蛋白质工程的崛起

蛋白质工程取得的进展向人们展示出诱人的前景，科 学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。生物 和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于电子方面。 用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少 和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。
1.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？
赖氨酸提高5倍
赖氨酸提高2倍
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，还是对基因操作来实 现？
对基因操作来实现。
（1）任何一种天然蛋白质的都是由基因 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 白质进行改造，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进行改造 要容易操作。
某多肽链的一段氨基酸序列是： ……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG 色氨酸：UGG 苯丙氨酸：UUU、UUC
讨论回答下列问题：
1.请写出决定这一段肽链的mRNA片段和基因
片段的核苷酸序列。
2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合
蛋白质工程崛起的缘由
项目 作用 缺点 改进 结果
-70℃条件下保 存半年
干扰 治疗病 在体外 ……半光氨酸…… 毒感染 不易保 ……丝氨酸…… 素
和癌症 存
玉米 人体必 含量低，天冬氨酸激酶（352位） 的赖 需氨基 一定浓 ……苏氨酸…… 酸 度能抑 ……异亮氨酸…… 氨酸 制相关
合成酶 二氢吡啶二羧酸合成酸 的活性 （104位） ……天冬酰胺…… ……异亮氨酸……
根据对蛋白质分子预先 设计的方案，通过对天 然蛋白质的基因进行改 造，来实现对它所编码 的蛋白质进行改造
程序 中心法则的逆向推导 产品 可以创造自然界不存在
的蛋白质
联系
利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定 向地改造天然的蛋白质。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。
蛋白质工程的进展和前景
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。
蛋白质的一级结构
蛋白质的二级结构
蛋白质的三级结构——胰来自百度文库素
胰 岛 素 的 三 级 结 构
蛋白质的四级结构——血红蛋白
血红蛋白分子就 是由二个由141 个氨基酸残基组 成的α亚基和二 个由146个氨基 酸残基组成的β 亚基按特定的接 触和排列组成的 一个球状蛋白质 分子，每个亚基 中各有一个含亚 铁离子的血红素 辅基。
蛋白质工程的崛起
杨五明
山西省高平市第一中学校
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。2003 年，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.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。
蛋白质工程与基因工程的比较
蛋白质工程 基因工程
通过基因操作把外源基因 转入适当的生物体内，并 在其中进行表达，它的产 品还是该基因编码的天然 存在的蛋白质 遵循中心法则 生产出自然界已有的蛋白 质
原理
基因工程是指按照人们的愿望，进行严格 的设计，并通过体外DNA重组和转基因技术， 赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合 人们需要的新的生物类型和生物产品。 基因工程在原则上只能生产自然界已存在 的蛋白质。这些天然蛋白质是生物在长期过程 中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生 存的需要，却不一定符合人类生存和生活的需 要。
2.你知道酶工程吗?绝大多数酶都是蛋白质，酶 工程和蛋白质工程有什么区别？
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。（如加酶洗衣粉） 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。
成或改造目的基因（DNA）？
丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸
氨基酸 mRNA
单链DNA
丙氨酸 GCU C A G CGA G T C
色氨酸 UGG
赖氨酸 AAA G TTT C
甲硫氨酸
苯丙氨酸
AUG
UUU C AAA G
ACC
TAC
双链DNA
（一种）
C G A A C C T T T T A C A A A G C T T G G A A A A T G T T T
蛋白质工程 的基本原理
DNA
逆转录 转录
mRNA
合成 翻译
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 的关系作为基础，通 过基因修饰或基因合 成，对现有白质进行 改造一种新的蛋白质， 以满足人类的生产和 生活的需求。（第二 代基因工程）
多 肽 链
分子设计
中 心 法 则
盘曲 折叠
具有空间结构的蛋白质 预期功能 生物功能