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(共26张PPT)
第4节　蛋白质工程的原理和应用
第3章　基因工程
人教版高中生物 选择性必修3
学习目标
1.说出蛋白质工程崛起的缘由。
2.概述蛋白质工程的原理。
3.举例说明对现有蛋白质的编码基因进行改造，获得人类所需要的蛋白质的过程。
情境视频
细菌的艺术-微生物培养大赛
情境导入
科学家利用基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。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？
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
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。
①基础：_______________________________________________
②途经：___________________
③操作对象：______
④目的：_________________________________________________________________________
⑤地位：__________________________________________________
⑥理论和技术：_______________________________________________
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
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
基因
分子生物学、晶体学和计算机技术(了解）
1.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。
2. 蛋白质工程崛起的缘由
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，使后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
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
天然蛋白质的缺陷
天然蛋白质是生物在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。
玉米中赖氨酸的含量较低，原因是赖氨酸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。
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）
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）
改造
改造
含量提高5倍
含量提高2倍
2. 蛋白质工程崛起的缘由
实例：提高玉米赖氨酸含量
为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
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，最终通过改造或合成基因来完成。
(2)实质：
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）
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；
(1)目标：
3. 蛋白质工程的基本原理
预期功能
预期结构
推测
氨基酸序列（多肽链）
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
设计
行使
(3)基本思路
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
3. 蛋白质工程的基本原理
基因工程和蛋白质工程
任务
应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。
1.研究人员试图将人胰岛素B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？
基因工程和蛋白质工程
任务
2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？并说明理由。
不唯一，因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因总的碱基序列有多种。
不同的生物密码子基本相同，
即共用一套密码子。
拓展延伸
基因工程和蛋白质工程
任务
3．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？
可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。
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中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
基因工程和蛋白质工程
任务
4．蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因：
(1)任何一种天然蛋白质都是由________编码的，改造了________即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。
(2)对________进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。
基因
基因
基因
核心归纳
基 因 工 程 实质
不足
蛋 白 质 工 程 天然 蛋白质的不足
目的
将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的 ，进而表现出 。
基因
蛋白质
新性状
在原则上只能生产自然界已存在的 。
蛋白质
即天然蛋白质
天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种 的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
进化
生存
生产符合人类生产和生活需要的 。
蛋白质
基因工程与蛋白质工程的比较
核心归纳
比较项目 基因工程 蛋白质工程
区 别 起点
过程
实质
结果
联系 生产自然界中已存在的蛋白质
生产自然界中非天然的蛋白质
定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品
改造或制造人类所需要的蛋白质
预期的蛋白质功能
目的基因
获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
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都在生物体外对基因进行操作；
②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
核心归纳
思考：如何辨别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
天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合。
4. 蛋白质工程的应用
（1）医药工业方面
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研发速效胰岛素类似物
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃的条件下，可保存半年。解决了干扰素体外保存困难的问题。
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
4. 蛋白质工程的应用
（1）医药工业方面
②延长干扰素体外保存时间
③科学家通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域"嫁接"到人的抗体上，
经过改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低。
4. 蛋白质工程的应用
（1）医药工业方面
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。
从头设计蛋白的高分辨晶体结构（天蓝色）与设计模型（绿色）比较。
我国科学家建立蛋白质设计新方法
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
4. 蛋白质工程的应用
（2）其他工业方面
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。
伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药
4. 蛋白质工程的应用
（3）农业方面
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。
三级结构
一级结构
四级结构
二级结构
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
4. 蛋白质工程的应用
跟踪训练
√
1.(2023·江苏连云港高二期中)下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是
A.利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构
B.研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列
C.设计和制造自然界中没有的人工蛋白质
D.将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶
将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果，与蛋白质工程没有直接关系，D符合题意。
跟踪训练
2.(2021·辽宁，14)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是
A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一
B.加入连接肽需要通过改造基因实现
C.获得N1的过程需要进行转录和翻译
D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境
√
跟踪训练
在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)，则N1与N0氨基酸序列有所不同，这可能是影响其热稳定性的原因之一，A正确；
蛋白质工程的作用对象是基因，即加入连接肽需要通过改造基因实现，B正确；
N1为蛋白质，蛋白质的合成需要经过转录和翻译两个过程，C正确；
酶具有高效性，检测N1的活性需先将其置于高温环境，再与底物充分混合，D错误。
课堂小结

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