1.4 蛋白质工程的崛起
19S3年，美国某基因公司的一名科学家提出了蛋白质工程这一名词。随着分子生物学、晶体学以
及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程已取得了很大的进展。目前，它已成为研究蛋白质结构和功能
的重要手段，并将广泛应用于制药和其他工业生产中。
蛋白质工程崛起的缘由
为什么要进行蛋白质工程的研究呢？我们知道，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生的蛋白质，进而表现出新的性状，这就是基因工程的实质。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进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。例如，干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，可以保存半年。又如，前面我们提到玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成
过程中的两个关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两个酶的活性。所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。还有许多工业用酶也是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。
你知道国际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？
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，还是通过对基因的操作来实现？
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程是怎样进行的呢？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。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，最终还必须通过基因来完成。
我们知道，天然蛋白质合成的过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：而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：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）（图1-29）。
图1-29 蛋白质工程流程图
讨论
某多肽的一段氨基酸序列苷酸序列是：.......—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—......
讨论：
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核序列？请把相应的碱基序列写出来？
2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？
通过以上分析和讨论可以看出，蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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。
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，导入适合的细菌中，让细菌生产人类所需要
的蛋白质食品呢？
粮食的工厂生产示意图
思考与探究
1. 蛋白质工程是应怎样的社会需求而崛起的？工程有什么不同？这说明社会需要与科技发展之间有什么关系？
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？
3.你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？有兴趣的话,请搜集这方面的资料。
蛋白质工程的进展和前景
蛋白质工程取得的进展向人们展示出诱人的前景。例如，科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。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。
蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂（图1-30），而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。我们相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福音。
图1-30血红蛋白的结构(α1、α2、β1和β2表示的四个亚基。)
进展追踪
通过报刊、杂志、互联网或其他媒体搜集资料，了解基因工程的新进展，就自己感兴趣的领域，自定选题，写一第专题综述报告。
参考选题：1.我国的转基因农作物；2.我国的转基因动物；3.转基因食品在我国；4.基因治疗的因难和前景；5.基因芯片与疾病诊断。
专题小结
基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的理论与技术的基础上,发展起来的一门科学技术。它的应用领域十分广泛,既可以作为研究许多基础理论的一种手段,也可以利用此项技术创造出更符合人类需要的产品,解决常规方法不能解决的许多问题。
基因工程是一种DNA操作技术,需要借助限制酶、连接酶以及载体等工具才能进行。基因工程的基本操作程序是:首先通过不同方法得到人们需要的目的基因,然后将目的基因与基因表达所要的多种元件组装起来构成一个表达载体,再将表达载体导入受体细胞，并使目的基因整合到受体细胞的DNA上，从而培育出转基因生物。
基因工程在植物、动物、微生物等生物上都得到了成功的运用，创造出了许多优良品种或产品。
基因工程是一种新鲜事物,也是一把“双刃剑”,人们对此自然会有不同看法。只要科学地、合理地加以利用,相信基因工程一定会使我们的生活更美好。
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,这些蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。因此,在基因工程基础上产了蛋白质工程，通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改萆,或制造新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。
书海导航
基因工程。楼士林等,北京:科学出版社,2002年7月。
生命的礼赞。敖光明主编,北京:科学普及出版社,2002年1月。
医用基因工程。杨吉成等,北京:化学工业出版社，2003年。
蛋白质工程的崛起——研究性学习报告 蛋白质工程崛起的缘由： 通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对开发它们进行产业化，开发往往不合意，需要加以改造。 蛋白质工程的目的： 生产符合人类生产和生活需要的蛋白质。 对天然蛋白质进行改造，应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质基因的改造。主要原因如下：1、任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，基因既对蛋白质进行了改造，而且改造过得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直接改造要容易操作的多。 蛋白质工程的途径： 天然蛋白质的合成途径：表达（转录或翻译）、基因表达链（转录或翻译）、形成具有高级结构的蛋白质、形成氨基酸序列的多肽、行使生物功能。 蛋白质工程的流程： DNA合成合成基因DNA mRNA 转录翻译氨基酸系列多肽链折叠分子设计蛋白质三维结构预期功能生物功能 蛋白质工程的概念： 基础：蛋白质的结构和功能 途径：基因修饰和基因合成 目标：改造蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的生产和生活的需要。 蛋白质工程的实质： 是对编码蛋白质的基因进行改造，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。 蛋白质工程的主要步骤通常包括： 1、从生物体中分离纯化目的蛋白。 2、测定其氨基酸序列；借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段尽可能的了解蛋白质的二维 结构和三维晶体结构。 3、设计各种处理条件。 4、了解蛋白质的结构变化，包括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 6、分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际应用。 高二12班 李艺
