资源简介

(共28张PPT)
基因工程及其延伸技术应用广泛
目录
01
蛋白质工程的概述
02
蛋白质工程的发展
03
蛋白质工程的基本原理
04
蛋白质工程的应用
【学习目标】
1.概述中心法则与蛋白质工程的关系
2.列表比较基因工程和蛋白质工程的区别与联系
3.举例说明蛋白质工程在生产生活中的应用
01
蛋白质工程的概述
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。
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
(1) 基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2) 操作方法和对象：改造或合成基因。
(3) 目的：改造现有的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。
(4) 地位：在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。
(5) 学科和技术：分子生物学、晶体学和计算机技术。
02
蛋白质工程的发展
运用基因工程技术将外源目的基因导入受体细胞后，目的基因的表达结果有时并不理想，合成的蛋白质不能很好地行使功能，无法满足人们的需求。这是因为蛋白质的结构与功能是进化的结果，与特定的物种相适应。
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
科学家将人体内的抗病毒糖蛋白β-干扰素cDNA导入大肠杆菌中并进行表达，尽管获得了大量的蛋白质，但多数蛋白质形成了二聚体，总体抗病毒活性只有天然蛋白的10%。这是因为β-干扰素在第17、31、141位上有3个半胱氨酸，第31位和第141位的半胱氨酸形成了二硫键，剩下的第17位半胱氨酸则容易与另外一个干扰素分子的半胱氨酸形成二硫键。而在人体内，由于有其他的分子辅助，β-干扰素不会形成二聚体。因为改变蛋白质中的氨基酸序列可改变蛋白质的结构，进而改变其功能，因此，替换掉第17位的半胱氨酸成为研究的目标。
实例
20 世纪 60 年代，“中心法则”揭示出生物大分子间遗传信息遵循的规律，科学家意识到有可能在基因层面对蛋白质的氨基酸序列进行精确调控，即通过设计和改造编码蛋白质的基因，从而改变氨基酸序列，最终获得特定功能的蛋白质。
在干扰素的研究中，科学家通过基因工程技术将 β-干扰素第 17 位半胱氨酸密码子对应的 cDNA 改为了丝氨酸密码子对应的 cDNA，表达出的蛋白质不再形成二聚体，活性与天然蛋白相似而且稳定性更高。
蛋白质工程的诞生
03
蛋白质工程的基本原理
1.目标：
3.天然蛋白质合成过程：
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。
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）
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
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反：
从预期蛋白质功能出发→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
物理、化学法：对蛋白质进行变性、复性处理，修饰蛋白质侧链官能团，分割肽链，改变表面电荷分布促进蛋白质形成一定的立体构像等等
生物化学法：使用蛋白酶选择性地分割蛋白质，利用转糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或连接不同化学基团，利用转酰胺酶使蛋白质发生胶连等等
基因重组技术或人工合成DNA：不但可以改造蛋白质而且可以实现从头合成全新的蛋白质
4.改造蛋白质的方法
其中物理、化学法和生物化学法只能对相同或相似的基团或化学键发生作用，缺乏特异性，不能针对特定的部位起作用。
学科交叉
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；要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体的结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
定点突变是指通过聚合酶链式反应（PCR）等方法向目的DNA片段（可以是基因组，也可以是质粒）中引入所需变化（通常是表征有利方向的变化），包括碱基的添加、删除、点突变等。定点突变能迅速、高效的提高DNA所表达的目的蛋白的性状及表征，是基因研究工作中一种非常有用的手段。
X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。
蛋白质工程和基因工程的对比
蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
结果
实质
联系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
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
04
