回顾： 基因工程的实质： 基因 将一种生物的           转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产的        ，进而表现出    。 蛋白质 新的性状

基因工程 的成果

基因工程的局限性： 这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。

1.3蛋白质工程

一.蛋白质工程崛起的缘由 —相关资料： 1.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β-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。 2.玉米中的赖氨酸含量比较低,原因是合成赖氨酸的两个关键酶----天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性,受细胞内的赖氨酸浓度的影响较大,当赖氨酸的浓度达到一定量时,就会抑制这两种酶的活性. 科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸的产量上面临什么样的问题？如何解决这些问题？

例如: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β-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，β-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产的β-干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。

再如玉米中的赖氨酸含量比较低,原因是合成赖氨酸的两个关键酶----天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性,受细胞内的赖氨酸浓度的影响较大,当赖氨酸的浓度达到一定量时,就会抑制这两种酶的活性.如果将该酶的第352位的天冬酰胺变成异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶的苏氨酸变成异亮氨酸,就可以使玉米叶片和种子中游离的赖氨酸提高5倍和2倍 “后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。

一、蛋白质工程崛起的缘由 干扰素（丝氨酸） 干扰素（半胱氨酸） 天冬氨酸激酶 天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） （352位的苏氨酸） 改造 干扰素（丝氨酸） 体外可以保存半年 干扰素（半胱氨酸） 体外很难保存 玉米中赖氨酸含量比较低 玉米中赖氨酸含量可提高数倍 改造 天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 改造 二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺） 蛋白质功能 不能满足需求 问题1： 解决： 改变蛋白质的结构

思考与讨论 问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？ (你认为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？能否说出你的理由？) ？如何改造 -----半胱氨酸----- ------丝氨酸------- 干扰素 干扰素（改） 体外很难保存 体外可以保存半年 问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？ (你认为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？能否说出你的理由？)

答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下： （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，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。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。 （基因改造—可遗传； 蛋白质改造—不可遗传） （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.蛋白质工程概述 1.概念 ： 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 蛋白质工程是指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。 (1)前提： (2)途径： (3)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

2、蛋白质工程原理 ----------中心法则的逆推 ①蛋白质工程的途径： ②蛋白质工程的流程： 预期的蛋白质功能出发　　　设计预期的蛋白质结构　　　推测 应有的氨基酸序列　　　找到相应的脱氧核苷酸序列酸 基因　　　表达（转录和翻译）　　　　形成氨基酸序列的多肽 链　　　　形成具有高级结构的蛋白质　　　　行使生物功能 ①蛋白质工程的途径： 天然蛋白质的合成途径： ②蛋白质工程的流程： DNA合成 分子设计 基因 DNA 氨基酸序列 多肽链 蛋白质 三维结构 预期功能 mRNA 生物功能 折叠 转录 翻译

3.蛋白质工程的主要步骤通常包括： （1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维结构和三维晶体结构; （4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响； （5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变； （6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。

X射线晶体衍射法 DNA和蛋白质测序技术 空间结构 基因 纯化 生物学 化学

对蛋白质进行改造 大改 中改 小改 核心技术 设计、制造出自然界不存在的 全新蛋白质 替代某一个肽段或一个 特定的结构域 改造某个活性单位的一个或几 个氨基酸残基（定点诱变技术）

思考与讨论 问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改造后的该部分序列吗？ （半胱氨酸：UGU；丝氨酸：UCU） ？如何改造 -----半胱氨酸----- ------丝氨酸------- 干扰素 干扰素（改） 体外很难保存 体外可以保存半年 问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改造后的该部分序列吗？ （半胱氨酸：UGU；丝氨酸：UCU）

定点诱变技术 受体细胞 基因工程 PCR 表达 诱变引物 定向突变基因 目的蛋白质

基因定点诱变技术的示意图

原料 酶 引物 能量 操作方法 结果 适应范围 基因定点诱变技术的理解(苏教版) 项目 内容 条件 ＡＴＰ ＰＣＲ法 脱氧核苷酸 　项目 　　　　　　内容 条件 原料 酶 引物 能量 ＡＴＰ 操作方法 ＰＣＲ法 结果 适应范围 脱氧核苷酸 ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶 含突变顺序的ＤＮＡ分子片段 后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子 空间结构完全清楚的蛋白质

思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较 比较 基因定点诱变 基因突变 相同点 发生的过程 结果 不同点 场所 手段 方向 DNA复制过程中 产生新基因，从而产生新性状 生物体外 生物体内 PCR技术 物理化学方法 定向改造 不定向性

重组 创新 5、基因工程与蛋白质工程的区别 蛋白质工程 基因工程 通过改造基因，以 将目的基因从供体 定向改造天然蛋白 转移到受体细胞，并 质，甚至创造自然 界不存在的蛋白质 将目的基因从供体 转移到受体细胞，并 在受体细胞中表达 实质 重组 创新 能生产自然界 不存在的蛋白质 只能生产自然界 已存在的蛋白质 结果 蛋白质工程是在基因工程基础上，延 伸出的第二代基因工程 联系

5.基因工程与蛋白质工程的区别 项目 基因工程 蛋白质工程 操作起点 操作核心 过程 目标 结果 联系 目的基因 预期的蛋白质功能 基因表达载体 基因 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 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 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 生产自然界没有的蛋白质 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。

三.蛋白质工程的应用 工业生产上 热稳定性提高50％ 1、改造酶结构，提高酶的热稳定性和催化活性 丙糖磷酸异构酶 异亮氨酸 天门冬酰胺 苏氨酸 热稳定性提高50％ 酵母菌 1、改造酶结构，提高酶的热稳定性和催化活性

2、生物制药——鼠—人嵌合抗体 制药领域上 可变区 恒定区 鼠抗体 可变区 嵌合抗体 恒定区 对人体的不良反应减少 人抗体

对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。

水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。

小结 1、蛋白质工程崛起的缘由 2、蛋白质工程的原理： 中心法则的逆推 推测应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列 预期的蛋白质功能出发　　 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列　　　 　找到相应的脱氧核苷酸序列 3、蛋白质工程的进展和前景

练习检测 1．蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（　　） Ａ．氨基酸结构 B．蛋白质空间结构 C．肽链结构 　　D．基因结构 Ｄ

C 2、蛋白质工程的基本流程正确的是（ ） ①蛋白质分子结构设计 ②DNA合成 ③预期蛋白质功能 ④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 2、蛋白质工程的基本流程正确的是（ ） ①蛋白质分子结构设计 ②DNA合成 ③预期蛋白质功能 ④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A.①→②→③→④ B.④→②→①→③ C.③→①→④→② D.③→④→①→② C

A 3、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（ ） A．都是分子水平上的操作 B．基因工程就是改造基因的分子结构 3、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（ ） A．都是分子水平上的操作 B．基因工程就是改造基因的分子结构 C．蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构 D．基因工程能产生自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋白质 A

D 4、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 4、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

5、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 5、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

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