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1.4蛋白质工程的崛起情境导入课程目标胰岛素蛋白质分子的空间结构胰岛素制剂现已广泛应用于临床,用于治疗糖尿病。但是天然胰岛素制剂在储存中容易形成二聚体和六聚体,增加了胰岛素从注射部位进入血液的时间,从而延缓了胰岛素制剂的降血糖作用,也增加了抗原性,降低了药效。研究表明,这是由于胰岛素β肽链上的第23和第28个氨基酸的结构造成的。如何解决这一问题呢?科学家想到了可以利用蛋白质工程技术改变这些氨基酸,降低其聚合作用,使胰岛素快速起作用。那么,什么是蛋白质工程呢?1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.简述蛋白质工程的基本原理及基本途径。3.列表比较蛋白质工程和基因工程。4.关注蛋白质工程的发展。一二三一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。一二三二、蛋白质工程1.目标: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。2.蛋白质工程技术流程:从预期蛋白质功能出发→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)。3.概念: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,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。也就是说,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,是包含多学科的综合科技工程领域。一二三三、蛋白质工程的进展和前景目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够,要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。自主思考蛋白质工程的直接操作对象是基因还是蛋白质?提示:基因。探究点蛋白质工程的基本原理●问题导引●干扰素是动物体内的一种蛋白质,可用于治疗病毒的感染和癌症,但干扰素的体外保存非常困难,通过蛋白质工程能够培育出可长期体外保存的干扰素。思考:(1)写出干扰素基因的表达图解。(2)为获得耐保存的干扰素,如何进行蛋白质工程操作?提示:(1)干扰素基因mRNA干扰素(2)预期干扰素的性质和功能→设计干扰素的分子结构→设计干扰素的氨基酸序列→对干扰素基因修饰和改造→改造后的干扰素基因表达。●名师精讲●1.基本原理(1)概念: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,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。(2)目标: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。(3)原理:基因改造。(4)过程: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)。(5)蛋白质工程流程图。蛋白质工程中心法则2.基因工程与蛋白质工程的比较项目基因工程蛋白质工程操作场所生物体外操作起点目的基因预期的蛋白质功能操作对象基因基本过程目的基因的获取→基因表达载体的构建→重组DNA导入受体细胞→筛选含有目的基因的细胞→目的基因的表达预期蛋白质功能→应有的高级结构→应有的氨基酸序列→相应的碱基序列→基因操作→改造的蛋白质续表项目基因工程蛋白质工程目的人类需要的基因产物人类需要的新基因,可以创造出自然界不存在的蛋白质实质基因在不同生物体内表达通过改造基因,定向改造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,因为是对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,必须通过基因修饰或合成来实现特别提醒蛋白质工程的直接操作对象是基因,而非蛋白质。3.拓展(1)蛋白质的结构、组成:蛋白质是由基本单位氨基酸按特定的顺序构成的,是具有特定结构的生物大分子。由于肽链内部相邻氨基酸残基之间的相互作用,使肽链总在空间上倾向于达到最稳定的存在形式,这种特定的空间结构与蛋白质功能密切相关,因而可以通过改造蛋白质中氨基酸组成及排序来改变其原有的空间结构,进而影响其功能。(2)蛋白质工程的前提条件:了解蛋白质的结构和功能之间的关系。利用X射线衍射法,可测定蛋白质分子的三维空间结构,利用核磁共振法可了解蛋白质的构象。(3)蛋白质的改造方法。①“大改”:制造出自然界中不存在的全新蛋白质。②“中改”:在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构域。③“小改”:改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。特别提醒把不同的蛋白质拼接成“融合蛋白”也属于蛋白质工程改造蛋白质的方法。【例题】科学家将干扰素基因进行定点突变,导入大肠杆菌表达,使干扰素第十七位的半胱氨酸改变成丝氨酸,结果大大提高了干扰素的储存稳定性。该生物技术为()A.基因工程B.蛋白质工程C.基因突变D.细胞工程解析:基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体内,使其高效表达,从中提取所需的基因控制合成的蛋白质,或表现某种性状,蛋白质产品仍然为天然存在的蛋白质,而蛋白质工程却是对控制蛋白质合成的基因进行改造,从而实现对其编码的蛋白质的改造,所得到的已不是天然的蛋白质。题目的操作中涉及的基因显然不再是原来的基因,其合成的干扰素也不是天然干扰素,而是经过改造的具人类所需优点的蛋白质,因而整个过程利用的生物技术应为蛋白质工程。答案:B典型方法掌握基因工程和蛋白质工程的判断方法是解答此类题型的关键。基因工程和蛋白质工程的判断依据有:(1)对基因的操作方法。如果仅将基因用限制酶从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都可以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。123451.蛋白质工程的目标是()A.通过对基因进行诱变,产生新的蛋白质B.通过基因重组,合成生物体本来没有的蛋白质C.根据人们对蛋白质功能的特定需求,改造或制造蛋白质D.生产大量的蛋白质解析:蛋白质工程是指为了满足人类生产和生活的需要,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,对现有的蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质。答案:C123452.蛋白质工程的实质是()A.改造蛋白质B.改造mRNAC.改造基因D.改变氨基酸解析:蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的,但其根本还是改造基因,因为基因控制蛋白质的合成。答案:C123453.下列不是蛋白质工程的研究内容的是()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.按照人们的意愿将天然蛋白质改造成新的蛋白质解析:蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系,按照人的意愿改造蛋白质分子,形成自然界不存在的蛋白质分子。为了改造某种蛋白质分子,必须对其精细结构进行分析,但不包括组成蛋白质的氨基酸的化学成分的分析。答案:C123454.下列不属于蛋白质工程成果的是()A.改造酶的结构,提高其热稳定性B.生产鼠—人嵌合抗体C.将干扰素分子中的半胱氨酸替换为丝氨酸D.将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素解析:将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素,只是改变了胰岛素基因的表达场所,并没有对胰岛素基因和胰岛素进行修饰或改造,该过程属于基因工程,不属于蛋白质工程。答案:D123455.下列对物质的改造不属于蛋白质工程范畴的是()A.胰岛素改造B.抗体改造C.酶的改造D.性激素改造解析:性激素的化学本质是固醇,不是蛋白质。答案:D