1、第第4节节 蛋白质工程的原理和应用蛋白质工程的原理和应用第第3 3章章 基因工程基因工程从社会中来 你见过用细菌画画吗？你见过用细菌画画吗？ 右图是用发出不同颜色荧光的细菌右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画画 的美的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。的体内导入了荧光蛋白的基因。 最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤
2、的示踪研究等领域有着重要应用。究等领域有着重要应用。 那么，科学家是怎样那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？对蛋白质分子进行设计和改造的呢？对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的一、蛋白质工程的概念一、蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指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关系作为基础，通过，通过改造或合成基因改造或合成基因，来改造现有蛋白质来改造现有蛋白质，或，或制制造一种新的蛋白质造一种新的蛋白质，以，以满足人类生产和生活的需求满足人类生产和生活的需求。 蛋
3、白质工程蛋白质工程是是在基因工程的基础上在基因工程的基础上，延，延伸出来的伸出来的第二代基因工程第二代基因工程。1.1.基础基础: : 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系2.2.操作方法及对象操作方法及对象: : 改造或合成基因改造或合成基因3.3.结果结果: : 改造现有蛋白质改造现有蛋白质，或，或制造一种新的蛋白质制造一种新的蛋白质4.4.目的目的: :满足人类生产和生活的需求满足人类生产和生活的需求5.5.与基因工程的关系与基因工程的关系: :6.6.相关学科及相关学科及技术：技术： 分子生物学、晶体学和计算机技术分子生物学、晶体学和计算机技
4、术 将一种生物的将一种生物的_转移到另一种生物体内，转移到另一种生物体内，后者可以产生它后者可以产生它_ _，进而表现出，进而表现出_二、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程崛起的缘由1.1.基因工程的实质：基因工程的实质：基因基因本不能产生的蛋白质本不能产生的蛋白质新的性状新的性状2.2.基因工程的局限性：基因工程的局限性：_只能生产自然界中已存在的蛋白质只能生产自然界中已存在的蛋白质3.3.天然蛋白质的不足：天然蛋白质的不足： 天然蛋白质是生物天然蛋白质是生物长期进化长期进化过程中形成的，它们的结构过程中形成的，它们的结构和功能和功能符合特定物种生存的需要符合特定物种生存的需要，却，却不一定
5、完全符合人类生不一定完全符合人类生产和生活的需要产和生活的需要； 如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高游离赖氨酸的含量分别提高5 5倍和倍和2 2倍倍。赖氨酸合成赖氨酸合成调控调控达到一定浓度达到一定浓度两种酶的活性两种酶的活性352352位的苏氨酸变位的苏氨酸变成异亮氨酸成异亮氨酸二氢吡啶二二氢吡啶二羧酸合成酶羧酸合成酶天冬氨天冬氨酸激酶酸激酶+ +104104位的天冬酰胺位的天冬酰胺变成异亮氨酸变成异亮氨酸赖氨酸含量赖氨酸含量抑制抑制提高提高提高提高限制限制提高提高 你知道人类蛋白质组计
6、划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我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？国科学家承担了什么任务？ 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重大的国际合作科研项目。域重大的国际合作科研项目。20012001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。20032003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一：一项是由项是由中国科学家中国科学家牵头执行的牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划
7、”；另另一一项是由项是由美国科学家牵头执行的美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了，由此拉开了人类蛋白质组计划人类蛋白质组计划的帷幕。的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划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，是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院由我国贺福初院士士牵头，这是中国科学家第牵头，这是中国科学家第一一次领衔重大国际科研协作计划。次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意
8、义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据提供重要的科学依据。 人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。重要的理论支持。20142014年年6 6月，中国人类蛋白质组计划启动月，中国人类蛋白质组计划启动。三、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的基本原理1.1.蛋白质工程的目标：蛋白质工程的目标： 根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能功能的特定需求，对蛋的特定需求，对蛋白质的白质的结构结构进行设计改造。进行设
9、计改造。2.2.改造蛋白质的改造蛋白质的方法方法： 改造或合成基因改造或合成基因3.3.天然蛋白质合成过程天然蛋白质合成过程： 按照按照中心法则中心法则进行进行基基因因表表达达形成具有特形成具有特定定氨基酸序氨基酸序列列的多肽链的多肽链形成具有形成具有高级结构高级结构的蛋白质的蛋白质形式形式生生物功能物功能转录转录翻译翻译4.4.蛋白质工程思路蛋白质工程思路：逆逆中心法则中心法则 从从预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能出发出发设计设计预期的蛋白质结构预期的蛋白质结构推测推测应应有的氨基酸序列有的氨基酸序列找到并改变找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（基因）或或合成新的
10、基因合成新的基因获得获得所需要的蛋白质所需要的蛋白质。蛋白质工程的基本思路蛋白质工程的基本思路蛋白质工程基本思路的应用蛋白质工程基本思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸丙氨酸苯丙苯丙氨酸氨酸色氨酸色氨酸谷氨酸谷氨酸赖氨酸赖氨酸1.1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列? ?请把相应的碱基序列写请把相应的碱基序列写出来。出来。查密码子表得知：丙氨酸（查密码子表得知：丙氨酸（GCUGCU、GCCGCC、GCAGCA、GCG)GCG)、色氨酸、色氨酸(UGG)(UGG)、赖赖氨酸氨酸(AAA(AAA、AAGAAG）、谷氨酸
11、（谷氨酸（GAAGAA、GAGGAG）、苯丙氨酸（苯丙氨酸（UUUUUU、UUCUUC）。mRNAmRNA序列为：序列为：GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGG AAAUGG AAA（或（或G G）GAAGAA（或（或G G）UUUUUU（或（或C C）DNADNA序列为：序列为：CGACGA（或（或G G或或T T或或C C）ACC TTTACC TTT（或（或C C）CTTCTT（或（或C C）AAAAAA（或（或G G） GCT GCT（或（或C C或或A A或或G G）TGG AAATGG AAA（或（或G G）GAAGAA（或（或G G）TTTTTT（或（或C C）则
