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(共43张PPT)
情境导入
用细菌“画”的画
情境导入
右图是用发出不同颜色荧光的细菌“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。
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？
如何解决这一问题？单纯的基因工程可以么？
蛋白质工程崛起的缘由
基因工程的实际：
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，进而表现出新性状。
基因工程的不足：
在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
天然蛋白质的不足：
天然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。
情境导入
右图是用发出不同颜色荧光的细菌“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。
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？
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基因正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
蛋白质工程崛起的缘由
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基因正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
绿色荧光蛋白结构
绿色荧光蛋白功能
相互关系
晶体学、分子生物学和计算机技术等
掌握
改造绿色荧光蛋白基因
黄色荧光蛋白功能
表达
依据
蛋白质工程崛起的缘由
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。
途径
目的
蛋白质工程是第二代基因工程
是包含多学科的综合科技工程
第4节
蛋白质工程的原理和应用
蛋白质工程崛起的缘由
玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨合成过程中的两种关键酶——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。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第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游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
实例1：
蛋白质工程的基本原理
【自主学习】自主阅读课本P94相关内容，完成以下任务：
1、思考蛋白质工程的操作对象是基因还是蛋白质并解释原因。
2、总结蛋白质工程的原理与步骤。
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
基本思路
蛋白质工程的基本原理
实质：通过改造或合成基因，定向改造或生产人类所需的蛋白质。
借助计算机
构建蛋白质三维结构图:
制备蛋白质晶体：
碱基的替换：
通过X射线衍射技术
基因的定点突变技术
2
蛋白质工程操作程序的基本思路和基因工程有什么不一样？
思考
基因工程是遵循中心法则，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，创造出自然界不存在的蛋白质。
蛋白质工程的基本原理
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系 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
目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
定向改造或生产人类所需的蛋白质
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品
创造出自然界不存在的蛋白质
生产出自然界已有的蛋白质
①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
②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的基本原理
【实例2】天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素β链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。
胰岛素的分子结构示意图
胰岛素的3D示意图
α链
β链
脯氨酸
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的基本原理
【实例2】天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素β链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。
胰岛素二聚体
胰岛素单体
脯氨酸
（CCC）
天冬氨酸(GAC)
CTG
GAC
GGG
CCC
蛋白质工程的基本原理
①蛋白质工程的目标：
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。
② 蛋白质工程的实质：
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。
③ 蛋白质工程的操作对象:
基因！
蛋白质工程的原理
由预期的蛋白质的功能出发，找到并改变相对应的基因或合成新的基因，即基因表达的逆推。
蛋白质工程的基本原理
①天然蛋白质的合成（中心法则）：
②蛋白质工程：
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
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　　 找到并改变相应的脱氧核苷酸序列酸
思考讨论
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
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
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。
蛋白质工程的基本原理
思考讨论
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
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
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）。
推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
进一步推知脱氧核苷酸序列为：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）
蛋白质工程的基本原理
思考讨论
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
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
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。
蛋白质工程的基本原理
例题：水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。某科研团队运用重叠延伸PCR技术在水蛭素基因中的特定位点引入特定突变，使水蛭素第47位的天冬酰胺(密码子为AAC、AAU)替换为赖氨酸(密码子为AAA、AAG)，从而提高水蛭素的抗凝血活性。原理如图所示。
重叠延伸PCR技术：一项重要的基因定点突变技术，其主要设计思路是用具有互补配对片段的引物(图中的引物2和3，突起处代表与模板链不能互补的突变位点)，分别进行PCR，获得有重叠链的两种DNA片段，再在随后的扩增反应中通过重叠链的延伸获得想要的目的基因。
基因定点突变技术
