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(共35张PPT)
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。
如何解决这一问题？单纯的基因工程可以么？
3.4 蛋白质工程的原理和应用
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
目的基因
理解蛋白质的原理（生命观念）
01
02
用列表法比较蛋白质工程和基因工程（科学思维）
蛋白质工程是指以 作为基础，通过 ， 对现有蛋白质进行 ，
或制造一种 ， 以满足人类的生产和生活的需求。
一、蛋白质工程崛起的缘由
定义：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
基因修饰或基因合成
改造
新的蛋白质
基础
操作对象
结果
目的
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。
01
1.基因工程的实质及不足
①实质：
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。
②不足：
基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
基因重组
2.天然蛋白质的不足
天然蛋白质是生物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
玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
一、蛋白质工程崛起的缘由
实例1：
产量提高
赖氨酸含量低
合成时需：
天冬氨酸激酶；
二氢吡啶二羧酸合成酶。
浓度影响酶活性
异亮氨酸
苏氨酸(352位）
异亮氨酸
天冬酰胺(104位)
天然的胰岛素容易形成二聚体，但后续研究发现，改变胰岛素B链末端两个氨基酸导致羧基端构型改变，比如将B28脯氨酸替换成天冬氨酸或B28和29位的氨基酸调换位置，该转换可降低分子自聚力，显著抑制单聚体聚集，可以大大增加吸收速率。
蛋白质工程如何实施？
一、蛋白质工程崛起的缘由
实例2：
胰岛素二聚体
胰岛素单体
脯氨酸
（CCC）
天冬氨酸(GAC)
CTG
GAC
GGG
CCC
【自主学习】自主阅读课本P94相关内容，完成以下任务：
1、思考蛋白质工程的操作对象是基因还是蛋白质并解释原因。
2、总结蛋白质工程的原理与步骤。
二、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的操作对象是基因还是蛋白质，为什么？
二、蛋白质工程的基本原理
对象为基因
以基因为对象的原因：
（1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。
（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。
预期功能
生物功能
分子设计
折叠
DNA合成
翻译
转录
基因
DNA
蛋白质
结构
氨基酸
序列
mRNA
二、蛋白质工程的基本原理
1、蛋白质工程的起点是什么？产物是什么？
起点是从预期蛋白质的功能出发，设计蛋白质的结构，产物是改造后的蛋白质或新的蛋白质。（第一步是蛋白质工程的关键，由于蛋白质高级结构十分复杂，因此蛋白质工程是一项难度很高的工程）
问题探讨
常见的设计改造蛋白质结构的方法：
（1）对已知的蛋白质进行少数氨基酸的替换
（2）对不同来源的蛋白质进行拼接
（3）从氨基酸排列顺序开始设计全新的蛋白质
2、蛋白质工程的原理是什么？
中心法则，体内蛋白质的合成过程。DNA-mRNA-蛋白质
3、蛋白质工程为什么可以根据功能推测结构？
结构决定功能，功能反映结构
4、为什么可以根据氨基酸序列推测DNA的脱氧核苷酸序列？由此得到的结果是否具有唯一性？为什么？
氨基酸与碱基存在对应关系：密码子表
不唯一，因为密码子表具有简并性
5、蛋白质真正开始操作的第一步是先对什么东西进行改造，改造后，又需要进行什么样的操作？
真正操作的第一步：对原基因进行改造（如用基因的定点突变技术进行碱基的替换），或根据氨基酸序列推导出来的核苷酸序列直接合成新的基因。
后续操作：以上述手段获取的基因作为目的基因，进行基因工程的操作。
问题探讨
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。
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
二、蛋白质工程的基本原理
二者的区别和联系
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
如何区分？
二、蛋白质工程的基本原理
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
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。
提示：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）。
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
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)
共 种可能序列
32
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
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。
思考·讨论
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
大引物PCR
重叠延伸PCR
补充：基因的定点突变技术1------重叠PCR技术
①该过程需要______种引物；
②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果；
③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果；
④产物AD的形成需要引物吗？___________________________________
⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上
⑥引物b和引物c之间有什么关系？__________________________________
⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___
和引物___
4
a
b
c
d
b
c
引物b和引物c应有部分碱基互补的关系
a
d
不需要，但需要耐高温的DNA聚合酶
该过程需要三种引物，第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条链作为下游大引物，与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。
补充：基因的定点突变技术2------大引物PCR技术
补充：基因的定点突变技术3------突变质粒
噬菌体
动植物病毒
引物
原料
耐高温
DNA聚合酶
专一性
①②③④
Ca2+
缓冲液
习题巩固
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
【自主学习】自主阅读课本P95相关内容，总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。
三、蛋白质工程的应用
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
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
（2）延长干扰素体外保存时间
三、蛋白质工程的应用
1、医药工业方面
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
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。
三、蛋白质工程的应用
1、医药工业方面
蛋白质工程被广泛用于 。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。
3、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）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，使它防治病虫害的效果增强。
2、其他工业方面
三、蛋白质工程的应用
改进酶的性能或开发新的工业用酶
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
蛋白质工程的现状
思考：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。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。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。
三、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
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。
人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
【旁栏思考】你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？
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。 （ ）
×
×
√
练习与应用
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
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？
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。
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
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
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
课堂练习

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