第三节 蛋白质工程1．理解蛋白质工程的概念和原理。
(重、难点)2．掌握基因工程和蛋白质工程的区别和联系。
(重点)3．了解蛋白质工程的应用和发展。
蛋白质工程的概念和原理1．概念(1)基础：蛋白质的结构和功能的关系。
(2)手段：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA 技术改造基因。
(3)目的：定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质。
2．原理(1)结构分析①前提条件：了解蛋白质的结构和功能的关系。
②了解蛋白质结构的方法⎩⎪⎨⎪⎧X 射线晶体衍射法核磁共振法DNA 和蛋白质测序技术(2)结构预测与设计：构建蛋白质空间结构模型。
(3)基因工程：对基因进行改造，是蛋白质工程的关键技术。
蛋白质纯化：纯化蛋白质，测定和分析其结构和功能。
(5)功能分析：分析蛋白质的生物学和化学特性。
[合作探讨]科学家将β干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌中表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高了β干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。
探讨1：上述材料中的技术属于什么工程？提示：蛋白质工程。
探讨2：蛋白质工程为什么需要直接改造基因，而不直接改造蛋白质？提示：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，被改造的蛋白质也是无法遗传的。
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。
探讨3：蛋白质工程操作的基本思路是什么？提示：蛋白质工程是按照以下思路进行的：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)，可以创造出自然界不存在的蛋白质。
[思维升华]1．对概念的理解(1)首先了解蛋白质的结构和功能。
(2)其次是设计蛋白质。
(3)实质是改造基因。
(4)最后合成出自然界不存在的蛋白质。
2．基本原理3．了解蛋白质结构的方法实施蛋白质工程的前提条件是通过物理化学与生物化学等技术手段了解蛋白质结构与功能的关系，所以首先要了解蛋白质的结构。
(1)三维结构：X射线晶体衍射法。
(2)构象：核磁共振法。
(3)一级结构(氨基酸序列)：DNA和蛋白质测序技术。
4．核心技术——定点诱变技术和非定点诱变技术(1)定点诱变技术：基因的定点诱变技术是改变蛋白质结构的核心技术之一。
①适用对象：对于不能预先确定诱变位点的蛋白质，可采用非定点诱变技术来进行蛋白质的改造。
②特点：非定点诱变突变位点多，有时甚至会产生意想不到的改造效果。
特别提醒]有关蛋白质工程的三点提醒(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，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。
(2)蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶。
改造后的基因需要表达出相应的蛋白质，同样需将改造或合成的基因导入受体细胞。
(3)蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别，基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。
1．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 ．①②B ．①②③C ．②③④D ．①②④【解析】 蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，不能直接改变蛋白质的空间结构。
但是能进行少数氨基酸的替换，能对不同来源的蛋白质进行拼接，能够从氨基酸的排列顺序出发设计全新的蛋白质。
【答案】 B2．(2016·临沂期中)下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是( )A ．收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便分析结构与功能之间的关系B ．可以预测具有一定氨基酸序列的蛋白质的空间结构和生物功能C．根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构D．根据人们的需要，直接对氨基酸的分子结构进行改造【解析】蛋白质工程中需要收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便分析结构与功能之间的关系，A正确；预测具有一定氨基酸序列的蛋白质的空间结构和生物功能，B正确；蛋白质工程能根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构，C正确；根据人们的需要，通过对基因进行改造来实现对蛋白质的改造，D错误。
【答案】 D1．改造酶的结构，提高酶的热稳定性。
2．生物工程制药(1)实例1：鼠源杂交瘤抗体的改造。
①改造方法：在基因水平上对抗体进行重组，产生人恒定区和鼠可变区嵌合抗体。
②结果：对人体的不良反应减少。
(2)实例2：对t PA的改造。
①t PA功能：溶解血栓块，医治心肌梗死等疾病。
②改造方法：将t PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺。
③结果：t PA在血液循环中停留时间延长，疗效更加显著。
3．疾病诊断(1)方法：蛋白质芯片法。
(2)原理：抗原—抗体的特异性结合。
(3)实例：SARS病毒的检测与诊断。
[合作探讨]资料 1 将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；资料 2 更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。
探讨1：资料1、2中的技术分别属于什么工程？提示：基因工程；蛋白质工程。
探讨2：上述两种提高玉米中赖氨酸含量的技术的实质相同吗？为什么？提示：不相同。
蛋白质工程实质是定向改造或生产人类所需蛋白质，基因工程实质是定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品。