1.4 蛋白质工程的崛起 班级：____________ 姓名：_____________ 小组：_____________ 评价：____________ 【考纲要求】 1.举例说出蛋白质工程崛起的理由。 2.简述蛋白质工程的原理。（重难点） 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。 第一步：了解感知 阅读教材P26-28相关内容，将你认为重要的部分勾画出来，并完成下面内容： （一）蛋白质工程崛起的缘由 1．基因工程及不足 (1)实质：将一种生物的________转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的_________， 进而表现出____________。 (2)不足：在原则上只能生产自然界已存在的________。 2．天然蛋白质的不足 天然蛋白质的___________符合____________生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。（二）蛋白质工程的基本原理 1．概念:蛋白质工程是指以___________________________为基础，通过_______________________或__________________,对现有蛋白质__________或_____________________,以满足人类生产和生活的需要。 (1)基础：蛋白质分子的____________及其与____________的关系。 (2)手段：通过____________或____________，对现有蛋白质进行__________或制造一种新的蛋白质。 因为基因决定蛋白质，所以必须从基因入手。 (3)目的：获得满足人类生产和生活需求的_______________。2．原理：________________________。 3．流程： 天然蛋白质合成的过程是按照进行的；基因→表达（ 和）→形成→形成→行使生物功能；而蛋白质工程与之相反，它的基本途径是：从预期蛋白质功能出发→设计预期的____________→推测应有的________序列→找到相对应的__________序列(基因)。 4、蛋白质工程的成果 （1）延长干扰素体外保存时间 问题：干扰素在体外保存相当困难 措施：可将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，使其长时间保存。 （2）提高玉米中赖氨酸的含量 问题：玉米中含量较低，原因是当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制赖氨酸合成过程中两个关键酶----天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性。 措施：将玉米中天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶只中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可提高玉米中游离赖氨酸的含量。 （3）还有许多工业用酶也是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。 （三）蛋白质工程的进展和前景 蛋白质工程是在__________的基础上,延伸出来的第______代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域. 1．前景诱人：如用此技术制成的电子元件，具有______、______和效率高的特点；通过对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。 2．难度很大：蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于，这种十分复杂.
专题一1.4 蛋白质工程地崛起课前预习学案、预习目标 1、简述蛋白质工程地实质及基因工程生产地蛋白质种类. 2 、解释蛋白质工程地基本原理及基本途径. 3、分析蛋白质工程将来地发展前景. 、预习内容 三、提出疑惑 同学们，通过你地自主学习，你还有哪些疑惑，请把它填在下面地表格中
一、学习目标 1. 举例说出蛋白质工程崛起地缘由. 2. 简述蛋白质工程地原理. 3. 尝试运用逆向思维分析和解决问题. 二、学习重点和难点 1. 教学重点 （1）为什么要开展蛋白质工程地研究？ （2）蛋白质工程地原理. 2. 教学难点 蛋白质工程地原理. 三、学习过程 （一）、蛋白质工程崛起地缘由：1、基因工程地实质：将一种生物地转移到另一处生物体内，后者产生它本不能产地，从而产生新性状. 2．蛋白质工程目地：生产符合人们生活需要地并非自然界已存在地. （二）、蛋白质工程基本原理 1．目标：根据人们对功能地特定需求，对结构进行分析设计. 2．原理：基因改造. 3．过程：预期蛋白质功能→设计结构→推测应有序列→找到对应地序列（基因）.（三）、蛋白质工程地进展和前景 例如：科学家通过对地改造，已使其成为速效型药品；用蛋白质工程方法制成地电子元件，具有、和地特点，因此有极为广阔地发展前景. b5E2RGbCAP 四、当堂检测 1、科学家运用基因工程技术，可以使哺乳动物本身变成“批量生产药物地工厂”，如“乳腺生 物反应器”地培养，就是将“某种基因”通过显微注射法导入哺乳动物地受精卵中，然后，将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动物.这里地“某种基因”是指：（）p1EanqFDPw A ．乳腺蛋白基因B．药用蛋白基因 C．药用蛋白基因和乳腺蛋白基因地启动子重组在一起D ．药用蛋白基因和细菌质粒基因重组在一起2、下列有关基因工程技术地叙述，正确地是( ) A．重组DNA技术所用地工具酶是限制酶、连接酶和运载体B．所有地限制酶都只能识别同一种特定地核苷酸序列C．选用细菌作为重组质粒地受体细胞是因为细菌繁殖快D．只要目地基因进入了受体细胞就能成功实现表达 3、PCR技术地原理类似于细胞内DNA地复制，短时间内就可以在体外将目地基因扩增放大几百万倍. 下
《蛋白质工程的崛起》教学设计 程雪梅 一、教学目标的确定 蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件支撑的，正如课本中开头描述的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展而诞生的，也与基因组学、 蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关（本书“前沿动态”中有简要介绍）。 蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖 于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。 可以使学生认识到科学探索之路的漫长、艰辛和永无止境。学生在必修课中已学习 过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知识。这是学习新知识的基础。既然蛋 白质的功能是由 DNA 决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造 DNA 质工程的原理应该是中心法则的逆推。结合课本中插图，可以较明确地说明教学目标： 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的原理。 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。 教学重点： （1）为什么要开展蛋白质工程的研究？ （2）蛋白质工程的原理。 教学难点：蛋白质工程的原理。 教学方法：采用“问题—探究—新问题—再探究”的教学模式。 二、教学设计思路 新课一开始，可以带领学生回忆原有知识：要想让一种生物的性状在另一种生物中表达，在种内可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问