蛋白质工程的应用
1.医药工业方面：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，-70℃可以延长保存时间。
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
半
胱
氨
酸
丝氨酸
2.工业用酶方面
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。
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。
3.农业方面
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。
4.蛋白质工程现状
三级结构
一级结构
四级结构
二级结构
(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。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
“二看法”判断基因工程和蛋白质工程
1.2003年人类基因组计划测序完成，我国也参与其中并做出很大的贡献。
2.基因测序技术不断发展，不仅速度越来越快，而且成本也越来越低。
3.多个国家和机构建立了庞大的生物信息数据库（基因数据库）。
(1)数据库信息不仅通过互联网共享，还定期交换数据进行更新。
(2)现在通过访问互联网，任何人都可以方便地检索出需要的信息。
(3)科学家也能通过比对核酸或蛋白质的序列重新审视生命进化的历程，深度解码个人的遗传信息。
以测序为基础建立的基因数据库是人类共有的财富
课堂小结
蛋白质工程
蛋白质工程的应用
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的崛起的缘由
蛋白质工程的概念
蛋白质工程仅产生已存在的蛋白质
需要对蛋白质进行设计和改造
基因（DNA）
氨基酸序列多肽链
蛋白质的三维结构
增加粮食产量、研发新型农药
药物研发
改进酶的性能或开发新的工业用酶
合成
设计
表达
折叠
课堂练习
1.蛋白质工程是一种通过操纵和设计蛋白质结构来改造蛋白质功能的技术，广泛应用于农牧业、医药工业等领域。下列叙述错误的是( )
A.可利用蛋白质工程对胰岛素进行定向修改
B.改造后的基因可直接导入酵母细胞中进行规模化生产
C.需要利用计算机建立蛋白质的三维结构模型
D.在改造蛋白质的过程中需要遵循碱基互补配对原则
解析：改造后的基因需构建基因表达载体后导入酵母细胞中进行规模化生产,B错误;蛋白质工程涉及基因水平的修改,基因的表达过程涉及碱基互补配对,D正确。
B
2.基因定点突变技术通过改变基因特定位点的核苷酸来改变蛋白质的氨基酸序列，常用于研究某个氨基酸对蛋白质的影响，其原理是利用人工合成的诱变寡核苷酸引物和多种酶来合成突变基因，过程如图所示。下列分析错误的是( )
A.基因定点突变的原理是使基因发生碱基对的替换
B.诱变寡核苷酸引物的延伸需要消耗四种核糖核苷酸
C.突变基因的合成是以正常基因的单链作为模板的
D.延伸过程遵循碱基互补配对原则，且需要DNA聚合酶的催化
解析：本题考查蛋白质工程的应用。定点突变改变特定位点的核苷酸，先是人工合成诱变寡核苷酸引物，随后经过延伸和复制，产生新的突变基因，A正确；诱变寡核苷酸引物的延伸需要消耗四种脱氧核苷酸，B错误；突变基因的合成以正常基因的单链为模板，C正确；延伸过程中遵循碱基互补配对原则，该过程需要将脱氧核苷酸连接起来，所以需要DNA聚合酶的催化，D正确。
2.基因定点突变技术通过改变基因特定位点的核苷酸来改变蛋白质的氨基酸序列，常用于研究某个氨基酸对蛋白质的影响，其原理是利用人工合成的诱变寡核苷酸引物和多种酶来合成突变基因，过程如图所示。下列分析错误的是( )
A.基因定点突变的原理是使基因发生碱基对的替换
B.诱变寡核苷酸引物的延伸需要消耗四种核糖核苷酸
C.突变基因的合成是以正常基因的单链作为模板的
D.延伸过程遵循碱基互补配对原则，且需要DNA聚合酶的催化
B
C
3.新型冠状病毒借助表面的刺突蛋白（S蛋白）的受体结合区域（RBD）与人体细胞表面的ACE2受体结合而感染细胞。科学家设计了一种自然界中不存在的蛋白质LCB1，其可与S蛋白的RBD更为紧密地结合，以干扰新型冠状病毒的感染。下列有关说法错误的是( )
A.LCB1结构的设计可参考S蛋白的RBD和人体细胞ACE2受体的结构进行
B.LCB1的生产可通过直接改造人的某些基因来实现
C.LCB1的基本组成单位中可能含有自然界不存在的氨基酸
D.LCB1的设计和合成也遵循中心法则
解析：S蛋白的RBD可与ACE2受体结合，人工合成的LCB1可与S蛋白的RBD结合，故LCB1的结构可以依据S蛋白的RBD和人体细胞ACE2受体的结构进行设计，A正确；由题意可知，LCB1的结构可能与ACE2受体的结构相似，且设计LCB1属于蛋白质工程，故LCB1的生产可通过直接改造人的某些基因（如ACE2受体基因）来实现，B正确；LCB1是人工设计并合成的一种自然界不存在的蛋白质，但合成蛋白质所需的氨基酸是自然界存在的，C错误；LCB1的设计和合成属于蛋白质工程，蛋白质工程遵循中心法则，D正确。

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