资源简介

(共28张PPT)
第四节
核
心
素
养
生命观念
科学思维
社会责任
明确蛋白质工程的原理和基本操作。
尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。
举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。
新
课
导
入
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。
细胞内生命活动的检测
肿瘤的示踪研究
新
课
导
入
科学家利用了什么技术让细菌能够发出荧光？
利用基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
新
课
导
入
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的蛋白，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？
发光水母
通过蛋白质工程进行改造。
蛋
白
质
工程
什么是蛋白质工程，具体过程是怎样的？
蛋白质工程是指以蛋白质分子的 及其与 的关系作为基础，通过改造或合成 ，来改造现有 ，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
它是在 工程的基础上延伸出来的，是包含多学科的综合科技工程。
结构规律
生物功能
基因
蛋白质
基础
FOUNDATION
基因
玉米中赖氨酸的含量比较低。
赖氨酸
天冬氨酸激酶的活性、
二氢吡啶二羧酸合成酶的活性
达到一定浓度
抑制
导 致
我含赖氨酸较低！
实
例
分
析
赖氨酸含量很难提高
实
例
分
析
天冬氨酸激酶中的
第352位的苏氨酸
异亮
氨酸
玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量提高 5 倍
变成
使得
二氢吡啶二羧酸合成酶中的第104位的天冬酰胺
异亮
氨酸
玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量提高 2 倍
变成
使得
蛋白质工程的崛起
为什么要进行蛋白质工程，试着从以下方面分析：
基因工程的局限性：
原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
蛋白质工程的目的：
对现有蛋白质进行改造或制造新的蛋白质，以满足人类的生产生活需要。
天然蛋白质的不足：
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。
思
考
讨
论
对天然的蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？为什么？
通过对基因的操作（修饰或合成）来实现。
② 改造基因相比直接改造蛋白质更容易操作，难度要小得多。
① 因为蛋白质是由基因编码的，改造了基因，也就是对蛋白质进行了改造，且基因可以遗传。
原因
CAUSE
基
本
原
理
天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：
基因
DNA
mRNA
氨基酸序列
多肽链
蛋白质
三维结构
生物
功能
转录
翻译
行使
折叠
基
本
思
路
中心法则的逆推：
基因
DNA
mRNA
氨基酸序列
多肽链
蛋白质
三维结构
生物
功能
转录
翻译
行使
折叠
设计
推测
DNA 合成
基
本
思
路
（1）预期蛋白质功能
（2）设计预期的蛋白质结构
（3）推测应有的氨基酸序列
（4）找到相应的脱氧核苷酸序列
对
比
分
析
基因工程
蛋白质工程
相同点
结果
实质
联系
都属于分子水平上的研究和操作
天然存在的蛋白质
改造的/新的蛋白质
基因重组
基因修饰/合成
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
蛋
白
质
结构的研究
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型。
蛋
白
质
结构的研究
用 X 射线衍射、核磁共振等技术研究蛋白质结构。
蛋
白
质
结构的研究
蛋白质全新设计的重点和难点是结构设计。结构设计从二级结构开始，逐渐摸索蛋白质结构稳定的规律。
2019年的一项研究结果显示，科学家开发了一个蛋白质折叠电子游戏。
该游戏易于操作，即使从未涉及蛋白质全新设计领域的科研工作者，也可通过游戏完成蛋白质结构的设计，还能精确预测蛋白质的形状，展现蛋白质折叠方式的多样性。
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思
考
讨
论
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。
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？
···—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—···
氨基酸序列：
思
考
讨
论
-GCU-UGG-AAA-GAA-UUU-···
···—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—···
4×1×2×2×2 = 32 种
脱氧核苷酸序列：
-CGA-ACC-TTT-CTT-AAA-···
32种
32种
蛋
白
质
工程在医药领域的进展
3. 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。
2. 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，干扰素可以保存半年。
1. 研发速效胰岛素类似物产品，赖脯胰岛素。
蛋
白
质
工程在工业领域的进展
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。
1. 枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
2. 目前，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
工程在农业领域的进展
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。
科学家利用蛋白质工程的思路来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。
蛋
白
质
工程的前景
应用于微电子方面制作电子元件。
具有体积小、耗电少和效率高的特点。
发展现状
难度大、成功的例子不多。
主要是对蛋白质的高级结构了解少。
当堂达标
1. 下列不属于蛋白质工程成果的是（ ）
A. 改造酶的结构，提高酶的热稳定性
B. 生产出鼠—人嵌合抗体
C. 将 tPA 分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺
D. 将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素
D
当堂达标
2. 从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是（ ）
A. 合成编码目的肽的 DNA 片段
B. 构建含目的肽 DNA 片段的表达载体
C. 依据 P1氨基酸序列设计多条模拟肽
D. 筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
C
当堂达标
3. 蛋白质工程在实施过程中最大的难题是（ )
A. 生产的蛋白质无法应用
B. 发展前景太卷
C. 对大多数蛋白质的高级结构了解不清楚
D. 无法人工合成目的基因
C
当堂达标
4. 下列有关蛋白质工程的叙述，错误的是（ ）
D
A. 收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便分析结构与功能之间的关系
B. 蛋白质工程的基本途径是从预期的蛋白质功能出发最终推测出脱氧核苷酸序列的过程
C. T4溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程的体现
D. 蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质
当堂达标
5.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流程分别是（ )
A. 基因突变：DNA→RNA→蛋白质
B. 基因工程：RNA→RNA→蛋白质
C. 基因工程：DNA→RNA一蛋白质
D. 蛋白质工程：蛋白质→基酸序列→DNA→RNA→多肽链→蛋白质
D

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