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第4节 蛋白质工程的原理和应用
【本节聚焦】
1.蛋白质工程的基本原理是什么？
2.蛋白质工程已有哪些实际的应用？
第三章 基因工程
学习目标、重难点 核心素养
1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 1.生命观念：说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。
2.科学思维：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。
3.社会责任：尝试运用逆向思维分析和解决问题。
1.教学重点 （1）蛋白质工程的基本原理 （2）依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程 2.教学难点 （1）蛋白质工程的基本原理 （2）依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
细菌的艺术-微生物培养大赛
情境视频
一、蛋白质工程崛起的缘由
一、基因工程的实质和不足：
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，进而表现出新性状。
思考：什么是蛋白质工程呢？
一、蛋白质工程崛起的缘由
二、实例：
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
一、蛋白质工程概念：
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
操作方法及对象
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。
二、蛋白质工程的基本原理
二、蛋白质工程的基本原理
对天然的蛋白质进行改造，为什么不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的？
①基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质；
②改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传；
③改造基因比改造蛋白质更容易操作。
蛋白质工程的思路是什么？
二、蛋白质工程的基本原理
二、天然蛋白质合成的过程：
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
折叠
蛋白质
（三维结构）
行使
生物功能
三、蛋白质工程的基本思路：
预期功能
设计
推测
改造或合成
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。科学家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。
二、蛋白质工程的基本原理
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
折叠
蛋白质
（三维结构）
行使
生物功能
三.蛋白质工程的基本思路：
预期功能
设计
推测
改造或合成
①预期蛋白质的功能
②设计预期的蛋白质结构
③推测应有的氨基酸序列
④找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因
⑤获得所需蛋白质
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
二、蛋白质工程的基本原理
思考·讨论 ：蛋白质工程基本思路的应用
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
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？
某多肽链的一段氨基酸序列是：
二、蛋白质工程的基本原理
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）。
推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
进一步推知脱氧核苷酸序列为：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）
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
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。
思考·讨论 ：蛋白质工程基本思路的应用
二、蛋白质工程的基本原理
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。
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
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？
思考·讨论 ：蛋白质工程基本思路的应用
二、蛋白质工程的基本原理
四、蛋白质工程的难点
蛋白质工程是一项难度很大的工程。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
科学家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。
主要原因
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是十分复杂、难度很大的工程。
前景展望
二、蛋白质工程的基本原理
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系
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
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
定向改造或生产人类所需的蛋白质
定向改造生物的遗传特性，
以获得人类所需的
新的生物类型和生物产品
创造出自然界不存在的蛋白质
生产出自然界已有的蛋白质
①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
②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造
二、蛋白质工程的基本原理
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
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
三、蛋白质工程的应用
合作探究一：请同学们自主阅读教材P95，小组合作思考讨论总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。
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
一、在医药工业方面
1.实例1：研发速效胰岛素类似物
天然胰岛素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
mRNA
折叠
预期功能
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
转录
三、蛋白质工程的应用
2.实例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
三、蛋白质工程的应用
3.实例3：制备人鼠嵌合抗体
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。
三、蛋白质工程的应用
一、在医药工业方面
1.产生速效胰岛素
2.产生易保存的干扰素
3.生产人鼠嵌合抗体
通过基因定点突变
一个氨基酸的改变或两个氨基酸位置互换
通过基因定点突变
一个氨基酸的改变
通过基因片段的拼接
两条多肽片段拼接
三、蛋白质工程的应用
二、在其他工业方面
枯草杆菌蛋白酶突变体
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。
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
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。
三、蛋白质工程的应用
三、在农业方面
1.改造某些参与调控光合作用的酶
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。
还有科学家将蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，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。
2.改造微生物蛋白质结构，防治害虫
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
不能直接改变
1．蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种
①进行少数氨基酸的替换
②对不同来源的蛋白质的拼接
③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序
④直接改变蛋白质的空间结构
A．①③④ B．①②③ C．②③④ D．①②④
√
课堂练习
2.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要。
B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构。
C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。
D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程。
课堂练习
对基因分子直接进行操作
√
课堂练习
3.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是_____；代表中心法则内容的是________。(填写数字)
（2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______；②______；③______；④______；⑤__________。
（3）蛋白质工程的目的是_______________________________________ _____________________，通过___________________实现。
（4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白
质的结构进行分子设计
基因改造或基因合成
相反

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