蛋白质工程教学设计
教学内容：蛋白质工程
教学时间：1.5课时
教学对象：小教08数学
讲课者：王约纳 29
一、 教学目标：
1、掌握蛋白质和蛋白质工程的概念、功能和应用了,解蛋白质工程的原理。
2、尝试运用逆向思维分析和解决问题。
二、 教学重难点：
（1）蛋白质工程的原理。
（2）蛋白质工程的应用
三、教学方法
教授法、启发式教学
四、 教学过程：
（一） 什么是蛋白质
1. 蛋白质的概念
蛋白质是对生命至关重要的一类生物大分子，各种生命功能、生命现象、生命活动都和蛋白质有关。在生命有机体催化、运动、结构、识别和调节等许多方面，起着关键的作用。如血浆蛋白质、纤维状蛋白质、酶蛋白质等 。
2. 生活中的蛋白质
展示各种生活中蛋白质的图片。 还有些什么？
3. 蛋白质的功能
蛋白质是一类重要而复杂的生物大分子，它广泛地存在于所有生物界的机体之中，具有许多重要的作用：
①酶：构成生物体新陈代谢的几乎全部的化学反应都是在活性蛋白质-酶的催化下进行的；
②抗原抗体：高等动物的免疫反应，也主要是通过蛋白质即抗原和抗体来完成的；，免疫球蛋白
③运动：运动时的肌肉收缩靠的是某些蛋白质的相互作用来完成的；鞭毛、肌肉蛋白
④呼吸：运输氧和二氧化碳的是血红蛋白；
⑤激素：具有代谢和调节功能的是多种蛋白质激素。
蛋白质的应用
①蛋白质是人类赖以维持生命的重要营养来源之一。人们需要从各种肉、蛋、奶、豆类等主要食品中获得所需的蛋白质营养。
②用蛋白质诊断和治疗某些疾病。淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶用于帮助消化，治疗某些消化不良性疾病；胰岛素用于治疗严重的糖尿病；转氨酶作为肝病变的指标等。
③食品工业和轻工业中主要应用蛋白质或利用蛋白质的性质制造各种产品。例如，酿造业要用蛋白酶来增加酱油的鲜味等。用于人类衣着的羊毛、纺织品和皮革主要组成是蛋白质。
4. 蛋白质的结构
① 氨基酸是蛋白质的基本结构单位，各种氨基酸之间通过肽键彼此按直线形头尾相连，构成不同长短的肽链。
② 肽链又以一定方式折叠盘绕成独特的空间结构，这时才产生具有生物活性的天然蛋白质。
③ 多肽链的折叠可分为四种不同层次的结构。
（二） 蛋白质工程的崛起
1、 蛋白质工程的概念
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一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求
这是一门从改变基因入手，定做新的蛋白质的技术。故有人将其称为“第二代基因工程”
2、 蛋白质工程的历史
1972年，美国斯坦福大学的Berg成功地实现了DNA重组实验，从此揭开了基因工程发展的序幕。
1983年，美国生物学家额尔默首先提出了“蛋白质工程”的概念。蛋白质工程的实践依据DNA指导合成蛋白质，因此，人们可以根据需要对负责编码某种蛋白质的基因进行重新设计，使合成出来的蛋白质的结构变得符合人们的要求。
补充：你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织／器官的蛋白质组计划，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计划，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。
研究的原因: 肝病是一种几乎肆虐了大半个地球的人类公敌。目前，全球仍以每年新增肝炎病患者约5000万人的速度递增。我国和大多数亚洲国家一样是个肝脏病多发国，有超过1亿人患肝病，是肝病多发的国家之一，每年死于肝病的人有数十万之多，乙型肝炎病毒携带者占人口的比例相当高。全国一年所花费的防治经费高达1千亿元以上，数额巨大。
人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。
补充：担任复旦大学生物医学研究院院长。他提出的三个条件和他当初接受军事医学科学院副院长的聘任时条件一样，那就是“不陪客，不陪会，不坐班”。
贺福初是地地道道的农家子弟、“土生土长”的中国科学院新一代院士。20世纪80年代初，即将毕业的贺福初，面临着“出国深造”和立足国内成才的两难选择，著名遗传学家、复旦大学盛祖嘉教授语重心长的一席话，使他毅然作出了决断。盛老说：“出国学习国外的先进技术，开阔眼界是必要的，但认为只有出国才能成才却是一种误解，千万不要迷信。中国人的智商并不低，国内的条件虽没有国外的优越，但只要持之以恒地奋斗下去，一样可以做出世界一流的成绩。”老专家的话促使贺福初立下要在国内造就自己的志向。
3、 蛋白质工程的研究方向
①确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系；
②根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；
③从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新蛋白质。
4、 蛋白质工程的意义
天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们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。