题，带来了新的希望。于是取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物 蛋白至此，人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但一个
学校：临清一中学科：生物编写人：孙书明审稿人：吕瑞 专题一蛋白质工程的崛起 一、教学目标 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的原理。 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。 二、教学重点和难点 1.教学重点 （1）为什么要开展蛋白质工程的研究 （2）蛋白质工程的原理。 2.教学难点 蛋白质工程的原理。 三、教学过程 一、蛋白质工程崛起的缘由（P26） 引言：要想让一种生物的性状在另一种生物中表达，在种内可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望。于是取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白……至此，人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。举例：P26干扰素例子、工业用酶的例子 于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。 二、蛋白质工程的原理 回顾已学习过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知识。中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图1-4所示。 图1-4 遗传信息的流动方向
那么，既然蛋白质的功能是由DNA决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造DNA。所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。（结合课本中插图） 小结：蛋白质工程的概念（是研究蛋白质的结构及结构与功能的关系，然后人为地设计一个新蛋白质，并按这个设计的蛋白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。或者从蛋白质结构与功能的关系出发，定向地改造天然蛋白质的结构，特别是对功能基因的修饰，也可以制造新型的蛋白质。） 思考：蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同 答：基因工程是遵循中心法则，从DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。 蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。 三、蛋白质工程的进展和前景 1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关 2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。 科学探索之路的漫长、艰辛和永无止境。 四、答案和提示 （一）思考与探究 1.蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的 提示（供教师在教学中参考）：蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。
1.4 蛋白质工程的崛起 19S3年，美国某基因公司的一名科学家提出了蛋白质工程这一名词。随着分子生物学、晶体学以 及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程已取得了很大的进展。目前，它已成为研究蛋白质结构和功能 的重要手段，并将广泛应用于制药和其他工业生产中。 蛋白质工程崛起的缘由 为什么要进行蛋白质工程的研究呢？我们知道，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生的蛋白质，进而表现出新的性状，这就是基因工程的实质。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进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。例如，干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，可以保存半年。又如，前面我们提到玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成 过程中的两个关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两个酶的活性。所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。还有许多工业用酶也是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。 你知道国际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？ 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，还是通过对基因的操作来实现？ 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程是怎样进行的呢？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。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，最终还必须通过基因来完成。 我们知道，天然蛋白质合成的过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：而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：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）（图1-29）。 图1-29 蛋白质工程流程图 讨论 某多肽的一段氨基酸序列苷酸序列是：.......—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—...... 讨论： 1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核序列？请把相应的碱基序列写出来？ 2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？ 通过以上分析和讨论可以看出，蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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。 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，导入适合的细菌中，让细菌生产人类所需要
