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(共36张PPT)
第三章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
从社会中来
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。
思考：科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的
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。
基础
操作对象
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。
蛋白质工程
结果
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
一、蛋白质工程崛起的缘由
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。
如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
实例：提高玉米赖氨酸含量
玉米赖氨酸含量较低
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
玉米赖氨酸含量提高数倍
天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶
（异亮氨酸）
如何改造？
如何改造？
如何对天然蛋白质的结构进行改造
你认为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 请说出你的理由。
二、蛋白质工程的基本原理
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
1.蛋白质工程的目标：
2.改造蛋白质的方法：
通过 来完成
改造或合成基因
①蛋白质是由基因决定的，改造基因即改造了蛋白质
②基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
思考：为什么对蛋白质的改造要从基因着手？
3.天然蛋白质合成过程：
按照中心法则进行
基因
表达
形成具有特定氨基酸序列的多肽链
形成具有高级结构的蛋白质
行使生物功能
转录、翻译
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
获得所需蛋白质
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
4.蛋白质工程的基本思路
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
【思 考讨论】蛋白质工程基本思路的应用
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。
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列
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。
查密码子表得知：
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)
mRNA序列
共 种可能序列
32
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)
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列
共 种可能序列
32
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。
查密码子表
mRNA序列
脱氧核苷酸序列
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？
合成目的基因：
①人工合成
②从基因文库中获取等
改造目的基因：
①常用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
3.经过蛋白质工程改造后是否形成了新物种？
经过蛋白质工程改造后只是改变生物的性状，没有形成新物种
(1)蛋白质工程以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础（ ）
(2)基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循( )
(3)基因工程在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程在分子水平对蛋白质进行操作（ ）
及时练：
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)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__________。
转录
翻译
折叠
推测
改造或合成
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：
(2)蛋白质工程的目的是_______________________________
___________________________，通过____________________ 来实现
(3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______
的。
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基改造或合成基因
相反
对蛋白质的结构进行设计
1.医药工业方面
二、蛋白质工程的应用
（1）研发速效胰岛素类似物
1.医药工业方面
二、蛋白质工程的应用
（1）研发速效胰岛素类似物
天然胰岛素
B链28脯氨酸
B链29赖氨酸
易形成二聚体或六聚体
延缓疗效
速效胰岛素类似物
B链28天冬氨酸 B链29赖氨酸
B链28赖氨酸
B链29脯氨酸
抑制胰岛素聚合
加快疗效
1.医药工业方面
二、蛋白质工程的基本原理
（1）研发速效胰岛素类似物
天然胰岛素
B链28脯氨酸
B链29赖氨酸
速效胰岛素类似物
B链28天冬氨酸
B链29赖氨酸
B链28赖氨酸
B链29脯氨酸
如何实现？
改造胰岛素基因
表达
定点突（诱）变
(2)延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
干扰素保存时间延长
定点突（诱）变
如何改造？
将干扰素分子的一个半胱氨酸换成丝氨酸
如何实现？
改造干扰素合成基因
表达
(3) 降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
医疗问题：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：将小鼠抗体上结合抗原的区域（可变区） “嫁接”到人的抗体（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。
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
制备人鼠嵌合抗体
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.其他工业方面的应用
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；
设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，
使它防治病虫害的效果增强；
3. 在农业方面的应用
蛋白质工程——难度大
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
3.现阶段蛋白质工程存在的困难
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 操作对象
操作水平
结果
实质 通过 定向改造或生产人类所需的蛋白质 通过 定向改造或生产人类所需的蛋白质
应用
生产自然界中没有的
的蛋白质
生产自然界中已有的蛋白质
基因
DNA分子水平
农药、医药工业及其他工业生产
转基因动植物、药品生产等领域
改造或合成基因
转基因技术
四、蛋白质工程和基因工程的比较
联系 ①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
②蛋白质工程离不开 ，蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建
，改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入 。
基因工程
基因表达
载体
受体细胞
左
右
(3)便于进行双重筛选
①标记基因AmpR基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。
②由于LacZ基因效应，生长的菌落可能出现两种颜色：
含有空质粒的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。根据这种生长差异性，可以筛选出含有目的基因的大肠杆菌。
白色；目的基因的插入，破坏了LacZ基因的结构
（4）
2.
（1）逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、
c-Myc和Kf4导入小鼠成纤维细胞。
（2）设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用
（3）依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。
（4）不会引起免疫排斥反应。在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。
iPS细胞拥有分化为多种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
3.
（1）从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达
（2）从便捷性、安全性、经济性等角度进行分析
从便捷性角度认为：能固氮的水稻新品种更值得推广
从转基因产品的安全性角度认为：能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。

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