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(共23张PPT)
上图是用发出不同颜色荧光的细菌“西画” 的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
从社会中来
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的
选择性 必修3
生物学（新人教版）
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
将一种生物的____转移到另一种生物体内，后者可以产生它__________________，进而表现出________。
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质：
基因
本不能产生的蛋白质
新的性状
2.基因工程的局限性：_______________________________
只能生产自然界中已存在的蛋白质
3.天然蛋白质的不足：
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
一、蛋白质工程崛起的缘由
二、蛋白质工程的概念
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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
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。
1.基础:
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
2.操作方法及对象:
改造或合成基因
3.结果:
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
4.目的:
满足人类生产和生活的需求
5.与基因工程的关系:
6.相关学科及技术：
分子生物学、晶体学和计算机技术
1.蛋白质工程的目标
根据人们对蛋白质_____的特定需求，因此要对蛋白质的_____进行设计改造。
2.蛋白质工程的实质*
_____________________________________________
功能
结构
改造或合成基因（来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质）
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质
（三维结构）
预期功能
生物功能
翻译
折叠
行使
转录
设计
推测
改造或合成
mRNA
目的基因
3.蛋白质工程的基本思路
预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质
三维结构
预期功能
生物功能
氨基酸序列
多肽链
分子设计
折叠
基因
DNA
DNA合成
翻译
mRNA
转录
速效
胰岛素
B链中28号与29号氨基酸对换
速效胰岛素两条多肽链氨基酸序列
速效
胰岛素
基因
转录
速效
胰岛素
mRNA
翻译
折叠
①基础：蛋白质分子的 及其与 的关系。
结构规律
生物功能
②手段：通过 或 ，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。
基因修饰
基因合成
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列 请把相应的碱基序列写出来。
查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。
mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
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？
人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
例1.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______；
②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
操作流程
结果
实质
联系
基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
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
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作；
预期蛋白质功能
目的基因
4. 蛋白质工程与基因工程的比较
小结：如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
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，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20～29位氨基酸组成
改造
新胰岛素基因
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
推测序列
转录
mRNA
翻译
多肽链
行使功能
有效抑制胰岛素的聚合
（一）医药工业方面
1. 研发速效胰岛素类似物
预期结构
折叠
定点突（诱）变
四、蛋白质工程的应用
四、蛋白质工程的应用
2.延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
（一）医药工业方面
定点突（诱）变
3. 提高蛋白质的热稳定性
第3位上的
异亮氨酸
半胱氨酸
-s-s-
定点突变
（一）医药工业方面
四、蛋白质工程的应用
4. 降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。
（一）医药工业方面
基因融合
四、蛋白质工程的应用
①改进酶的性能或开发新的工业用酶；
①改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮
食的产量；
②改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
四、蛋白质工程的应用
（三）农业方面
（二）其他工业方面
五、蛋白质工程现状
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
主要原因是：
_____________________________
____________________________
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
【课堂小结】
一.概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。 （ ）
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 （ ）
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 （ ）
×
×
√
练习与应用（P96）
一.概念检测
2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到 的目的是 （ ）
A.分析蛋白质的三维结构
B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第 47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）
A.基因 B.氨基酸　　
C.多肽链 D.蛋白质
D
A
练习与应用（P96）
二.拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。
练习与应用（P96）

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