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从社会中来
1.视频里面有一副发光的树，科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
用细菌“画”的画
2.绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
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。
第4节 蛋白质工程的原理和应用
蛋白质工程概念：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。
①基础：_______________________________________________
②途经：___________________
③操作对象：______
④目的：_______________________________________________________________________
⑤地位：_______________________________________________
⑥理论和技术：_________________________________________
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因
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
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
基因
分子生物学、晶体学和计算机技术(了解）
概念：P93
1.基因工程的实质及缺陷
①实质：
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
②局限性：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质
2.蛋白质工程崛起的缘由
①理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
一、蛋白质工程崛起的缘由
②天然蛋白质的缺陷：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。
一、蛋白质工程崛起的缘由
3. 实例：对天然酶的改造
天冬氨酸激酶
赖氨酸
催化合成
一定浓度
抑制
352位苏氨酸
异亮氨酸
104位天冬酰胺
异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
赖氨酸含量升高
改造
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？请把相应的碱基序列写出来。
丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG
色氨酸：UGG
赖氨酸： AAA 、AAG
甲硫氨酸：AUG
苯丙氨酸：UUU 、UUC
丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC
色氨酸： ACC
赖氨酸：TTT 、TTC
甲硫氨酸：TAC
苯丙氨酸：TTT 、TTG
找到DNA上相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
推出mRNA上的核糖核苷酸序列
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
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？
拓展延伸
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：
（1）大改：
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质
（2）中改：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
（3）小改：
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
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。
1.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，最终通过改造或合成基因来完成。
二、蛋白质工程的基本原理
3.天然蛋白质合成过程：中心法则
基因
形成具有特定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
（转录和翻译）
2. 实质*：
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；
表达
4.蛋白质工程的基本思路
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反：
预期功能
预期结构
推测
氨基酸序列（多肽链）
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
设计
行使
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
思考：如何辨别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
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
三、蛋白质工程的应用
1.天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合。研发速效胰岛素类似物
2.将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃的条件下，可保存半年。解决了干扰素体外保存困难的问题。
三、蛋白质工程的应用
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
3.科学家通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域"嫁接"到人的抗体上，经过改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低。
三、蛋白质工程的应用
三、蛋白质工程的应用
4.工业方面：蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。
如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
5.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。
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
三、蛋白质工程的应用
练习与应用
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。（ ）
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
×
×
√
D
练习与应用
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
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
A
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。

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