专题一 1.4蛋白质工程的崛起
自主学习
回忆——“中心法则”
一、蛋白质工程崛起的缘由
1、引发蛋白质工程崛起的新问题：
天然蛋白质的 不能完全满足人类生产和生活的需要。 2、现有蛋白质不能满足人类需要的几个典型例子 （1）干扰素的体外保存
①具体问题： ②解决的措施：
（2）富含赖氨酸的玉米新品种培育
①具体问题： ②解决的措施：
一、 教学目标
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的原理。
3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。
二、 教学重点和难点
1.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。 2.教学难点 蛋白质工程的原理。
三、 教学过程
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办法实现，
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，牛的乳腺生物反应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
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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。
二、蛋白质工程的原理
回顾已学习过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知识。中心法则告诉我们遗传信息的
流动方向如图1-4所示。
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则的逆推。（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出发，定向地改造天然蛋白质的结构，特别是对功能基因的修饰，也可以制造新型的蛋白质。）
思考：蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？
答：基因工程是遵循中心法则，从DNA→mRNA→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。
三、蛋白质工程的进展和前景
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发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关
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数蛋白质的空间结构了解很少。
科学探索之路的漫长、艰辛和永无止境。
四、 答案和提示
（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业生产和基础理论研究的需要。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。
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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。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β-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10 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10 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。
在基础理论研究方面，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基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基本思路与基因工程有什么不同？
答：基因工程是遵循中心法则，从DNA→mRNA→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。
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。α-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，就更是酶工程最直接的体现了。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
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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。 （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较复杂，至少可以排列出16种，可以让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C）ACCTTT（或C）TACAAA（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它，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，导入合适的细菌中，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心的。
（四）旁栏思考题 1.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？
提示：人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，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：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。
“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，总部设在北京，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加。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。
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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。
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。
（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。 三、蛋白质工程与基因工程区别 实 质 结果 联系 蛋白质工程 通过改造基因，以定向改造或生产人类所需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质 可以合成自然界不存在的蛋白质 基因工程 定向改造生物的遗传特性，以获得符合人类需要类型的生物产品 只能生产自然界已存在的蛋白质 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 【知识拓展】
蛋白质工程原理和基本操作 １ 分子设计
