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(共27张PPT)
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？
从社会中来
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
通过蛋白质工程实现
思考：科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
蛋白质工程
崛起的理由
应用
基本原理
教学目标
1.说出蛋白质工程崛起的理由。
2.概述蛋白质工程的基本原理。
3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
教学重点、难点
1.蛋白质工程的基本原理。
2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
因为对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易，且改造过的基因可以遗传给后代。
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因
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
是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
基因
蛋白质工程
蛋白质工程是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。
①基础：
②手段：
③操作对象：
④目的：
⑤地位：
⑥结果：
生产出自然界没有的蛋白质。
一、蛋白质工程崛起的缘由
有时不完全符合人类生产和生活需要
基因工程的缺陷
天然蛋白的缺陷
蛋白质工程
的作用
原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质（天然蛋白）
对天然蛋白质进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质
基因工程实质？
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
第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
+
第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
一、蛋白质工程崛起的缘由
实例：对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的改造
二、蛋白质工程的基本原理
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→获得所需要的蛋白质
1.原理：
2.基本思路：
蛋白质
（三维结构）
预期功能
生物功能
翻译
折叠
行使
转录
设计
推测
改造或合成
mRNA
目的基因
翻译
由预期的蛋白质功能出发，找到相对应的基因，即基因表达的逆推。
蛋白质
三维结构
预期功能
生物功能
氨基酸序列
多肽链
分子设计
折叠
基因
DNA
DNA合成
翻译
mRNA
转录
速效
胰岛素
B链中28号与29号氨基酸对换
速效胰岛素两条多肽链氨基酸序列
速效
胰岛素
基因
转录
速效
胰岛素
mRNA
翻译
折叠
二、蛋白质工程的基本原理
3.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：
(1)“大改”：设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。
(2)“中改”：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结 构域。
(3)“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 操作对象 基因 基因
操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平
操作流程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→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→获得所需的蛋白质 目的基因的筛选和获取→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
结果 可生产自然界没有的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质
蛋白质工程与基因工程的区别与联系
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 实质 通过改造或合成基因定向改造或生产人类所需蛋白质 基因重组，定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或产品
应用 及现状 主要集中在对现有蛋白质的改造，尚有难题未克服 在转基因动植物、药品生产等领域已有广泛应用
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蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；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受体细胞
思考：如何判断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
有关蛋白质工程的几个易错点
(1)遗传性问题：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，改造过的蛋白质可以遗传。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。
(2)表达的场所：改造后的基因需要导入受体细胞才能表达出相应的蛋白质。
(3)编码区的问题：蛋白质工程中经过处理得到的新基因与基因突变得到的新基因有较大差别，基因突变得到的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程得到的新基因则没有。
二、蛋白质工程的基本原理
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
思考·讨论：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，只要査一下密码子表,就可以将题中的氨基酸序列的编码序列査出来。但是由于题中的氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码的，因此其碱基排列组合起来就比较复杂。首先应该根据密码子推出mRNA序列为
GCU（或C，或A，或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C），
再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列为
CGA（或G，或T，或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）。
2.确定目的基因的碱基序列后，怎样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。
二、蛋白质工程的基本原理
某多肽链的一段氨基酸序列是：
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
2.确定目的基因的碱基序列后，怎样合成或改造目的基因？
思考·讨论
：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）
共___种可能序列
32
查密码子表
3. 如果让你设计一种蛋白质，你的思路或途径？
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。
mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
实例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
三、蛋白质工程的应用
实例2.延长干扰素体外保存时间
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
mRNA
延长保存时间
氨基酸替换
多肽链
在-70℃下可以保存半年
三、蛋白质工程的应用
预期功能
设计结构
推测
序列
转录
折叠
行使功能
翻译
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。
实例3.降低人对小鼠单抗了抗体的免疫反应
三、蛋白质工程的应用
(1)图示过程是根据预期的____________，设计 ，最终必须对______进行操作，此操作中改变的是________。
(2)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于____________(生物工程)的范畴。
嵌合抗体功能
嵌合抗体的结构
基因
碱基对
蛋白质工程
科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。如图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析探究：
三、蛋白质工程的应用
实例4.其他工业方面：
①改进酶的性能或开发新的工业用酶。
②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改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要原因是：
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
三、蛋白质工程的应用
随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
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
练习与应用
练习与应用
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
1.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因(AmpR)、LacZ基因及一些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。
请根据以上信息回答下列问题。
⑴在第②步中，应怎样选择限制酶？
P98：复习与提高
应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA 片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。
⑵在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？
加入DNA连接酶。
⑶选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势？
⑷含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？
该质粒便于进行双重筛选。标记基因 AmpR 基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般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。而由于 LacZ 基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)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。
含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal也就不会被分解。
2.科学家将 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2 3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
⑴在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？
⑵如何证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用？
逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。
可以设置对照组。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，并确保其他培养条件相同。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。
2.科学家将 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2 3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
⑶如果要了解 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4基因在诱导iPS细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。
⑷若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPS 细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应？为什么？iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？
可以依次去掉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。（其他合理答案均可）
不会引起免疫排斥反应，因为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细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险

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