1、4蛋白质工程的崛起 课标要求 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的原理。 能力要求 .尝试运用逆向思维分析和解决问题。 知识网络体系 基因工程的实质： 蛋白质工程崛起缘由基因工程原则上只能生产自然界原有的蛋白质 蛋白质工程的目的： 目标 蛋白质工程的基本原理原理： 过程： 蛋白质工程的进展和前景 重难热点归纳 1）蛋白质工程与基因工程的区别： 蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系，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，甚至创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。蛋白质工程自诞生之日起，就与基因工程密不可分。基因工程是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。蛋白质工程则更进一步。它可以根据对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。因此，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造的、具有了人类所需要的优点的蛋白质。天然蛋白质都是通过漫长的进化过程而形成的，而蛋白质工程对天然蛋白质的改造，好比是在实验室里加快了进化的过程。 2）为什么要开展蛋白质工程的研究 蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。 3）蛋白质工程的原理 预期功能→蛋白质三维结构→氨基酸序列（多肽链）→基因→具有预期功能的蛋白质
蛋白质工程的崛起 19S3年，美国某基因公司的一名科学家提出了蛋白质工程这一名词。随着分子生物学、晶体学以 及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程已取得了很大的进展。目前，它已成为研究蛋白质结构和功能 的重要手段，并将广泛应用于制药和其他工业生产中。 蛋白质工程崛起的缘由 为什么要进行蛋白质工程的研究呢？我们知道，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生的蛋白质，进而表现出新的性状，这就是基因工程的实质。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进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。例如，干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，可以保存半年。又如，前面我们提到玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两个酶的活性。所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。还有许多工业用酶也是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。 你知道国际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？ 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，还是通过对基因的操作来实现？ 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程是怎样进行的呢？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。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，最终还必须通过基因来完成。 我们知道，天然蛋白质合成的过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：而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：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）（图1-29）。 图1-29 蛋白质工程流程图 讨论 某多肽的一段氨基酸序列苷酸序列是：.......—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—...... 讨论： 1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核序列？请把相应的碱基序列写出来？ 2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？ 通过以上分析和讨论可以看出，蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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。 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，导入适合的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？ 粮食的工厂生产示意图 思考与探究
专题一 1.4蛋白质工程的崛起 一、教学目标 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的原理。 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。 二、教学重点和难点 1.教学重点 （1）为什么要开展蛋白质工程的研究？ （2）蛋白质工程的原理。 2.教学难点 蛋白质工程的原理。 三、教学过程 一、蛋白质工程崛起的缘由（P26） 引言：要想让一种生物的性状在另一种生物中表达，在种内可以用常规杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了。基因工程的诞生，为克服这一远缘杂交的障碍问题，带来了新的希望。于是取得了丰硕成果：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白……至此，人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。举例：P26干扰素例子、工业用酶的例子 于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。 二、蛋白质工程的原理 回顾已学习过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知识。中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图1-4所示。 图1-4 遗传信息的流动方向
那么，既然蛋白质的功能是由DNA决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造DNA。所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。（结合课本中插图） 小结：蛋白质工程的概念（是研究蛋白质的结构及结构与功能的关系，然后人为地设计一个新蛋白质，并按这个设计的蛋白质结构去改变其基因结构，从而产生新的蛋白质。或者从蛋白质结构与功能的关系出发，定向地改造天然蛋白质的结构，特别是对功能基因的修饰，也可以制造新型的蛋白质。） 思考：蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？ 答：基因工程是遵循中心法则，从DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。 蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。 三、蛋白质工程的进展和前景 1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学、生物信息学的发展等因素有关 2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。 科学探索之路的漫长、艰辛和永无止境。 四、答案和提示 （一）思考与探究 1.蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？ 提示（供教师在教学中参考）：蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。