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(共22张PPT)
3.4 蛋白质工程的原理和利用
1. 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。
思考：
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。
2、科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
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。
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；
01
蛋白质工程崛起的缘由
01
蛋白质工程崛起的缘由
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
前体物质
赖氨酸
在玉米中活性很低，造成赖氨酸含量较低
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）
天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶
（异亮氨酸）
改造
改造
提高产量
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。
操作对象：
结果：
与基因工程的关系：
理论和技术：
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
符合特定物种生存需要
不一定符合人类生产、生活需要
蛋白质工程改造
天然蛋白质
原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
01
蛋白质工程崛起的缘由
逆转录
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
复制
复制
折叠等
具有特定空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
02
蛋白质工程的基本原理
02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预期功能生物功能设计蛋白质（三维结构）推测改造或合成转录翻译折叠行使目的基因mRNA多肽链思考：与中心法则的关系？02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
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
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。
02
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
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？请把相应的碱基序列写出来。
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
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
找到DNA上相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
推出mRNA上的核糖核苷酸序列
02
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？
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。
02
蛋白质工程的基本原理
比较项目 基因工程 蛋白质工程
操作对象 操作水平 区别 原理
过程
实质
结果
应用现状 在转基因动植物、药物生产等领域已有广泛应用 主要集中在对现有蛋白质的改造，还需不断地攻坚克难
基因
DNA分子水平
基因重组
中心法则、基因重组
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→目的基因及其表达产物的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→
改造或合成对应的DNA序列（基因） →基因工程技术合成新的蛋白质
通过基因重组定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物或产品
通过改造基因定向改造或生产人类所需的新的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
可生产自然界没有的蛋白质
02
蛋白质工程的基本原理
03（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03蛋白质工程的应用1.医药工业方面03
（2）延长干扰素体外保存时间
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
定点突变
β-干扰素氨基酸序列
03
蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
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
03（3）提高蛋白质的热稳定性第3位上的异亮氨酸半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成-s-s-定点突变03蛋白质工程的应用1.医药工业方面03
（4）人鼠嵌合抗体
1.医药工业方面
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。
03
蛋白质工程的应用
03蛋白质工程被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03蛋白质工程的应用3.农业方面①改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的效率，增加粮食产量。②设计优良的微生物农药，改造微生物的蛋白质结构，使其防治病虫害的效果增强。
基因
DNA
mRNA
氨基酸序列
多肽链
蛋白质
三维结构
转录
翻译
折叠
生物学功能
预期功能
分子设计
DNA合成
起点：
蛋白质的预期功能
目的：
了解蛋白质结构和功能的关系
关键技术：
基因工程
终点：
获得大量的改造后的蛋白质
实质：
改造基因结构
又称第二代基因工程
前提：
生产出符合人们生活需要的蛋白质
小结
04
课后习题
1.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
2.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
1．大面积的定向突变一般采用基因全合成的方法。
2．含有单一或少数几个突变位点的基因定向突变则可采用多种策略。
引物定点引入法
拓
定点突变技术
是一种寡聚核苷酸介导的定点诱变，它能在克隆基因内直接产生各种点突变和区域突变，从而有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基，最终达到改善蛋白质的性质和功能的目的。
基因工程
模板链
DNA连接酶
需要几种引物？
拓
定点突变技术
项目 内容
条件 原料
酶
引物
操作方法
结果
适用范围
特点
4种脱氧核苷酸
DNA聚合酶和DNA连接酶
含突变位点的DNA分子片段
先通过PCR扩增已获得定点突变的基因，再通过基因工程将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译合成所需的蛋白质
后代中半数为诱变的DNA分子
空间结构完全清楚的蛋白质，进行“小改”
定点诱变有目的性和针对性
拓
定点突变技术

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