资源简介

(共42张PPT)
目录 /CONTENTS
01
发酵工程
02
细胞工程
03
基因工程
04
生物技术的安全性与伦理问题
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
学习目标
目标
01
02
03
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。（科学思维）
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。（生命观念）
尝试运用逆向思维分析和解决问题。
（社会责任）
视频：细菌画画
细菌画画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。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
从社会中来
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
绿色荧光蛋白基因
控制（转基因）
绿色荧光蛋白
基因工程的局限性：
只能生产自然界中已存在的蛋白质。
这些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。
基因工程的实质:
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。
蛋白质工程崛起的缘由
一
蛋白质工程的概念及其理解
二
（1）困难：
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。
（2）与基因工程的联系：
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。
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。
问题：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
实例：提高玉米赖氨酸含量 ：
天冬氨酸 二氢吡啶二羧
激酶 酸合成酶
赖氨酸含量
思考：蛋白质工程是怎样进行的呢 基本原理是什么
调控
赖氨酸合成
达到一定浓度
抑制
两种酶的活性
提高 限制
104位的天冬酰 胺变成异亮氨酸
提高
提高2倍
352位的苏氨酸 变成异亮氨酸
提高
十
蛋白质工程的基本思路
二
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
天然蛋白质合成按照中心法则进行
蛋白质工程的基本思路
二
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。
预期的蛋白质功能
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
蛋白质工程的基本思路：
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。
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）
思考·讨论—教材P94
共32 种可能序列
任务：基因工程和蛋白质工程
2.如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列 (填“唯一”或“不唯一”)，理由是______________________
。
不唯一
一个氨基酸是由一个或多
个密码子决定的，因此获得的基因中的碱基序列有多种
探究—学习笔记P73
不同的生物密码子基本相同，
即共用一套密码子。
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？
某多肽链的一段氨基酸序列是：
3.确定目的基因的碱基序列后，可以 合成目的基因，或应用______
来进行碱基的替换等进而改造基因。
探究—学习笔记P73
人工
基因的
定点突变技术
蛋白质工程的实例
实例：提高水蛭素的抗凝血效率
水蛭素第47位天冬酰胺改造成赖氨酸或精氨酸，以此来提高抗凝血效率，可提高4倍。
水蛭素是自然界存在的最强抗凝血物质， 在防治心脑血管疾病和抗癌方面等具有特效。
蛋白质工程的基本思路
二
蛋白质工程的基本思路
二
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
蛋白质工程的基本思路
二
蛋白质工程和基因工程的比较
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
视频：蛋白质工程的应用
蛋白质工程的应用
三
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。
医药工业方面
六聚体
二聚体
单体
蛋白质工程的应用
三
(2)研究进展：
研究人员发现，人胰岛素B链的第20~29 位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域。
科学家通过改造胰岛素基因使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合。
B20
B29
B28
蛋白质工程的应用
三
(3)解决办法：
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
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
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
PCR定点突变技术在基因改造中的应用
蛋白质工程通过改造基因实现对蛋白质的定向改造。PCR定点突变技术是最常用的基因定点突变技术，通过设计含有非特异性配对碱基的引物，再通过PCR将突变位点引入产物中，它又可以分为重叠延伸PCR、大引物PCR等。
拓展延伸—学习笔记P74
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
翻译
翻译
转录
天然胰岛素对应的部分基因：
改造后应得到的基因序列：
转录
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
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
PCR定点突变技术在基因改造中的应用
(2)大引物PCR的流程如图2所示。该技术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。
拓展延伸—学习笔记P74
(1)重叠延伸PCR是发展最早的PCR定点突变技术。该技术的流程如图1所示。该技术要使用四条引物。其中引物2和3的突起处代表与模板链不能互补的突变位点，而这两条引物有部分碱基(包括突变位点)是可以互补的。因此，分别利用引物1和2、引物3和4进行 PCR后，得到的DNA片段可以通过引物2和3互补的碱基杂交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成为一个完整的DNA。最后，用引物1和4进行扩增得到含有突变位点的 DNA片段。通过测序可以检验定点突变是否成功。
拓展延伸—学习笔记P74
四、蛋白质工程的应用
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
