选修3 现代生物技术专题第三节 蛋白质工程

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蛋白质工程 学习目标 一.概述蛋白质工程崛起的原因； 二.简述蛋白质工程的基本原理； （目的、实质、流程、前提条件、关键技术） 三.查阅并交流蛋白质工程的应用实例 。

一、蛋白质工程崛起的缘由 第一代胰岛素——动物胰岛素 问题：如何获得大量的人胰岛素？ 20世纪80年代以前，用于临床的第一代胰岛素几乎都是从猪、牛的胰脏中提取的，故称为动物胰岛素。 由于动物与人的胰岛素结构有差异，极易激活人体的免疫反应，导致患者出现过敏反应 。 问题：如何获得大量的人胰岛素？

第二代胰岛素——人胰岛素 问题：基因工程有没有创造出自然界中不存在的蛋白质？ 20世纪80年代，丹麦的诺和诺德公司率先通过基因工程的方法，将人胰岛素基因导入工程菌，生产出大量高纯度的人胰岛素。 它的结构和人体自身分泌的胰岛素完全一样，不会产生过敏反应。 问题：基因工程有没有创造出自然界中不存在的蛋白质？

天然蛋白质的结构和功能往往无法完全满足人类的需求，需要被改造！ 蛋白质工程应运而生！ 由于胰岛素分子容易聚合成二聚体或多聚体，将其注射到人体后会堆积在皮下，要经过较长时间才能进入血液，因此患者要在饮食前30~60min注射胰岛素。 天然蛋白质的结构和功能往往无法完全满足人类的需求，需要被改造！ 对天然蛋白质进行改造，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？

蛋白质工程——第二代基因工程 蛋白质工程的实质——改造基因 (1)蛋白质结构复杂，对其直接改造操作非常困难。即使改造成功，被改造过的蛋白质分子也无法遗传。 （2）基因编码蛋白质，对基因进行改造后，通过转录和翻译，得到的蛋白质也发生了改变，并且可以遗传下去。 蛋白质工程的实质——改造基因 如何设计出适合人类需求的新基因（脱氧核苷酸序列）?

设计出新基因（目的基因）后，怎么合成目的基因，并在生物体内表达出目的蛋白质? 功能分析 (天然人胰岛素 ) （速效型胰岛素） 若将人胰岛素B链的氨基酸排序由B28脯氨酸-B29赖氨酸改为B28赖氨酸-B29脯氨酸，就不会形成二聚体。 (二聚体或多聚体 ) 结构分析 （单体） 氨基酸序列 （B28脯氨酸-B29赖氨酸） （B28赖氨酸-B29脯氨酸） （原有基因） 脱氧核苷酸序列 （新基因） 设计出新基因（目的基因）后，怎么合成目的基因，并在生物体内表达出目的蛋白质?

基因定点诱变技术的示意图（结合PCR技术）

用一句话概括蛋白质工程的概念 蛋白质工程（P30）: ①前提条件： ②关键技术： ②实质： ③目的： 了解蛋白质结构和功能的关系 计算机设计、基因定点诱变、重组DNA技术 改造基因（基因修饰或基因合成） 定向改造蛋白质，甚至创造自然界中 不存在的蛋白质 蛋白质工程（P30）: 是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构和功能,并借助计算机设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。

第三代胰岛素——胰岛素类似物 第四代胰岛素——口服胰岛素？ 2005年，诺和诺德公司再次率先利用蛋白质工程的方法将人胰岛素进行改造，得到的第三代胰岛素类似物在中国上市。 与人胰岛素相比，胰岛素类似物在起效时间、作用持续时间上更贴合人体的需要。 第四代胰岛素——口服胰岛素？

以基因工程为基础，是延伸出来的第二代基因工程 联系 蛋白质工程与基因工程有什么区别和联系？ 蛋白质工程 基因工程 ①基因工程是将一种生物的基因导入另一种生物体内表达，无新基因的产生； 而蛋白质工程则改造基因，产生新基因。 ②基因工程产生自然在已有的蛋白质；蛋白质工程可以创造自然界中不存在的蛋白质。 区 别 以基因工程为基础，是延伸出来的第二代基因工程 联系

四、蛋白质工程的应用 应用：提高酶的热稳定性 高温下，酶肽链中的天门冬酰胺和谷氨酰胺易发生脱氨反应，导致酶的结构被破坏，进而酶丧失功能。 途径：将天门冬酰胺和谷氨酰胺转变为其他氨基酸。 实例：酵母菌的丙糖磷酸异构酶上又两个天门冬酰胺，分别转变为苏氨酸和异亮氨酸后，酶的热稳定性提高了将近50%。

应用：提高酶的热稳定性（第四组） 生产奶酪时用來杀菌的T４ 溶菌酶, 在工作环境温度６７℃下, ３ 小时后活力仅剩下０.２％, 这样就无法维持正常生产。 蛋白质工程施以回春妙手, 将T４ 溶菌酶的３位异亮氨酸换成半胱氨酸，再跟９７ 位半胱氨酸联接起來。这样，它在６７℃下反应３ 小时后, 活性丝毫未减！

应用：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

应用：干扰素的保存（第六组） 天然的干扰素在体外保存相当困难。 如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在—70℃的条件下，可以保存半年。

练习检测 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 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

练习检测 2．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 2．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

练习检测 3、蛋白质工程是新崛 起的一项生物工程，又称第二代基因工程。下图示意蛋白质工程流程，图中A、B在遗传学上依次表示（ ） C．复制和转录 D．传递和表达

练习检测 4、将人的干扰素基因通过基因定点突变，使于扰素第 17 位的半胱氨酸改变成丝氨酸，改造后的干扰素比天然干扰 素的抗病毒活性和稳 定性显著提高，此项技术属于（ ） A．蛋白质工程 B. 细胞工程 C．胚胎工程 D．生态工程

蛋白质工程 中心法则 A C D ①写出字母A、B、C、D代表的含义： DNA合成 或改造 分子设计 B 功能分析 基因 DNA 氨基酸 多肽链 蛋白质 结构分析 mRNA 生物功能 C 转录 翻译 D 折叠 中心法则 ①写出字母A、B、C、D代表的含义：

基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家M·史密斯（1932－2000）发明定点突变法之前，突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变，突变株必须在生物性状上有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法或遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有人将该法称为“反遗传法”。 　　有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。

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重组和三维晶体结构; （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，如定点突变； （6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。

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

2、下列说法正确的是（ ） A.蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，二者没有本质区别 B.基因工程是蛋白质工程的关键技术 2、下列说法正确的是（ ） A.蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质，二者没有本质区别 B.基因工程是蛋白质工程的关键技术 C.通过蛋白质工程改造的蛋白质有的仍然是天然的蛋白质 D.蛋白质工程是在蛋白质水平上直接改造蛋白质的

3、有关蛋白质工程的基本操作步骤,排序正确的是( ) 3、有关蛋白质工程的基本操作步骤,排序正确的是( ) ①蛋白质结构分析②蛋白质功能分析 ③基因工程④蛋白质纯化 A.①②③④ B.②①③④ C.②③①④ D.③①②④ 要获得单体-速效胰岛素，就要改造它的基因。如何设计出符合要求的新基因？