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(共20张PPT)
第3章 基因工程
3.4 蛋白质工程的原理和应用
学习目标
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的实际应用
蛋白质工程崛起的缘由
课本P93
基因工程的实质及局限性
基因工程是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。
①基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质
2. 基因工程的局限性
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
1. 基因工程的实质
蛋白质工程
课本P93
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
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
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
基础
操作方法及对象
结果
目的
操作对象：
结果：
与基因工程的关系：
理论和技术：
练习
课本P92
下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　)
A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一
B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质
C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、生活的需要
D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造
蛋白质工程
课本P93-94
实例：对天然酶的改造
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
问题：白质工程是怎样进行的呢？
蛋白质工程的基本原理
课本P94
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，由于基因决定蛋白质，因此，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
2. 天然蛋白质合成过程：按照中心法则
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
蛋白质工程的基本原理
课本P94
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
生物功能
转录
翻译
折叠
行使
mRNA
预期功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
目的基因
多肽链
思考：与中心法则的关系？
蛋白质工程是中心法则的逆推
蛋白质工程的基本原理
课本P94
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
问题: 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：
推知mRNA序列为：
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）
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
思考·讨论 蛋白质工程基本思路的应用
蛋白质工程的基本原理
课本P94
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
推知mRNA序列为：
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G) UUU(或C）
思考·讨论 蛋白质工程基本思路的应用
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)
问题: 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？
可以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
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 起点
过程
实质
结果
应用及现状
联系 预期蛋白质功能
目的基因
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构
→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
基因重组
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
①主要集中在对现有蛋白质进行改造
②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少
已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化
①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质
②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
【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
蛋白质工程的应用
课本P95
(1)研发速效胰岛素类似物
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
新胰岛素基因
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
推测序列
转录
mRNA
翻译
多肽链
预期结构
折叠等
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用
行使功能
速效胰岛素类似物
有效抑制胰岛素的聚合
1.医药工业方面：
蛋白质工程的应用
课本P95
(2)延长干扰素体外保存时间
干扰素是动物体内的一种蛋白质体，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存却相当困难。
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
1.医药工业方面：
蛋白质工程的应用
课本P95
(3)降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
1.医药工业方面：
医学问题：
小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
解决办法：
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降低很多
蛋白质工程的应用
课本P95
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。
2.其他工业方面的运用：
第二
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。
第一
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；
3.农业工业方面的运用：
生物防治
蛋白质工程的发展
课本P95
蛋白质工程是一项 的工程。
难度很大
前景展望：
科学家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。
主要原因：
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
蛋白质工程的基本操作程序正确的是（ ）
①从预期的蛋白质功能出发
②设计预期的蛋白质结构
③推测应有的氨基酸序列
④找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新的基因
⑤获得所需要的蛋白质
A.⑤④③②① B.①④⑤②③
C.①④②③⑤ D.①②③④⑤
练习
练习
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
课本P96
练习
课本P96
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

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