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(共32张PPT)
第3章 基因工程
第4节
蛋白质工程的原理和应用
情境视频
Q1: 科学家利用了什么技术让细菌能发出绿色荧光？
基因工程技术
Q2: 科学家用什么办法让细菌发出自然界本没有的黄色荧光？
蛋白质工程
你见过用细菌画画吗？
目 录
蛋白质工程的概念
01
蛋白质工程崛起的缘由
02
蛋白质工程的基本原因
03
蛋白质工程的应用
04
一、蛋白质工程的概念
蛋白质工程：
①基础：
②操作手段及对象：
③结果：
④目的：
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
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
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。
Q: 科学家为什么不能用基因工程技术让细菌发出黄色荧光？
基因工程的实质是什么？有什么局限性？
二、蛋白质工程崛起的缘由
将一种生物的______转移到另一种生物体内，后者可以产生它____________________________，进而表现出______________
基因
本不能产生的蛋白质
新的性状
只能生产自然界中已存在的蛋白质
1.基因工程的实质:
2.基因工程的局限:
3.蛋白质工程崛起的缘由:
①基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质；
②天然蛋白质是生物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。
4. 蛋白质工程的实例：提高玉米赖氨酸含量
二、蛋白质工程崛起的缘由
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
二、蛋白质工程崛起的缘由
5.基因工程的实质:
6.蛋白质工程的的结果:
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。
生产出自然界没有的蛋白质。
Q:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
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。
Q:天然蛋白质合成过程是怎样的？
三、蛋白质工程的原理
1.天然蛋白质合成的过程
基因
表达
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
——按照中心法则进行
2.蛋白质工程合成蛋白质的过程
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
思
路
——逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
三、蛋白质工程的原理
3.蛋白质工程合成蛋白质需要的工具
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
思
路
借助计算机
构建蛋白质三维结构图:
获得蛋白质晶体：
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：
晶体学技术
三、蛋白质工程的原理
4.蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
Q1： 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。
查密码子表得知：
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）。
mRNA序列为： GCU UGG AAA GAA UUU
DNA序列为： CGA ACC TTT CTT AAA
GCT TGG AAA GAA TTT
共___种可能序列
32
共___种可能序列
32
三、蛋白质工程的原理
4.蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
Q2: 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？
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。
蛋白质工程与基因工程的比较
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
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
蛋白质工程与基因工程的比较
Q: 如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？
四、蛋白质工程的应用
在医药工业方面的应用
蛋白质工程的应用
在其他工业方面的应用
在农业方面的应用
医药工业方面
1. 研发速效胰岛素
(1)原因：
天然胰岛素见效慢，是因为天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，发挥作用。
(3)解决办法：
(2)研究进展：
科学研究发现，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。
Q:如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在
将胰岛素基因中编码第28位的脯氨酸的碱基序列替换为编码天冬氨酸的碱基序列
改造胰岛素基因
将胰岛素基因中编码第28位脯氨酸的碱基序列与编码第29位天冬氨酸的碱基序列对换
四、蛋白质工程的应用
医药工业方面
(4)胰岛素基因改造过程——以方案二为例
六聚体
单体
天然胰岛素B链部分氨基酸序列：
酪氨酸
苏氨酸
脯氨酸
赖氨酸
苏氨酸
设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
mRNA
DNA
DNA
四、蛋白质工程的应用
医药工业方面
(5)胰岛素基因改造方法
天然胰岛素对应的部分基因：
待突变位点
常规下游引物
突变上游引物
进行PCR
产物作为下一轮PCR的大引物
——基因定点突变技术
四、蛋白质工程的应用
产物作为下一轮PCR的大引物
进行PCR
待突变位点
下游大引物
常规上游引物
待突变位点
下游大引物
常规上游引物
进行PCR
天然胰岛素对应的部分基因：
待突变位点
PCR 合成的人胰岛素突变基因
获得所需蛋白质：
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
翻译
改造后得到的胰岛素基因部分碱基序列：
转录
医药工业方面
小结：基因定点突变技术
方法一：大引物PCR
需要用到三条引物进行两轮PCR，这三条引物分别是突变上游引物、常规上游引物和常规下游引物。第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增，得到不完整的含有突变位点的DNA片段;第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条DNA链作为下游大引物，它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。该技术的流程如图所示:
四、蛋白质工程的应用
医药工业方面
针对练习：下图表示利用大引物PCR对基因M进行定点诱变,下列说法错误的是(　　)
A.第一轮PCR中,至少需要2个循环才能获得相应的大引物模板
B.第二轮PCR所用的引物是第一轮PCR的产物DNA的两条链
C.扩增的定点诱变产物通常需具备启动子、终止子等结构才能进行转录和翻译
D.为了使两轮PCR在同一支试管中进行,设计引物时应考虑不同的复性温度
B
四、蛋白质工程的应用
医药工业方面
小结：基因定点突变技术
方法二：重叠延伸PCR
指在PCR技术的基础上,采用具有互补末端的引物,使PCR产物形成重叠链,通过重叠链延伸,将不同来源的片段重叠拼接起来的一项技术。
四、蛋白质工程的应用
医药工业方面
针对练习：右图表示利用PCR技术进行定点突变的流程，相关叙述错误的是(　　)。
A.由于基因控制蛋白质的合成,因此要对蛋白质的结构进行设计改造,最终还必须通过改造或合成基因来完成
B.酶①应为耐高温的DNA聚合酶,引物X和Y应该为引物2和4
C.可以将引物1、引物2、引物3和引物4置于同一个反应系统中同时进行第一个阶段的反应,进而缩短实验时间
D.利用图示流程技术可以将两个不同的基因拼接到一起
C
四、蛋白质工程的应用
医药工业方面
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
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
——基因定点突变技术
四、蛋白质工程的应用
医药工业方面
3. 降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
（引发免疫反应）
可变区
可变区
（结合抗原）
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
鼠抗体可变区
（结合抗原）
人抗体恒定区
（避免人体免疫反应）
四、蛋白质工程的应用
其他工业方面
1. 改进酶的性能或开发新的工业用酶
如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
枯草杆菌蛋白酶
枯草杆菌
四、蛋白质工程的应用
农业方面
四、蛋白质工程的应用
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。
如：伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药
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。
四、蛋白质工程的应用
现状及未来：
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
难度很大，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。
虽任重道远，
但未来可期！
课堂小结
蛋白质工程
理论基础
技术手段
目标
基本思路
实践应用
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
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
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
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。
药物研发
改进酶的性能或开发新的工业用酶
增加粮食产量、研发新型农药

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