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复习
想要让同一物种里的优良性状集中在一个新品种中，在种内可以用什么方法来实现？
杂交育种
要使生殖隔离的种间生物，实现基因交流应该用什么方法？
基因工程育种
普通棉花 抗虫棉花
普通水稻 抗旱水稻
抗病毒木瓜 普通木瓜
转基因猪
1.视频里面有一幅发光的树，科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
基因工程技术使细菌表达了
荧光蛋白。
从社会中来
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？
第三章
第4节 蛋白质工程的原理和应用
本节聚焦
阅读课本P93-95
1、蛋白质工程概念
2、蛋白质工程崛起的缘由
3、蛋白质工程的基本原理
4、蛋白质工程的应用
一.蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以 及其与 作为
基础,通过 或 ,来改造 或 ______________
蛋白质,以满足 。
蛋白质分子的结构规律
生物功能的关系
改造
合成基因
现有蛋白质
制造一种新的
人类生产和生活的需求
基础：
操作对象：
结果：
目的：
与基因工程的关系：
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
分子生物学、晶体学和计算机技术
1
2
原理：
基因从一种生物转移到另一种生物
（基因重组）
基因工程
实质：
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，进而表现出新性状。
1
2
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。
蛋白质工程崛起的缘由
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。
为满足人类生产和生活的需要，需对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质
例如：
改造
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）
改造
改造
天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
二.蛋白质工程的基本原理
探索天然干扰素的改造
问题：天然干扰素在体外难以保存
活动一
目标：延长干扰素保存时间
前提：了解干扰素结构及其功能的关系
方案：改造干扰素结构：一级结构/空间结构
二.蛋白质工程的基本原理
活动一
探索天然干扰素的改造
干扰素
动物和人体细胞收到病毒侵染后产生的一种糖蛋白
功能：抗病毒、抑制细胞增殖、调节免疫、抗肿瘤等。
二.蛋白质工程的基本原理
探索天然干扰素的改造
问题：天然干扰素在体外难以保存
活动一
目标：延长干扰素保存时间
前提：了解干扰素结构及其功能的关系
方案：改造干扰素结构：一级结构/空间结构
二.蛋白质工程的基本原理
活动二
探索干扰素的改造思路和方法
问题：到底该如何实现对干扰素结构的改造呢？
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
改造
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
对天然的蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？
基因
二.蛋白质工程的基本原理
对基因改造的原因:
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。
（基因改造----可以遗传；蛋白质改造----不可遗传）
②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。
二.蛋白质工程的基本原理
活动二
探索干扰素的改造思路和方法
基因
DNA
转录
mRNA
翻译
氨基酸序列
多肽链
折叠
蛋白质
三维结构
生物功能
预期功能
分子设计
DNA合成
（1）实质： 。
（2）直接操作对象： 。
（3）操作水平： 。
中心法则的逆推
基因
DNA分子水平
二.蛋白质工程的基本原理
4.蛋白质工程的基本思路
预期功能
设计
推测
多肽链
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
蛋白质
（三维结构）
行使
生物功能
构建蛋白质三维结构图:
借助计算机
制备蛋白质晶体：
通过X射线衍射技术
碱基的替换：
基因的定点突变技术
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
二.蛋白质工程的基本原理
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
二.蛋白质工程的基本原理
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；
二.蛋白质工程的基本原理
活动二
探索干扰素的改造思路和方法
问题：到底该如何实现对干扰素结构的改造呢？
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
如何改造？
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
（半胱氨酸：UGU、UGC;丝氨酸：AGU、AGC）
二.蛋白质工程的基本原理
活动三
问题：成功获得新的干扰素基因后，最终如何实现新型干扰素的大量生产？
方案：
新的干扰素基因+基因的载体
基因工程
利用转基因生物生产新型干扰素
功效检测（-70℃，可保存半年）
核心归纳
基因工程和蛋白质工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点
原理
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天然蛋白质
蛋白质工程和基因工程的比较
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
看基因
看蛋白质
是否合成新的基因
是否为天然蛋白质
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
蛋白质工程
基因工程
是
否
是
否
基因工程
蛋白质工程
三.蛋白质工程的应用
（1）研发速效胰岛素类似物
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
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
定点突变
1.医药工业方面
1.医药工业方面
（2）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
基因融合
通过 ，将小鼠抗体上 的区域（即 ）“嫁接”到_______
（即__ ___）上，经过这样改造的抗体_______________________________
改造基因
结合抗原
可变区
人的抗体
恒定区
诱发免疫反应的强度就会降低很多
鼠—人嵌合抗体
三.蛋白质工程的应用
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
三.蛋白质工程的应用
◆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。
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
难度很大
三.蛋白质工程的应用
血红蛋白的三维结构模型
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。
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。
蛋白质食品的工厂化生产想象图
习题巩固
Exercises to consolidate
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。( )
×
×
√
习题巩固
Exercises to consolidate
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
习题巩固
Exercises to consolidate
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
A
习题巩固
Exercises to consolidate
4.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
习题巩固
Exercises to consolidate
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。
1.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( )
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要。
B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构。
C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。
D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程。
B
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
二.蛋白质工程的基本原理
2.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，对蛋白
质的结构进行分子设计
基因改造或基因合成
相反
3.IKK激酶参与动物体内免疫细胞的分化。临床上发现某重症联合免疫缺陷(SCID)患儿IKK基因编码区第1183位碱基T突变为C,导致IKK上第395位酪氨酸被组氨酸代替。为研究该患儿发病机制,研究人员利用纯合野生鼠应用大引物PCR定点诱变技术培育出SCID模型小鼠(纯合),主要过程如图甲、乙。分析回答:
(1)在PCR反应体系中,需加入引物、IKK基因、缓冲液、Mg2+等外,还需加入　　　　 　等。
(2)在图甲获取突变基因过程中,需要以下3种引物:
则PCR1中使用的引物有　　　　　　,PCR2中使用的引物有　　　和图中大引物的　　　(填“①”或“②”)链。
(3)PCR的反应程序:94 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 50 s,30个循环。在循环之前的94 ℃ 3 min处理为预变性;循环中72 ℃处理的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)研究人员经鉴定、筛选获得一只转基因杂合鼠F0,并确认突变基因已经稳定同源替代IKK基因,请你设计完成获得SCID模型鼠的实验步骤:
①杂交亲本:　　　　　　　　,杂交得F1;
②F1雌、雄鼠随机交配得F2;
③提取F2每只小鼠的基因组DNA,采用分子生物学方法,利用IKK基因探针和突变基因探针进行筛选,
则　　　 　　 　　 　　 　　　 　　 　的为模型鼠。
耐高温DNA聚合酶、4种脱氧核苷酸(dNTP)
引物A和引物B
引物C
②
耐高温的DNA聚合酶从引物起始进行互补链合成
F0×野生鼠
IKK基因探针检测未出现杂交带,突变基因探针检测出现杂交带

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