蛋白质工程的崛起第九版(20210929154006)

1、课 题1.4蛋白质工程的崛起主备人上 课 时 间编 号05教师教学重点1为什么要开展蛋白质工程的研究？2蛋白质工程的原理。教学难点蛋白质工程的原理。教 学 目 标知识 目标1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。能力 目标2.简述蛋白质工程的原理。情感 目标3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。教学媒体多媒体课件：教学过程教学内容教师的组织和引导个人札记一、蛋白质 工程崛起的 缘由P26引言：要想让一种生物的性状在另一种生物中表达， 在种内可以用常规杂交育种的方法实现，但要使有生殖隔 离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工 程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的 希望。于是取得

2、了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰 岛素，牛的乳腺生物反响器为人类制造出了蛋白质类药物， 烟草植物体内含有了某种药物蛋白至此，人们也只是 实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但一个新 问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中 形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的 需要。举例：P26干扰素例子、工业用酶的例子于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋 白质中找不到的蛋白质。 这样人们又开始了新一轮的探索， 蛋白质工程应运而生了。1.建议采 用“问题 探究一 新冋题一 再探究 的教学模 式。新课一开 始，可以带 领学生回 忆原有知 识：要想让 一种生物 的性状在

3、 另一种生 物中表达， 在种内可 以用常规 杂交育种 的方法实 现，但要使 有生殖隔 离的种间二、蛋 白质工程的 原理三、蛋白质 工程的进展 和前景生物实现 基因交流， 就显得力 不从心了。基因工程 的诞生，为 克服这一 远缘杂交 的障碍问 题，带来了 新的希望。于是取得 了丰硕成 果：大肠杆 菌为人类 生产出了 胰岛素，牛 的乳腺生 物反响器 为人类制 造出了蛋 白质类药 物，烟草植 物体内含 有了某种 药物蛋 白至 此，人们也 只是实现 了世界上 现有基因 在转基因 生物中的 表达。但一 个新问题 出现了，生 物产生的 天然蛋白 质是在长 期进化过 程中形成 的，它的结 构、性能不 能完全

4、满回忆已学习过中心法那么及蛋白质具有复杂的空间结 构等知识。中心法那么告诉我们遗传信息的流动方向如图1-4所示。基因勺喪5卧忙艰也鼻具有空间結构的慎白喷 黃达生物特有的助能血性联图1-4遗传信息的流动方向那么，既然蛋白质的功能是由 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 应该是中心法那么的逆推。结合课本中插图 小结：蛋白质工程的概念 是研究蛋白质的结构及结构与 功能的关系，然后人为地设计一个新蛋白质，并按这个设计 的蛋白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。或 者从蛋白质结构与功能的关系岀发，定向地改造天然蛋白质 的结构，特别是对功能基因的修饰，也可以

5、制造新型的蛋白 质。 思考：蛋白质工程操作程序的根本思路与基因工程 有什么不同？答：基因工程是遵循中心法那么，从DNA mRNA蛋白质t折叠产生功能，根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t蛋白质应有的高级结构t蛋白质应具备的折叠状态t 应有的氨基酸序列t应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分 子生物学、晶体学以及计算机技术的开展而诞生的，与基因 组学、蛋白质组学、生物信息学的开展等因素有关2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需 要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多

6、数蛋白质的 空间结构了解很少。四、答案和提示足人类生 产和生活 的需要。为 了加深这 一点的认 识，可调动 学生从书 中找实例 干扰素 例子、工业 用酶的例 子加以佐 证。于是要 对现有蛋 白质进行 改造，制造 出目前从 天然蛋白 质中找不 到的蛋白 质。这样人 们又开始 了新一轮 的探索，蛋 白质工程 应运而生 了。学生在必 修课中已 学习过中 心法那么及 蛋白质具 有复杂的 空间结构 等知识。中 心法那么告 诉我们遗 传信息的 流动方向 如图1-4 所示。科学探索之路的漫长、艰辛和永无止境。一思考与探究1.蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？提示供教师在教学中参考：蛋白质工程的崛起主 要是工

7、业生产和根底理论研究的需要。而结构生物学对大 量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析 结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的 以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手 段。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反响体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反响温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用

8、蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组3 -干扰素专一活性和稳定性的例子。干扰素是一种抗病毒、抗肿 瘤的药物。将人的干扰素的 cDNA在大肠杆菌中进行表达， 产生的干扰素的抗病毒活性为 106 U/mg,只相当于天然产 品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的3-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，3-干扰素蛋白质中有 3个半胱氨酸第17位、31位和141位，推测可能是有一个 或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使 大肠杆菌中生

9、产的3 -干扰素的抗病性活性提高到108U/mg,并且比天然3 -干扰素的贮存稳定性高很多。在根底理论研究方面，蛋白质工程是研究多种蛋白质 的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等一系列分 子生物学根本问题的一种新型的、强有力的手段。通过对 蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生 命活动的规律。2.蛋白质工程操作程序的根本思路与基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法那么，从DNA> mRNA蛋白质t折叠产生功能，根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t 蛋白质应有的咼级结构t蛋白质应具备的折叠状态t应有 的氨基酸序列T应有

10、的碱基排列，可以创造自然界不存在 的蛋白质。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？提示：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。a-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶连续作用于淀粉，就可以代替蔗 糖生产出高果糖浆；蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工 业；固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起 的某些功能的衰竭等。至于我们日常生活中所见到的加酶 洗衣粉、嫩肉粉等，

11、就更是酶工程最直接的表达了。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那么在于对已存在的蛋白质分子的改造。 当然，随着蛋白质工程的开展， 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。二正文中讨论题答：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拟复杂， 至少可以排列出16种，可以让

12、学生根据学过的排列组合知 识自己排列一下。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 CACCTTT 或 CTACAAA或 G。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匕，通过人工合成的方法或从基因库中获取。三异想天开能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入适宜的细菌中，让细菌生产人类所 需要的蛋白质食品呢？提示：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

13、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忧 的。四旁栏思考题1你知道人类蛋白质组方案吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承当了什么任务？提示：人类蛋白质组方案是继人类基因组方案之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正式提出 启动了两项重大国际合作行动：一项为哪一项由中国科学家牵头 执行的“人类肝脏蛋白质组方案；另一项为哪一项以美国科学 家牵头执行的“人类血浆蛋白质组方案，由此拉开了人 类蛋白质组方案的帷幕。“人类肝脏蛋白质组方案是国际上第一个人类组织/器官的蛋白质组方案，由我国贺福初院士牵头，这是 中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作方案，总部设 在北京，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参 力口。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝 病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基 础。人类蛋白质组方案的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。2.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？答：毫无疑问应该从对基