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生物学（新人教版）
生物技术与工程
第三章 基因工程
第 4 节
蛋白质工程的原理和应用
Biology
从社会中来
你见过用细菌画画吗？
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
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位的苏氨酸替换为略氨酸，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：
②操作手段及对象：
③结果：
④目的：
⑤困难：
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
蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。
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。
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。
(1)概念：
(2)特点：
蛋白质工程崛起缘由
一
(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，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
(2)不足：
基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
1.基因工程的实质及不足
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。
破坏鳞翅目昆虫的消化系统
杀死棉铃虫
苏云金芽孢杆菌
产生
Bt基因
伴胞晶体蛋白
(Bt抗虫蛋白)
表达
破坏鳞翅目昆虫的消化系统
杀死棉铃虫
导入
抗虫棉
培育
目的基因
核DNA
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
2.实例：提高玉米赖氨酸含量
蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？
过渡
蛋白质工程的基本原理
二
(1)蛋白质工程的目标：
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。
(2)改造蛋白质的方法：
改造或合成基因
(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。
(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。
为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？
1.基因工程的目标和方法
思考：
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
2.天然蛋白质合成过程
转录
翻译
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。
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
3.蛋白质工程的基本思路
蛋白质工程的基本思路
预期的蛋白质功能
设计
预期的蛋白质结构
应有的氨基酸序列
推测
改造或合成
转录
翻译
生物功能
行使
DNA
mRNA
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。
提示：
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）
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
mRNA序列为：
DNA序列为：
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
蛋白质工程基本思路的应用
思考 讨论
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。
提示：
天然蛋白质
改造蛋白质
蛋白质工程已有哪些实际的应用呢？
过渡
蛋白质工程的应用
三
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
(1)研发速效胰岛素类似物
1.医药工业方面
(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
1.医药工业方面
蛋白质工程的应用
(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
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
1.医药工业方面
恒定区
可变区
蛋白质工程的应用
(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。
2. 在其他工业方面
枯草杆菌蛋白酶
枯草杆菌
(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. 在农业方面
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。
3. 在农业方面
蛋白质工程
本节小结
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
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
(1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。 ( )
(2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 ( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 ( )
×
×
√
教材课后习题·概念检测
2、蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是 ( )
A .分析蛋白质的三维结构
B .研究蛋白质的氨基酸组成
C .获取编码蛋白质的基因序列信息
D .改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
教材课后习题·概念检测
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D、蛋白质
A
教材课后习题·概念检测
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴 在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么 如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作
教材课后习题·拓展应用
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。
1．某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因（AmpR）、LacZ基因及一些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。
注：LacZ 基因编码产生的 β- 半乳糖苷酶可以分解 X - gal产生蓝色物质，使菌落呈现蓝色；否则菌落为白色。
教材课后习题·复习与提高
教材课后习题·复习与提高
请根据以上信息回答下列问题。
（1）在第 2 步中，应怎样选择限制酶？
应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和
含有目的基因的DNA片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的
基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、
终止子、标记基因、复制原点等结构。
教材课后习题·复习与提高
（2）在第 3 步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？
（3）选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势？
（4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？
加入DNA连接酶。
该质粒便于进行双重筛选。标记基因AmpR基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒（没有连接目的基因的质粒）的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破
坏了LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成β-半乳糖苷酶，
底物X-gal也就不会被分解
2．科学家将 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和 Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2 3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（1）在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？
（2）如何证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用？
教材课后习题·复习与提高
逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、
Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。
可以设置对照组。将转入外源基因和没有转人外源基因的细胞分别培养
在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因
的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的
作用。
教材课后习题·复习与提高
（3）如果要了解Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因在诱导产生iPS细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。
可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，
然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，
来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，
进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可）
（4）若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPS细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应？为什么？ iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？
教材课后习题·复习与提高
不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质
没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。
iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
3．水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。
方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。
教材课后习题·复习与提高
区别硝化细菌--自养生物
异养生物
（1）请评估这两种方案哪种更容易实现。
（2）如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？
请说出你的理由。
教材课后习题·复习与提高
从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中
稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。（其他合理答案均可）
此题不要求有唯一的答案，学生可从便捷性、安全性、经济性等角
度进行分析，言之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水
稻新品种更值得推广；
或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。
谢谢观看

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