基因定点突变技术
(1)由以上事例可知，要对蛋白质的结构进行改造，需要通过__________
_______________来完成。
(2)若拟突变位点的碱基对为A—T，则需要让其突变为____________才能达到目的。引物2的突变位点(突起处)应设计为_______(假设引物为单链DNA)。
改造基因
(基因定点突变)
T—A或C—G
A或G
(3)在第一阶段获得两种具有重叠片段DNA的过程中，引物1、引物2组成的反应系统和引物3、引物4组成的反应系统中均进行一次复制，共产生____种DNA分子。该阶段必须将引物1、2和引物3、4置于不同反应系统中，这是因为___________________________________________________
_____________________。
3
引物2和3中存在互补配对片段，置于同一反应系统时它们会发生结合而失去作用
(4)利用重叠延伸PCR技术还可以将两个不同来源的DNA片段拼接起来。有人想利用该技术把基因M和N拼接在一起，设计基因M的引物M1、M2，基因N的引物N1、N2。在设计这4种引物时，特别要注意的问题是_______________________________________________________________。
M1、M2中的一种引物与N1、N2中的一种引物必须具有互补配对的片段
蛋白质工程的应用
1.在医药工业方面
①速效胰岛素类似物研发
速效胰岛素（赖脯胰岛素注射液，B28脯氨酸与B29赖氨酸交换位置）
②延长干扰素体外保存时间
干扰素
（半胱氨酸）
干扰素
（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
蛋白质工程的应用
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造
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
新胰岛素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
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
推测序列
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
（1）研发速效胰岛素类似物
1.在医药工业方面
蛋白质工程的应用
1.在医药工业方面
天然干扰素不易保存
预期结构
改造
一个半胱氨酸变成丝氨酸
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
（2）延长干扰素体外保存时间
蛋白质工程的应用
（3）人鼠嵌合抗体
小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。
科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
1.在医药工业方面
蛋白质工程的应用
2.在其他工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
如适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶
蛋白质工程的应用
3.在农业方面
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设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药
蛋白质工程的应用
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
蛋白质工程的现状
发酵液
蛋白质食品的工厂化生产想象图
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。
蛋白质工程的应用
发酵液
蛋白质食品的工厂化生产想象图
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
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人的研究
蛋白质工程的应用
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
到社会中去
酶用作工业催化剂,比无机催化剂具有更大的优越性,主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性归条件下进行,因此可以节省大量的能源和设备投资;生产 过程中不会造成严重的污染,符合环境保护的要求;生产过程简单、效率高,产品质量好,生产 成本低。因此,酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
到社会中去
近年来,通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂,我国酶制剂产业保持了较 快的增长态势,品种越来越丰富,产品的市场竞争力也在不断提升。2016年,我国工业酶制剂 年产量达120万吨,年增长率保持在10%左右。在全球范围内,我国酶制剂的市场份额已占到了 30%左右,我国进人酶制剂生产大国的行列。
在酶制剂产业中,蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能,如提高酶的热稳 定性,增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质(　　)
(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的(　　)
(3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大(　　)
(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性(　　)
判断正误
√
×
×
√
1.(2022·北京顺义高二期末)水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓，但在治疗过程中发现其抗凝血活性低。研究人员欲提高水蛭素抗凝血活性，正确的操作步骤是
①确定影响活性的氨基酸序列
②分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域
③推测需要替换的氨基酸序列
④构建表达载体，使其在受体细胞中表达
⑤PCR技术获得改造后的水蛭素基因
⑥确定基因中的碱基序列
A.②①③⑤⑥④ B.②③⑥①⑤④
C.②①③⑥⑤④ D.①②③④⑤⑥
典题应用
√
运用蛋白质工程技术，先分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域，然后确定影响活性的氨基酸序列，推测需要替换的氨基酸序列，最终确定基因中的碱基序列，据此通过PCR技术获得改造后的水蛭素基因，并构建表达载体，使其在受体细胞中表达，可提高水蛭素抗凝血活性，综上所述，C正确。
2.(不定项)下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，不正确的是
A.蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够
B.基因工程和蛋白质工程都可以生产自然界不存在的蛋白质
C.不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是所有生物共用一套遗传密码
D.基因工程的直接操作对象是基因，蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质
√
√
√
蛋白质的空间结构复杂，蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，A正确；
基因工程生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；
不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是不同来源的DNA分子具有相同的结构及遵循碱基互补配对原则，C错误；
蛋白质工程需要进行基因修饰或合成，蛋白质工程的直接操作对象仍然是基因，D错误。

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