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(共24张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
第3章 基因工程
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。
从社会中来
科学家用几种不同颜色的细菌和真菌绘制了一副珊瑚的图景。紫色的部分是粘质沙雷菌，粉红色带点黄绿的部分是金红色葡萄球菌，白色的部分是热带念珠菌，灰色的部分是肺炎克雷伯菌。
一.蛋白质工程
蛋白质工程崛起的缘由
任务：阅读P95第一段文字，回答以下问题
I型糖尿病治疗－注射胰岛素
二. 蛋白质工程的应用
使用天然胰岛素制剂发现什么问题？是什么原因造成？ 如何解决？最终是要改造什么？
聚合，疗效慢
B链分子间的作用力
B28氨基酸替换或交换
改造胰岛素基因
解决流程？
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
问题
降低胰岛素的聚合作用
需求（预期功能）
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
速效胰岛素类似物
预期结构
折叠等
阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用
I型糖尿病治疗－胰岛素
二. 蛋白质工程的应用
预期结构
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→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
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
蛋白质工程的基本思路
中心法则的逆推
一.蛋白质工程
3.蛋白质工程的基本原理
任务：阅读P93最后一段文字
二. 蛋白质工程的应用
分组讨论并写出：
获得高赖氨酸玉米的蛋白质工程基本思路
蛋白质工程的基本思路
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
提高5倍
提高2倍
实例：
提高玉米赖氨酸含量
一.蛋白质工程
提高玉米赖氨酸含量（赖氨酸积累会抑制酶活性）
改造
新干扰素基因
预期功能
解除酶活性抑制
设计结构
氨基酸替换
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
赖氨酸含量提高
二. 蛋白质工程的应用
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
二. 蛋白质工程的应用
【练一练】目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是(　　 )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　
②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　
③合成蓝色荧光蛋白基因　
④表达出蓝色荧光蛋白
A.①②③④ B.②①③④ C.②③①④ D.④②①③
B
思考并讨论：对天然的蛋白质进行改造，并不是直接对蛋白质分子进行操作，而是通过对基因的操作来实现，为什么？
3.蛋白质工程的基本原理
实质：改造或合成基因
①基因决定蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，且基因改造可以遗传下去，而对蛋白质直接改造无法遗传。②蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。
原因:
一.蛋白质工程
（新课程P124：5）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)蛋白质工程的目标是_______________________________ ___________________________，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
一.蛋白质工程
一.蛋白质工程
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
查密码子表
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列：
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G）UUU(或C)
mRNA序列：
脱氧核苷酸序列：
GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT（或C） AAA(或G)
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用
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
⑴确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或从基因文库中获取、PCR技术扩增；
⑵应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。
一.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
如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
（3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥，不能直接用于人体。
嵌合抗体（chimeric antibody）就是保留鼠单克隆抗体的可变区，而用人抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区，这种嵌合抗体的抗原性显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失，经过这样改造的抗体，诱发免疫反应的强度就会降低很多。目前，已有多种嵌合抗体用于临床治疗。
基因融合
二. 蛋白质工程的应用
1. 医药工业方面
2. 其他工业方面
用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值.
3. 农业方面
(1)科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量;
(2)科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，增强微生物防治病虫害的效果.
二. 蛋白质工程的应用
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点
实质
过程
目标
结果
联系
预期蛋白质功能→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
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
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品
①都在生物体外对基因进行操作；
②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。
预期的蛋白质功能
目的基因
改造或合成基因
基因重组
定向改造或生产人类所需的蛋白质
生产自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
①基础：___________________________________
②操作：___________________________________
③操作对象：_______________________________
④手段：_______________________________
⑤目的：___________________________________
___________________________________
⑥地位：___________________________________
⑦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
一.蛋白质工程
1.蛋白质工程：
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。
基因修饰或基因合成
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
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
作业：
P123：迁移通关2
练习与应用：2，4
P215: 2，5，9，12，13，15
默写：
1. 蛋白质工程的概念
2. 蛋白质工程的基本思路

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