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(共26张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
能说出蛋白质工程崛起的缘由。
能概述蛋白质工程的基本原理。
能举例说明蛋白质工程的应用。
右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。
用细菌“画画”（视频）
1. 科学家利用了什么技术让细菌能发出绿色荧光？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
2. 科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造让细菌能发出黄色荧光？
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的
从社会中来
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。
基础
结果
目的
蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。
操作手段及对象
蛋白质工程
1.基因工程的实质和不足：
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____________。
（1）基因工程的实质:
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
（2）基因工程的局限性:
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；
（3）蛋白质工程崛起的缘由:
一、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
蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？
2.实例：提高玉米赖氨酸含量
请同学们自主阅读教材P94，思考回答问题。
1.蛋白质工程的目标、实质、结果。
2.为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
3.回顾天然蛋白质合成的过程，构建出蛋白质工程的基本思路。
4.如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
二、蛋白质工程的基本原理
1.实质、目标和结果：
为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？
思考：
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；
目标
实质
结果
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。
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。
2.天然蛋白质合成过程：
按照中心法则进行
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
转录
翻译
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
蛋白质
（三维结构）
多肽链
3.蛋白质工程的基本设计思路：
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
蛋白质工程基本思路的应用
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。
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
查密码子表
mRNA序列
脱氧核苷酸序列
第一个 碱基 第二个碱基 第三个碱基
U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 酪氨酸 酪氨酸 终 止 终 止 半胱氨酸 半胱氨酸 终 止 色氨酸 U
C
A
G
C 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 U
C
A
G
G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸、甲硫氨酸（起始） 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 U
C
A
G
氨基酸序列：
丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸
mRNA序列：
4×1×2×2×2 = 32种
脱氧核苷酸序列有32种
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？
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。
改造蛋白质
天然蛋白质
蛋白质工程基本思路的应用
思考 讨论
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→基因表达载体的构建→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
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？
自主阅读教材P95，总结蛋白质工程的应用领域及实例。
应用 实例
医药工业方面
其他工业方面
农业方面
三、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
(1)研发速效胰岛素类似物
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
定点突变
定点突变
(2)延长干扰素体外保存时间
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
干扰素在体外保存
相当困难
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸
在-70℃下干扰素可保存半年
(3)制备人鼠嵌合抗体
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。
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。
①医学问题
②解决方法
基因融合
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
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
2.其他工业方面的运用：
3.农业方面的运用：
(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。
3.农业方面的运用：
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。
应用 实例
医药工业方面
其他工业方面
农业方面
改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物
改造干扰素基因，延长保存时间
生产人鼠嵌合抗体，降低了诱发人体免疫反应的强度
改进酶的性能或开发新的工业用酶
改造某些参与调控光合作用的酶
设计优良微生物农药
【小结】
(1)面临的问题：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。
(2)前景展望：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。
4.面临的问题及前景：
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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