案例：干扰素的保存：延长保存期
玉米中赖氨酸的含量比较低：提高赖氨酸的含量
枯草杆菌蛋白酶：是其可以与漂白剂混合使用。
在已研究过的几千种酶中绝大多数酶都不能应用于工业生产。
因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。
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。
（三） 蛋白质工程的原理
①目标：
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。
②演示天然蛋白质的合成过程
想一想：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？ （基因）
③基本途径：从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 找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
④基本步骤：
分离纯化目的蛋白，使之结晶并作X晶体衍射分析，结合核磁共振等其他方法的分析结果，得到其空间结构的尽可能多的信息。
对目的蛋白的功能作详尽的研究，确定它的功能域。
通过对蛋白质的一级结构、空间结构和功能之间的相互关系的分析，找出关键的基团和结构。
在蛋白质结构与功能研究的基础上，借助于计算机图像显示和分子辅助设计，提出对目的蛋白分子的改建或构建方案，并用基因工程的方法去实施。
对经过改造的蛋白质进行功能性测定，看看改造的效果如何。
⑤蛋白质的设计
目前，研究重点和难点侧重从结构设计出发，从蛋白质二级结构开始，以探索蛋白质结构的稳定性。在蛋白质功能设计方面，主要进行天然蛋白质功能的模拟。
四种改造技术的介绍。
（四） 蛋白质工程的应用
1、 酶的改造
①消除酶的被抑制特性
1985年，美国的埃斯特尔借助寡核苷酸介导的定位突变技术，用19种其他氨基酸分别替代枯草芽孢杆菌蛋白酶分子第222位残基上易氧化的Met，获得了一系列活性差异很大的突变酶。发现除了用Cys代替Met的突变体以外，其他突变体的酶活性都降低了。
②引入二硫键，改善蛋白质的热稳定性
由于二硫键是一种稳定蛋白质分子空间结构的重要共价化学键，提高酶热稳定性最常用的办法是在分子中增加一对或数对二硫键。
③转化氨基酸残基，改善蛋白质热稳定性
在高温下蛋白质容易失去活性。对酿酒酵母的磷酸丙糖异构酶进行诱变改造。这种酶有两个相同的亚基，可能对酶的热稳定性起决定性作用。通过寡核苷酸介导的定向诱变技术，大幅度提高突变酶的热稳定性。
④改变酶的最适pH值条件
葡萄糖异构酶最适pH为碱性，在80℃稳定，而在碱性条件下， 80℃时使高果糖浆焦化产生有害物质，反应只能在60℃进行。
采用盒式突变技术将葡萄糖异构酶的最适pH值变为酸性，即可在高温下进行反应
⑤提高酶的催化活性
酶的催化活性由酶分子上的必需基团决定。如对酪氨酸-tRNA合成酶进行定点突变
在天然状态下，酪氨酸-tRNA合成酶分子内第51位苏氨酸残基的羟基能与底物酪氨酰腺嘌呤核苷酸戊糖环上的氧原子形成氢键，这个氢键的存在影响酶分子与另一底物ATP的亲和力。因此，利用定向诱变技术将酶分子第51位苏氨酸残基改变为脯氨酸残基，酶(Pro-51)与ATP的亲和力被增加了近100倍，而且最大反应速度亦大幅度提高。
⑥修饰Nisin的生物防腐效应
Nisin是乳酸球菌分泌的有较强抗菌作用的小分子肽，可用于罐头食品、乳制品、肉制品的保藏
改变Nisin氨基酸的序列，可增强其稳定性、溶解度和扩大抑菌谱等，扩大Nisin的应用范围。
2、 制药领域
①鼠——人嵌合抗体的形成
在基因水平上对抗体进行重组，产生人恒定区和可变区嵌合体,对人体的不良反应减少。
②药物设计：如抗病毒药β-干扰素稳定性的改进。
补充：生物合成人胰岛素
五、思考题
1、蛋白质工程在弄制药领域的应用有哪些？
2、请结合实例说说蛋白质工程的基本原理与设计步骤。
3、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，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？
六、主要参考书目
1 http://www.hupo.org/research/hlpp/
2 http://www.proteomics.com.cn/
国家生物医学分析中心
3 夏其昌 蛋白质化学与蛋白质组学
出版日期：2006年 出版社：科学出版社
七、教学后记
在今天上课之前，我一直对自己能不能上好这一节课比较没有信心，因为在资料收集和课件制作过程中，我感到蛋白质工程这一课题对于我们来说相对比较枯燥和理论话，而且深度的理论知识对于我们来说比较不易于理解。
在对教材的理解方面，我认为我对教材吃的还不够透，没有把握好教材整体的联系。基本达成教学目标和教学任务，但是在教学重点和难点方面不够突出，没有一些新的突破，这是非常需要改进的。
而在教法的选择与运用方面。我认为单一的讲授缺乏创造性和趣味性，希望在以后的教学设计中有所改进。
从学生的反馈来看。我认为，在教学中的互动是非常重要的，这样才能有好的教学效果。
总体来说，我的这堂课还有许多需要改进的地方，希望在今后的教学实践中有所改进。