探讨3：蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？提示：(1)操作对象相同都是基因。
(2)得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界原有的蛋白质。
探讨4：基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？为什么？提示：都遵循中心法则。
基因工程指导合成天然蛋白质的过程是遵循中心法则的；蛋白质工程操作时，经改造的基因表达所需要的蛋白质仍需遵循中心法则。
[思维升华]1．提高酶的热稳定性(1)原因工业化生产中所使用的酶需要具有高度的稳定性和催化活性，特别是对高温的稳定性。
一般来说，热稳定性高的酶也具有较强的耐酸、碱和有机溶剂的能力。
(2)方法①方法一：通过替换酶的几种氨基酸，可以提高酶的热稳定性。
②方法二：在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性。
2．制造速效胰岛素(1)原因：胰岛素进入血液速度缓慢的主要原因是胰岛素分子会聚合成二聚体或多聚体。
(2)方法：通过基因定点诱变，将胰岛素B链由B28脯氨酸—B29赖氨酸改为B28赖氨酸—B29脯氨酸，获得单体速效胰岛素。
3．鼠—人嵌合抗体的形成(1)原因：小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥，不能直接用于人体。
(2)方法：在基因水平上对抗体进行重组嵌合抗体，就是保留鼠单克隆抗体的可变区，而用人抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区，这种嵌合抗体的抗原性显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失，可用于临床治疗。
4．制造长效纤维蛋白溶解酶原激活因子(1)原因：组织纤溶酶原激活物(tPA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。
但tPA进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性。
(2)方法：利用基因定点诱变技术，将纤维蛋白溶解酶原激活因子(tPA)分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺，使tPA在血液循环中的停留时间大大延长，疗效更加显著。
5．蛋白质工程和基因工程的区别和联系(1)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。
(2)基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。
特别提醒]基因工程没有产生新基因，只相当于人工基因重组。
1．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，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。
现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗人的食物消化不良，其最佳方案是( )A ．对此酶中的少数氨基酸进行替换，以改善其功能B ．将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶C ．重新设计与创造一种全新的蛋白酶D ．减少此酶在片剂中的含量【解析】 要想使蛋白酶的热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，一般是对蛋白质中的少数氨基酸进行替换。
【答案】 A2．(2016·吉林长春月考)胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射入人体后，会堆积在皮下，要经过较长时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易分解，因此治疗效果受到影响。
下图是用蛋白质工程设计的速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题。
(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是__________________________。
(2)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是：根据新的胰岛素的_______________________________________________推测出其基因中的_______________________________________________，然后利用______________________来合成新的基因。
(3)新的胰岛素基因与运载体(质粒)结合过程中需要__________________________酶和______________________________酶。
(4)若将含有新的胰岛素基因的表达载体导入植物细胞中，最常用的有效做法是________________________。
(5)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有________________、________________和发酵工程。
【解析】(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构进行分子设计，因此，题图中构建新的胰岛素模型的依据是预期胰岛素的功能。
(2)由新的蛋白质模型到构建新的基因，其基本设计思路是根据新的蛋白质中氨基酸的序列，推测出基因中的脱氧核苷酸序列，然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。
利用蛋白质工程生产自然界原本不存在的蛋白质，需对原有的胰岛素进行改造，根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，人工合成新的胰岛素基因，形成目的基因。
(3)合成的目的基因应与载体构建基因表达载体，需要用限制性核酸内切酶和DNA连接酶，然后将基因表达载体导入受体细胞中才能得以表达。
(4)把基因表达载体导入植物细胞的常用方法是农杆菌转化法。
(5)改造好的目的基因需通过基因工程来生产基因产物，并且在生产过程中要借助工程菌，所以还需要进行发酵。