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第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
你见过用细菌画画吗？
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吗？
从社会中来
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。
定义：
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，是涉及多学科的综合科技工程。
一、蛋白质工程
1、基因工程的不足：
基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质(天然蛋白质)
天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要
需要对天然蛋白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质
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。
天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要
蛋白质工程崛起
二、蛋白质工程崛起的缘由
2、实例
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
限制
提高
提高5倍
提高2倍
赖氨酸含量低
二、蛋白质工程崛起的缘由
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、改造蛋白质的方法：
改造或合成基因
对天然的蛋白质进行改造，为什么不是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的？
①基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质；
②改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传；
③改造基因比改造蛋白质更容易操作。
三、蛋白质工程的基本原理
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
逆转录
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
天然蛋白质的合成过程与性状表达
蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能
血红蛋白的结构
回顾旧知
蛋白质
（三维结构）
多肽链
预期功能
生物功能
推测
折叠
改造或合成
翻译
转录
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
3、蛋白质工程的基本思路
mRNA
设计
行使
三、蛋白质工程的基本原理
目的基因
预期功能
生物功能
推测
折叠
改造或合成
翻译
转录
目的基因
3、蛋白质工程的基本思路
蛋白质
（三维结构）
设计
行使
mRNA
实质
通过改造或合成基因，定向改造现有蛋白质，或制造新的蛋白质。
结果
生产出自然界没有的蛋白质。
三、蛋白质工程的基本原理
如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？
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
三、蛋白质工程的基本原理
讨论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。
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
蛋白质工程基本思路的应用
每种氨基酸都有对应的密码子，只要查密码子表就能将氨基酸序列的编码序列查出来。
第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 酪氨酸 酪氨酸 终止 终止 半胱氨酸 半胱氨酸 终止、硒代半胱氨酸 色氨酸 U
C
A
G
C 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸(起始) 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸、甲硫氨酸(起始) 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 U
C
A
G
蛋白质工程基本思路的应用
讨论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。
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
每种氨基酸都有对应的密码子，只要查密码子表就能将氨基酸序列的编码序列查出来。
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
由于氨基酸序列中有几个氨基酸是由多种密码子编码的，所以相应的碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列32种。
蛋白质工程基本思路的应用
讨论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？
确定目的基因的碱基序列后，可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法获取。
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：
a.制造出自然界中不存在的全新蛋白质
b.在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域
c.改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
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
蛋白质工程基本思路的应用
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
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，其包含基因工程的基本操作。
预期蛋白质功能
目的基因
蛋白质工程和基因工程的比较
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、医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
四、蛋白质工程的应用
前景诱人
天然干扰素
（体外保存困难）
改造后的干扰素
（-70℃可保存半年）
半胱氨酸
丝氨酸
干扰素在体外保存相当困难
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸
在-70℃下干扰素可保存半年
1、医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
四、蛋白质工程的应用
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减低很多。
1、医药工业方面
（3）生产人鼠嵌合抗体
四、蛋白质工程的应用
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
四、蛋白质工程的应用
2、在其他工业方面
枯草杆菌蛋白酶突变体
枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
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。
四、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
科学家正在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。
还有科学家将蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，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。
②改造微生物蛋白质结构，防治害虫
四、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。
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
4、蛋白质工程的现状
难度很大
四、蛋白质工程的应用
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pH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。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，我国进入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。
到社会中去
一、蛋白质工程崛起的缘由：
基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
二、蛋白质工程的基本原理：
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。
三、蛋白质工程的应用
课堂小结
课堂练习
1、合成自然界中不存在的蛋白质应首先设计(　　)A．基因的结构　　　　　
B．蛋白质的结构C．氨基酸序列
D．mRNA的结构
B
2、蛋白质工程崛起的缘由是(　　)A．天然蛋白质使生物适应环境B．天然蛋白质均为自然界应存在的种类C．天然蛋白质不能够完全满足人类生产生活的需要D．天然蛋白质的结构和种类是长期自然选择的结果
C
3、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
课堂练习
1、下列有关蛋白质工程的说法，正确的是(　　)
A．必须从预期蛋白质的功能出发
B．在分子水平上直接改造蛋白质
C．可以不涉及转录和翻译过程
D．不需要借助基因工程的相关技术
A
2、下列关于蛋白质工程的设计思路不正确的是(　　)
A．从蛋白质的功能推测蛋白质应有的结构
B．从蛋白质的结构推测氨基酸的排列顺序
C．从氨基酸的排列顺序推测脱氧核苷酸的排列顺序
D．蛋白质工程完全不遵循中心法则
D
作业
课本96页1、2、3题

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