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(共18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
情境视频
胰岛素的发展历程
任务一：认识基因工程的局限性
资料1：
为治疗糖尿病，早期的胰岛素从动物胰腺中提取，成本高，产量低，且长期使用动物胰岛素容易引发机体内的免疫反应。
资料2：
20世纪80年代，通过基因工程与发酵工程相结合的方法，生产出重组人胰岛素。因此，大大地降低了糖尿病的治疗成本，还有助于解决免疫排斥问题。
问题①：如何让大肠杆菌生产人胰岛素？（写出简单思路即可）
通过基因工程将人的胰岛素基因导入大肠杆菌中并让该基因在大肠杆菌中正常表达。
问题②：结合必修二所学习的中心法则，写出胰岛素合成的过程
胰岛素基因　　 mRNA 特定氨基酸序列的多肽链 具有高级结构的蛋白质　　 行使生物功能
转录
翻译
折叠
资料3：
天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，所以在一定程度上延缓了疗效。
六聚体
问题③：能否用基因工程的方法生产比天然胰岛素起效更快的胰岛素？为什么？
单体
任务一：认识基因工程的局限性
总结
基因工程的实质及局限性
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局限：
基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
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。
资料4：
科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。
方案一：直接对胰岛素的结构进行改造
任务二：寻找获得快速起效胰岛素的方法
小组讨论：探讨方案一是否可行？为什么？
①胰岛素的空间结构复杂，直接对胰岛素操作比较困难，且容易让胰岛素变性
②对胰岛素改造后无法遗传给后代
资料4：
科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。
方案二：对胰岛素基因进行改造
任务二：寻找获得快速起效胰岛素的方法
氨基酸序列
将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸
新胰岛素基因
改造
降低胰岛素的聚合作用
预期功能
空间结构
推测
设计
问题④：依据什么来对胰岛素基因进行改造？
资料4：
科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。
方案二：对胰岛素基因进行改造
任务二：寻找获得快速起效胰岛素的方法
脯氨酸
天冬氨酸
GGG
CCC
CCC
基因
mRNA
氨基酸
活动：根据中心法则和密码子表，推断出流程图中的核苷酸序列
资料4：
科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。
方案二：对胰岛素基因进行改造
任务二：寻找获得快速起效胰岛素的方法
问题⑤：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，根据密码子的简并性，一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因碱基序列可能有多种。
任务二：寻找获得快速起效胰岛素的方法
氨基酸序列
新胰岛素基因
改造
降低胰岛素的聚合作用
预期功能
三维结构
推测
预期结构
转录
mRNA
折叠
行使
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
设计
功能
研发速效胰岛素的流程
将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸
借助计算机
构建蛋白质三维结构图:
碱基的替换：
通过X射线衍射技术
基因的定点突变技术
分析晶体的结构：
总结
由预期的蛋白质的功能出发，找到并改变相对应的基因或合成新的基因，即基因表达的逆推。
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。
任务三：尝试对蛋白质工程进行应用
资料5：
干扰素在治疗肿瘤等多种病症有重要作用。但是天然干扰素在体外保存相当困难。若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
小组讨论：根据资料5以及蛋白质工程的原理和流程，设计出改造干扰素的方案
小鼠的单克隆抗体会使人产生免疫反应。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。
蛋白质工程的应用
（1）医药工业方面
实例：提高玉米赖氨酸含量
蛋白质工程的应用
（2）农业方面
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
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
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，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
蛋白质工程的应用
（2）农业方面
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。
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
蛋白质工程的应用
（3）其他工业方面
任务四：分析基因工程和蛋白质工程的区别与联系
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
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
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
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
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
蛋白质工程的困难

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