蛋白质的改造，操作正确的是()A.直接通过分子水平改造蛋白质B.直接改造相应的mRNAC.对相应的基因进行操作D.重新合成新的基因,C,10.科研人员通过蛋白质工程来设计改变酶的构象。在研究溶菌酶的过程中，得到了多种突变酶，测其酶50%发生变性时的温度（Tm），部分结果见下表：,溶菌酶热稳定性的提高，是通过改变和增加得以实现的。从热稳定性高的酶的氨基酸序列出发，利用方法获得目的基因，通过基因工程的手段，可以生产自然界中不存在的蛋白质。,（注：Cys上角的数