你見過用細(xì)菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。 最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？
它是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程，是包含多學(xué)科的綜合科技工程。
是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。
隨著分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，蛋白質(zhì)工程取得了很大的進展。
目前，它已成為研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的重要手段，并將廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和其他工業(yè)生產(chǎn)中。
將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新的性狀。
只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。這些天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的。它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。
利用蛋白質(zhì)工程提高玉米中賴氨酸的含量：玉米中賴氨酸含量低的原因：賴氨酸合成過程中的兩種關(guān)鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細(xì)胞內(nèi)賴氨酸濃度的影響較大。賴氨酸達(dá)到一定濃度就會抑制這兩種酶的活性，所以賴氨酸含量很難提高。方法：將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。
是根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造。
由于基因決定蛋白質(zhì)，因此要對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，最終還必須通過改造或合成基因來完成。
是按照中心法則進行的：基因→表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）→形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈多肽鏈形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)→行使生物功能。
【思考·討論】蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
1. 怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。
2. 確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？
蛋白質(zhì)工程經(jīng)常要借助計算機來建立蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型；要制備蛋白質(zhì)晶體，然后通過X射線衍射技術(shù)，分析晶體的結(jié)構(gòu)；要用到基因的定點突變技術(shù)來進行堿基的替換。
問題：天然胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后往往要經(jīng)歷一個逐漸解離為單體的過程，這在一定程度上延緩了療效。科學(xué)家希望對胰島素進行改造，從而降低它的聚合作用。原理：研究人員解析人胰島素晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，人胰島素由A鏈和B鏈構(gòu)成，其中B鏈的第20~29位氨基酸是胰島素分子相互作用形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，改變這個區(qū)域氨基酸的組成就有可能降低胰島素分子間的作用力。
成果：科學(xué)家已通過改造胰島素基因?qū)崿F(xiàn)了對相應(yīng)氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替換為天門冬氨酸或者將它與B29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合，由此研發(fā)出的速效胰島素類似物產(chǎn)品已經(jīng)在臨床上廣泛應(yīng)用。
將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么在－70℃的條件下，干擾素可以保存半年。
問題：小鼠單克隆抗體會使人產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致它的治療效果大大降低。解決方法：科學(xué)家將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強度就會降低很多。
研究方向：蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。
舉例——枯草桿菌蛋白酶：作用：水解蛋白質(zhì)用途：常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。成果：利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。
科學(xué)家正在嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量?？茖W(xué)家利用蛋白質(zhì)工程的思路來設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強。
能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？
蛋白質(zhì)工程的發(fā)展和展望
難度很大，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜?？茖W(xué)家要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。
我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。
由計算機建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型
酶制劑在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，酶制劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成一個市場可觀的新興產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用又為酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強大助力。請查閱資料，了解我國酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，分析蛋白質(zhì)工程在酶制劑產(chǎn)業(yè)中的作用。
你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？

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第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修3

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