由于基因工程的发展，人们已经可以运用基因重组等理论和方法去设计并制造出预想的各种性能的蛋白质。这种改变蛋白质的操作可以在蛋白质水平上，也可以在基因水平上。如基因水平的改变，是在功能基因开发的基础上，对编码蛋白质的基因进行改造，小到可改变一个核苷酸，大到可以加入或消除某一结构的编码序列。蛋白质水平的改变则主要是对制造出的蛋白质进行加工、修饰，如磷酸化、糖基化等。蛋白质的化学修饰条件剧烈，无专一性，而基因操作则比较方便，在实施基因操作时，必须预先知道是哪个氨基酸或哪几个氨基酸影响着蛋白质的性状。就现代生物技术发展水平看，大量新蛋白质通过检测，来确定改变的蛋白质是否具有预期的性状，技术上已是可行的。 ２．２ 定点突变技术
目前，在蛋白质工程中最常采用的技术是定点诱变技术，即在特定的位点改变基因上核苷酸的种类，从而达到改变蛋白质性状的目的。蛋白质工程发展至当代，利用专一改变基因中某个或某些特定核苷酸的技术，可以产生具有工业上和医药上所需性状的蛋白质。一般来讲对蛋白质所作的改造包括增强酶蛋白的催化能力、稳定性、专一性以及改善酶蛋白质的反应条件等几个方面，已为其大规模的应用创造了条件。 ３ 蛋白质工程应用研究进展
当前，蛋白质工程修饰、改造的蛋白质为数不算多，但进展较快。随着基因组测序的国际联合行动的快速进展，也带来并已出现了蛋白质高速发展的新阶段。
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专题一 1.4蛋白质工程的崛起
教材助读：
（一）蛋白质工程崛起的理由
1、基因工程
（1）基因工程的实质是什么？
（2）基因工程存在什么不足？
2、天然蛋白质有何不足？
（二）蛋白质工程的基本原理（完成下表）
基础 手段 目的 原理 流程 （三）蛋白质工程的进展和前景
1、前景诱人。如用此技术制成的电子元件，具有 、
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和效率高的特点。
2、难度很大。主要是目前科学家对大多数蛋白质的 的了解还很不够。
课堂探究案
合作探究：蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有何不同？
项目 蛋白质工程 基因工程 区别 操作方法 结果 联系 操作对象 操作流程
【课堂反馈】
19、下列各项与蛋白质结构多样性无关的 （ ） A．氨基酸数目、种类、排列顺序 B．构成蛋白质的多肽链的数目 C．构成蛋白质的肽链的空间结构 D．氨基酸至少含一个氨基和一个羧基
20、关于我国牵头的“人类肝脏蛋白组计划”，以下说法不正确的是 （ ） A．揭示并确认肝脏合成的蛋白质
B．为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发提供科学基础 C．用蛋白质工程实现肝脏合成人类需要的蛋白质 D．是对蛋白质工程的有力推动和理论支持
21、当前医学上，第二代生物技术药物正逐渐取代第一代多肽蛋白质类替代治疗剂。则第一代药物与第二代重组药物分别是 （ ）
A．都与天然产物完全相同
B．都与天然产物不相同
C．第一代药物与天然产物相同、第二代重组药物与天然产物不同 D．第一代药物与天然产物不同、第二代重组药物与天然产物相同
22、蛋白质工程的基本流程是 （ ） ① 蛋白质分子结构设计
② DNA合成
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③ 预期蛋白质功能 ④ 据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
D．③→④→①→②
A．①→②→③→④ B．④→②→①→③ C．③→①→④→②
23、蛋白质工程的基本途径是 （ ） A．中心法则的简单逆转
B．确定目的基因的碱基序列后，通过人工合成的方法或从基因库中获取 C．只是依据中心法则逆推，其过程不需要中心法则 D．只是对蛋白质分子结构进行分子设计和改造
24、以下蛋白质工程中目前已成功的是 （ ） A．对胰岛素进行改造，生产速效型药品 B．蛋白质工程应用于微电子方面
C．生产体外耐储存的干扰素 D．用蛋白质工程生产高产赖氨酸玉米
课后练习
1、蛋白质工程制造的蛋白质是（ ）
A、天然蛋白质 B、稀有蛋白质 C、自然界中不存在的蛋白质 D、肌肉蛋白
2、蛋白质工程中目前已成功的是 （ ）
A、对胰岛素进行改造，生产速效型药品 B、蛋白质工程应用于微电子方面 C、体外耐保存的干扰素 D、用蛋白质工程生产高产赖氨酸玉米
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3、科学家发现将人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为 10μg／ml，只相当于天然产品的十分之一，通过基因定点突变将第17位的半胱氨酸改变成丝氨
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酸，结果使大肠杆菌中生产的β一干扰素的抗病性活性提高到10μg／ml，并且比天然β一干扰素的贮存稳定性高很多。此项技术属于 A、细胞工程 B、蛋白质工程 C、胚胎工程 D、基因工程
4、某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只有对热稳 定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗食物的消化不良，最佳方案是( )
A、对此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功能 B、减少此酶在片剂中的含量
C、将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶 D、重新设计与创造一种全新的蛋白酶 5、下列哪项不是蛋白质工程的研究内容
A、分析蛋白质分子的精细结构 B、对蛋白质进行有目的的改造
C、分析氨基酸的化学组成 D、按照人的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质
6、蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种？（ ） ① 进行少数氨基酸的替换 ②对不同来源的蛋白质的拼接
③ 从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质 ④直接改变蛋白质的空间结构 A、①② B、①②③ C、②③④ D、①②④ 7、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根本不存在的蛋白质
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8、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
A、转录和翻译 B、翻译和转录 C、复制和转录 D、传递和表达 9、下列各项中不属于蛋白质工程在医学上应用的是（ ） A、基因芯片用于HIV诊断 B、 t-PA用于医治心肌梗死
C、速效胰岛素用于治疗糖尿病 D、 人—鼠嵌合抗体用于识别、杀伤肿瘤细胞
10、枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。1985年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍 （1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 。
（2）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有 个碱基对发生变化。 （3）利用生物技术改造蛋白质，是提高了蛋白质的 性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行 。
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