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1、1.4蛋白质工程的崛屉何谓蛋白质工程?1983年美国科学家Ulmer首先提出蛋 白质工程，它是指按照特定的需要，对 蛋白质进行分子设计和改造的工程d自 此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为 生物工程的重要组成部分。蛋白质工程崛起的鑰由活动1：阅读P26.回答:为什么要进行蛋白质工程？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。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，而对它们进行产业化 开发往往不合意，需要加以改造。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，
2、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二提高 蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。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。例如:干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人 的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干 扰素的抗病毒活性为106 U/mg,只相当于天然产品 的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的卩干扰素量很
3、 多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会 这样？如何改变这种状况？研究发现，卩干扰素蛋白 质中有3个半胱氨酸（第17位、31位和141位）耨 测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的三硫 键。研究人员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点 突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的卩干扰 素的抗病性活性提高到108 U/mg,并且比天然卩干 扰素的贮存稳定性高很多。“后基因组时代”将是“蛋白质组学时 代”,即从对基因信息的研究转向对蛋 白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、 功能与应用及蛋白质相互关系和作用O 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学休晶 体学、动力学等结构与功能认识的基础 ,对蛋白质
4、人工改造与合成，最终获得商业化的产品。二、蛋白质工程的基本原理 y舌动2:对照P27蛋白质工程流程图, 说出主要步骤。DNA令爪DNAmRNAIB*-雄帥巾心拠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；(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；叠等对其活性与功能的影响;(5)设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变;(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(6)分离、纯化新蛋白，功能检 测后投入实际使用。活动3： 对照密码表，至少写出三种决定 “ 一丙氨酸一色氨酸一赖氨酸一甲
5、硫氨酸一苯 丙氨酸一”的脱氧核昔酸序列。Fil第一个字母第二个宇母算三个字母UCAG苯丙氨眠细酸舵氨酸半胱氨酸UU丝気嚴 丝磁勢氮酸半胱氨酸 终止 色氨超C A G组氨尉U珈印播翩登RisdUii1通職C A克氨幣脯氨酸谷氨醍胺秸氨酸G异壳氨酸天门冬哉肢U异亮氨酔苏氨釀天门冬麒肢丝気駭CA异壳氨榮苏気型A甲頑氨燄 （起贻）苏気酸赖氨酸G逆氨醸瓦氨酸天门冬氨酸甘気酸IJ厂0氨豚天门冬氨筋甘気裟C題氨燄谷氨酪甘気酸A做氨酸 （起始）谷克啟甘氨够G（-）蛋白质的分子设计与改造蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通 过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究, 积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结
6、构旳数据 资料，并编制成系统的数据库，得以从中找虫置白 质分子间的进化关系、一级结构和高级结构的关系. 结构与功能的关系方面的规律。蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学 的研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的 结构、性质和生物学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。釆用定位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核昔酸密码子的插入.删除、置换和改组，其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模 拟，按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的 蛋白质。蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然
7、后依赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到 改进蛋白质性能的预定目标。（二）蛋白质改造工程举例1. 水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有 多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在 临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭 素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出败造水 蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn （天冬 酰胺）变成Lys （赖氨酸），使其与分子内第4或第5位 Thr （苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正 确取向，从而提高凝血效率，
8、试管试验活性提高4倍, 在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。2. 生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体 的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还 可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发 其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人 的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少 与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合 区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通赶取造 加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结鸟需 要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需 锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸 侧链，如第18和第21位His （
9、组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作 为临床用药还有大量的工作要做。3. 胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体， 延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血 糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B128氨基 酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基,则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素己通过临床实验。4. 治癌酶的改造癌症的基因治疗分二个方面：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。疱疹病毒 (HSV)胸腺喘喘激酶(TK)可以催化胸腺喘噪和其它
10、结构类似物磷酸化而使这些碱基3九OH缺乏，从而阻断 DNA的合成，杀死癌细胞。HSVTK催化能力可以通过 基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛迪出一种 酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能射20 倍以上。蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍 了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设 计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能 的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作 用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。三、蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学 科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸 与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功 能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与 酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和 酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了 诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类 意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的 新时期。