12、：则：蛋白质工程基本思路的应用蛋白质工程基本思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸丙氨酸苯丙苯丙氨酸氨酸色氨酸色氨酸谷氨酸谷氨酸赖氨酸赖氨酸2.2.确定目的基因的碱基序列后，怎样确定目的基因的碱基序列后，怎样才能才能合成或改造目的基因？合成或改造目的基因？ 确定目的基因的碱基序列后，可以确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因人工合成目的基因或或从基从基因文库中获取目的基因因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到对基因的改造经常会用到基因定点突变基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添技术来进行碱基的替换、增添等等。项目项目蛋白质工程蛋白质工程基因工程
13、基因工程操作对象操作对象操作起点操作起点操作水平操作水平操作流程操作流程结果结果实质实质联系联系基因基因基因基因DNADNA分子水平分子水平DNADNA分子水平分子水平预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计蛋白质结构推测氨推测氨基酸序列基酸序列找到并改变对应的脱氧核苷酸序找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因列（基因）或合成新基因获得所需要的蛋获得所需要的蛋白质白质目的基因的筛选与获取目的基因的筛选与获取构建基因构建基因表达载体表达载体将目的基因导入受体细将目的基因导入受体细胞胞目的基因的检测与鉴定目的基因的检测与鉴定可生产自然界没有的蛋白质可生产自然界没有的蛋白质生产自然
14、界已有的蛋白质生产自然界已有的蛋白质通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质质或制造新的蛋白质将一种生物的基因转移到另一种生将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状生的蛋白质，进而表现出新的性状蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。预期蛋白质功能预期蛋白质功能目的基因目的基因2022-1-115
15、.5.蛋白质工程和基因工程的比较蛋白质工程和基因工程的比较如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？是否合成是否合成新的基因新的基因蛋白质工程蛋白质工程是否对原是否对原有基因进有基因进行改造行改造是是否否是是否否蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程二二看看蛋蛋白白质质一一看看基基因因是否为天是否为天然蛋白质然蛋白质是是否否蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程方法方法异想天开异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质导入合适的宿主细胞
16、中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内
17、如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。等都需要长期深入的研究。四、蛋白质工程的应用四、蛋白质工程的应用1.1.研发速效胰岛素类似物研发速效胰岛素类似物天然蛋白质易天然蛋白质易形成二聚体或形成二聚体或六聚体六聚体预期结构预期结构改造改造B28B28位脯氨酸替换位脯氨酸替换为天冬氨酸或将为天冬氨酸或将它与它
18、与B29B29位的赖氨位的赖氨酸交换位置酸交换位置新胰岛新胰岛素基因素基因转录转录mRNAmRNA折叠折叠预期预期功能功能行使行使功能功能降低胰岛降低胰岛素的聚合素的聚合作用作用设计设计结构结构改变改变B B链第链第20202929位氨位氨基酸组成基酸组成推测推测序列序列翻译翻译多肽链多肽链有效抑制有效抑制胰岛素的胰岛素的聚合聚合2.2.延长干扰素体外保存时间延长干扰素体外保存时间天然干扰素天然干扰素不易保存不易保存预期预期结构结构改造改造一个半胱氨酸一个半胱氨酸变成丝氨酸变成丝氨酸新干扰新干扰素基因素基因转录转录mRNAmRNA折叠折叠预期预期功能功能行使行使功能功能延长保延长保存时间存时间
19、设计设计结构结构氨基酸氨基酸替换替换推测推测序列序列翻译翻译多肽链多肽链在在-70-70下可以保下可以保存半年存半年 通过通过改造基因改造基因，将将小鼠抗体上结合抗原的区域小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）（即可变区）“嫁接嫁接”到人的到人的抗体抗体（即恒定区）（即恒定区）上上，经过这经过这样改造的抗体样改造的抗体诱发免疫反应的诱发免疫反应的强度强度就就会减低很多。会减低很多。 小鼠单克隆抗体会小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低导致治疗效果大大降低3.3.改造抗体改造抗体降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应医学问题
20、医学问题: :解决办法解决办法: :4.4.其他其他改进改进酶的酶的性能性能或或开发新的开发新的工业用酶；工业用酶；改造某些参与调控改造某些参与调控光合作用光合作用的酶，以的酶，以提高植物光合作用的提高植物光合作用的速率速率，增加粮食的产量增加粮食的产量；设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，使它设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，使它防防治病虫害治病虫害的效果增强；的效果增强； 如如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。剂工业、丝绸工业等。迄今迄今为止，利用蛋白质工程获得的该为止，利用蛋白质工程获得的
21、该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。5.5.面临的困难：面临的困难：蛋白质工程是一项蛋白质工程是一项难度很大难度很大的工程；的工程；主要原因：主要原因： 蛋白质发挥功能必须依赖于正确蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂分复杂由计算机建立的血红由计算机建立的血红蛋白三维结构模型蛋白三维结构模型6.6.前景展望前景展望： 科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需科学家要设计出更加符
22、合人类需要的蛋白质，还需要不断要不断地攻坚克难地攻坚克难。随着科技的深入发展，。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉来更多的福祉。到社会中去 酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性酶促反应能在常温、常压和中性pHpH条件下进行，条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，
23、生染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低产成本低。因此，。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。不断提升。20162016年，我国工业酶制剂年产量达年，我国工业酶制剂年产量达120120万吨，年增长率保万吨，年增长率保持在持在10%10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%30%左左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如，如提高酶的热稳定性，提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。等。
