第三节蛋白质工程1.蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并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，以定向改造蛋白质，甚至创造出自然界不存在的蛋白质的技术。

2．蛋白质工程的关键技术是基因工程。

3．蛋白质工程的一般过程是：预期蛋白质功能→分子设计蛋白质→合成相应基因→基因指导新蛋白质合成。

4．实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。

5．根据蛋白质被改动部位的多少，可将蛋白质改造类型分为“大改”、“中改”和“小改”。

6．通过蛋白质工程，可获得热稳定性高的酶和新型药物。

对应学生用书P16蛋白质工程概述1．蛋白质工程的概念(1)手段：①通过物理化学和生物化学等技术了解蛋白质的结构和功能。

②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。

(2)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。

(3)关键技术：基因工程。

蛋白质工程又称第二代基因工程。

2．蛋白质工程的一般过程先根据新蛋白质预期功能设计相关蛋白质结构，进而设计对应的氨基酸序列，在此基础上合成可产生新蛋白质的相关脱氧核苷酸序列(基因)，再利用基因工程技术合成新的蛋白质。

3．改造蛋白质的方式改造方式相关操作大改根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能中改改变蛋白质分子中某一个多肽片段或一个特定的结构小改通过基因工程中的定点诱变技术，有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能1．对天然蛋白质进行改造，是通过直接对蛋白质分子进行操作来实现的吗？提示：不是，由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终必须通过改造基因来完成。

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？提示：基因工程是按照中心法则进行的：基因→表达(转录和翻译)→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。

蛋白质工程却与之相反，一般是先创造出适合人类需求的新基因，然后使其表达出具有特定结构和功能的蛋白质。

蛋白质工程可以创造出自然界不存在的蛋白质。

3．假如某科学家设计出某种蛋白质的空间结构，你能否设计出利用大肠杆菌生产该蛋白质的流程？提示：蛋白质的空间结构→氨基酸序列→合成目的基因→构建基因表达载体→导入大肠杆菌→产生相应蛋白质。

4．PCR技术在基因定点诱变中的技术流程是什么？提示：先人工合成带有突变位点的引物，通过PCR扩增而获得定点突变的基因，再通过基因工程方法，将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译就可合成所需的蛋白质。

1．蛋白质工程的操作步骤(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)设计编码该蛋白质的基因改造方案，如定点突变。

(6)分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。

[特别提醒]蛋白质工程并不是直接改造蛋白质，而是通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造，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。

2．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。

项目内容条件原料脱氧核苷酸酶DNA多聚酶(聚合酶)和DNA连接酶引物含突变位点的DNA分子片段操作方法PCR技术结果后代中半数为诱变的DNA分子适用范围空间结构完全清楚的蛋白质，进行“小改”特点定点诱变有目的性和针对性(2)非定点诱变技术：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，有时甚至会产生出意想不到的改造效果。

3．基因工程与蛋白质工程的比较项目基因工程蛋白质工程区别起点目的基因预期蛋白质功能过程获取目的基因→构建基因表达载体→导入目的基因→检测和鉴定目的基因→实现功能表达蛋白质结构分析→结构预测与设计→基因工程→蛋白质纯化→功能分析实质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定向改造和生产人类所需的蛋白质结果生产自然界已存在的蛋白质定向改造天然蛋白质，甚至创造出自然界不存在的蛋白质联系蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因工程才能实现[特别提醒]基因工程和蛋白质工程生产出的蛋白质不同①基因工程中目的基因是自然存在的基因，只能生产出自然界中已存在的蛋白质。

②蛋白质工程中所涉及的基因不是自然存在的，是改造过的自然存在的基因，因此能够生产出自然界中不存在的蛋白质。

蛋白质工程的应用1．提高酶的热稳定性方法一：将酶分子中的天门冬酰胺和谷氨酰胺转变为其他氨基酸。

方法二：在蛋白质分子中引入二硫键。

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分子中的天门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大大延长，疗效更加显著。

1．一般的藻类植物仅能生活在40 ℃以下的水环境中，但也有少数种类的藻类植物可以生活在80 ℃以上的温泉中。

从酶的角度考虑其主要原因是什么。

提示：温泉藻类植物体内酶肽链中的某些氨基酸与一般藻类植物的不同，使酶的热稳定性增强。

2．人类正常血红蛋白(HbA)β链第63位氨基酸是组氨酸，其密码子为CAC或CAU，当β链第63位组氨酸被酪氨酸(UAU或UAC)替代后，出现异常血红蛋白(HbM)，导致一种贫血症，β链第63位组氨酸被精氨酸(CGU或CGC)所替代而产生的异常血红蛋白(HbZ)将引起另一种贫血症。

(1)写出正常血红蛋白基因中，决定β链第63位组氨酸密码子的碱基对组成。

提示：GTG或GTA。

(2)若将正常的基因片段导入贫血症患者骨髓造血干细胞，则可以达到治疗目的。

请问：此操作属于蛋白质工程吗？为什么？提示：不属于蛋白质工程。

因为此操作是将健康的正常的目的基因导入有缺陷的受体细胞，合成的蛋白质仍是天然存在的蛋白质，属于基因工程技术。

蛋白质工程的应用(1)提高蛋白质的稳定性：①通过基因的体外定点诱变技术替换原有氨基酸。

②增加蛋白质中二硫键数量。

(2)融合蛋白质：用化学合成法将控制不同蛋白质的基因连接，在大肠杆菌中可以表达出融合蛋白。

(3)改变蛋白质的活性：科学家将胰岛素β链中的第28位的脯氨酸和第29位的亮氨酸交换位置，即可获得单体速效胰岛素。

该速效胰岛素已通过临床实验。

(4)治癌酶的改造：癌症的基因治疗分两个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。

通过改造治疗癌症的酶，能够达到更好的治疗效果。

(5)嵌合抗体和人缘化抗体：通过蛋白质工程对抗体进行改造，增强机体的免疫力。

对应学生用书P19以对概念的比较分析为依据，考查基因工程和蛋白质工程的异同[例1]下列关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是()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，所以二者没有区别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后的蛋白质有的仍然是天然的蛋白质D．利用蛋白质工程可以在大肠杆菌细胞中得到人的胰岛素[精讲精析]蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。

其中，基因工程是关键技术，是蛋白质工程的基础，因为对蛋白质结构的改造是通过改造基因来实现的，所以蛋白质工程是在基因水平上改造蛋白质，改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质。

利用大肠杆菌生产人胰岛素属于基因工程。

[答案] B基因工程和蛋白质工程的判断方法(1)对基因的操作方法：如果仅将基因用限制性核酸内切酶酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或去除了某几个碱基，则属于蛋白质工程。

(2)目的基因的合成方式：基因工程和蛋白质工程中都可以通过反转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。

如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。

(3)合成的蛋白质种类：如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。

下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是()A．基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质B．基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的C．当得到可以在－70 ℃条件下保存半年的干扰素后，在相关酶、氨基酸和适宜的温度、pH条件下，干扰素可以大量自我合成D．蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成解析：选C利用蛋白质工程生产蛋白质产品应通过改造相应基因后，再经基因表达大量产生。

以蛋白质工程设计流程图为载体，考查蛋白质工程的应用[例2]胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液中的胰岛素又容易被分解，因此，治疗效果受到影响。

下图是用蛋白质工程设计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)通过DNA合成形成的新基因应与________结合后转移到________________中才能得到准确表达。

(3)若要利用酵母菌生产速效胰岛素，效率会比用大肠杆菌高，原因是_____________________________________________________________________________________(4)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什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________(5)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因除图中方法外还可以采用________技术，其中________技术是目前常用方法之一。