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(共29张PPT)
3.4蛋白质工程的原理和应用
01
课堂导入
你见过用细菌画画吗？
下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？
目录/CONTENTS
蛋白质工程崛起的缘由
01
蛋白质工程的基本原理
02
蛋白质工程的应用
03
蛋白质工程崛起的缘由
Part 01
01
蛋白质工程崛起的缘由
地位：
在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程
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。
直接操作对象
目的
分子生物学、晶体学和计算机技术(了解）
理论及技术：
1.基因决定蛋白质的合成；
2.改造基因可以遗传；
3.改造基因更容易操作。
01
蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的不足：
基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质(天然蛋白质)
天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要
需要对天然蛋白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质
实质：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。
天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要
蛋白质工程崛起
01
蛋白质工程崛起的缘由
2.实例
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
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
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
抑制
限制
提高
提高5倍
提高2倍
赖氨酸含量低
01
蛋白质工程崛起的缘由
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，而且基因改造可以遗传下去。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。
蛋白质工程的基本原理
Part 02
02
蛋白质工程的基本原理
1.目标：
3.天然蛋白质合成过程：
基因
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
（转录和翻译）
2. 实质：
通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。
表达
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
中心法则
02
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
获得所需蛋白质
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
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反：
02
蛋白质工程的基本原理
02
蛋白质工程的基本原理
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
02
蛋白质工程的基本原理
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
蛋白质工程的应用
Part 03
03
蛋白质工程的应用
天然胰岛素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）研发出速效胰岛素类似物药物
1. 医药工业方面
03
蛋白质工程的应用
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间，解决了干扰素体外保存困难的问题。
（2）延长干扰素体外保存时间
1. 医药工业方面
天然干扰素
（体外保存困难）
改造后的干扰素
（-70℃可保存半年）
半胱氨酸
丝氨酸
03
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
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，使其在－70 ℃的条件下可以保存半年，解决了干扰素体外保存困难的问题。
03
蛋白质工程的应用
（3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
1. 医药工业方面
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：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，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
03
蛋白质工程的应用
2.其他工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
枯草杆菌蛋白酶
治癌酶的改造： HSV-TK自杀基因的原理。(A) HSV-TK在肿瘤细胞中诱导细胞毒性和凋亡。(I) 编码胸苷激酶的 HSV-1 TK 基因被递送至靶细胞。HSV-1 胸苷激酶和细胞激酶的表达允许前药 (GCV) 在细胞中被激活为有毒药物 (GCV-TP) 并破坏靶细胞的 DNA。（Ⅱ）基因治疗通过激活靶细胞中的p53信号通路诱导内源性细胞凋亡。（Ⅲ）基因治疗诱导外源性细胞凋亡。(B)旁观者效应导致相邻细胞死亡。
03
蛋白质工程的应用
3. 农业方面
（1）科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
03
蛋白质工程的应用
3. 农业方面
（2）科学家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。
伊维菌素是由土壤中发现的一种新型链霉菌提取出了一种名为阿维菌素的抗生素，经过多年的不断改造获得的，伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗动物寄生虫病兽药。
03
蛋白质工程的应用
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
蛋白质工程的现状
难度很大
习题练习
1.下列有关蛋白质工程及其应用的叙述，正确的是( )
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子结构，使之更加符合人类需要
B.蛋白质工程的实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能
C.蛋白质工程技术中的操作对象可以是蛋白质或控制蛋白质合成的基因
D.当前限制蛋白质工程发展的关键因素是基因工程技术还不成熟
答案：A
解析：蛋白质工程能通过基因修饰或基因合成，定向对现有蛋白质分子的结构进行改造，使之更加符合人类需要，A正确；蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成，不能直接改造蛋白质，B、C错误；当前限制蛋白质工程发展的关键因素是对蛋白质的高级结构了解不够，D错误。
04
习题练习
2.蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过基因修饰或基因合成来完成，而不直接改造蛋白质的主要原因是( )
A.缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
B.改造基因易于操作且改造后能够遗传
C.人类对大多数蛋白质的高级结构知之甚少
D.蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
答案：B
解析：改造基因的操作易于进行，且改造后的基因能够遗传给子代，所以对蛋白质结构的设计改造可通过基因修饰或基因合成来完成。
04
习题练习
3.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。下列有关蛋白质工程的叙述错误的是( )
A.蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程是相同的
B.蛋白质工程可对酶的催化活性、抗氧化性、热变性等加以改变
C.实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系
D.蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够
答案：A
解析： 蛋白质工程是通过改造基因或合成基因来改造蛋白质的，流程和天然蛋白质合成的过程是不同的，A错误；蛋白质工程可通过对酶的改造，改变其催化活性、抗氧化性、热变性等性质，B正确；蛋白质工程是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的，所以前提条件是了解蛋白质的结构和功能的关系，C正确；蛋白质的空间结构复杂，蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，D正确。
04
习题练习
4.干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在-70℃条件下保存半年，这属于蛋白质工程的范畴。下列相关说法不正确的是( )
A.蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质
B.蛋白质工程生产干扰素的过程不遵循中心法则
C.对天然干扰素的改造需通过对基因的操作来实现
D.蛋白质的高级结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因
答案：B
解析：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。基本途径：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。分析可知，蛋白质工程可以生产自然界不存在的蛋白质，A正确；蛋白质工程生产干扰素的过程仍然遵循中心法则，B错误；由于基因指导蛋白质的合成，因此对天然干扰素的改造需通过对基因的操作来实现，C正确；蛋白质的高级结构复杂是蛋白质工程实施难度大的重要原因，D正确。
04
课堂总结
05
下课了！

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