将干扰素分子上的一个 变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。
半胱氨酸
丝氨酸
半胱氨酸
丝氨酸
蛋白质工程的应用
三
医药工业方面
2. 延长干扰素体外保存时间
四、蛋白质工程的应用
蛋白质工程的应用
三
医药工业方面
3. 降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
抗体的基本结构是一个Y型的四肽链，由完全相同的两条重链（Heavy chain，H链）和相同的两条轻链 （Light chain，L链）组成。重链和轻链是根据它们分子量大小来命名的，其相对分子质量分别约为 50-75 kDa 和 25 kDa。在结构上，重链和重链之间、重链和轻链之间以二硫键相连，结合成一个轻重链配对的对称分子。
轻链
重链
二硫键
可变区
恒定区
四、蛋白质工程的应用
解决办法：通过_________，将小鼠抗体上________的区域（即________）“嫁接”到_________（即_______）上，经过这样改造的抗体__________________________；
医学问题：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。
改造基因
结合抗原
可变区
人的抗体
恒定区
诱发免疫反应的强度就会降低很多
蛋白质工程的应用
三
医药工业方面
3. 降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
四、蛋白质工程的应用
蛋白质工程的应用
三
其他工业方面
（1）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，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体，筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，提高这种酶的使用价值。
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。
枯草杆菌
四、蛋白质工程的应用
蛋白质工程的应用
三
其他工业方面
（2）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。
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。
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，提高了T4溶菌酶的耐热性。
四、蛋白质工程的应用
蛋白质工程的应用
三
农业方面
（1）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。
四、蛋白质工程的应用
蛋白质工程的应用
三
农业方面
（2）科学家利用蛋白质工程的思路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。
伊维菌素是由土壤中发现的一种新型链霉菌提取出了一种名为阿维菌素的抗生素，经过多年的不断改造获得的，伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗动物寄生虫病兽药。
蛋白质工程的应用
三
五、蛋白质工程难度很大的原因
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。
蛋白质工程小结
四
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
1.科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述不正确的是(　　)
A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用
B．可通过测定DNA的序列确定突变是否成功
C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程
D．该过程的操作对象是胰岛素分子
D　
蛋白质工程从属于基因工程，蛋白质工程的操作对象是基因
　考点训练　
2.扰素在体外保存非常困难。干扰素由166个氨基酸组成，如果将其分子上第17位的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在70 ℃的条件下可以保存半年。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，下列思路最可行的是(　　)
A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因
B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因
C．直接改造mRNA，进行密码子的替换
D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换
蛋白质工程的目的是改造蛋白质，但其方法是通过改造或合成基因来实现的，而不是直接改造氨基酸；若直接改造mRNA，可获得改造后的蛋白质，但不能遗传、不能复制。
　考点训练　
　考点训练　
3.β-葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。为提高β-葡聚糖酶的催化活性，科学家将其第20位、117位和165位赖氨酸突变为丝氨酸。下列有关叙述错误的是（ ）
A.改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强
B.改造后的β-葡聚糖酶空间结构发生了改变
C.对β-葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程
D.可通过DNA分子测序法检测突变是否成功
不能得出改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强
　考点训练　
4.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。如图是新的速效胰岛素的生产过程，下列有关叙述错误的是( )
A.新的胰岛素的预期功能是构建新胰
岛素模型的主要依据
B.新的胰岛素生产过程中不涉及中心
法则
C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌
D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构
涉及中心法则
　考点训练　
5.干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.5 μg，所以价格昂贵。某生物制品公司用如下方法(如图所示)生产干扰素。从图中可以看出，该公司生产干扰素运用的方法是( )
A.个体间的杂交
B.基因工程
C.蛋白质工程
D.器官移植
从图中可以看出，整个过程为将人的淋巴细胞中控制干扰素合成的基因与质粒结合后导入酵母菌，并从酵母菌产物中提取干扰素，这项技术为基因工程
　高考真题演练
6.（2024·天津·高考真题）胰岛素的研发走过了：动物提取—化学合成—重组胰岛素—生产胰岛素类似物生产等历程。有关叙述错误的是（ ）
A．动物体内胰岛素由胰岛B细胞合成并胞吐出细胞
B．氨基酸是化学合成胰岛素的原料
C．用大肠杆菌和乳腺生物反应器生产胰岛素需相同的启动子
D．利用蛋白质工程可生产速效胰岛素等胰岛素类似物
用大肠杆菌和乳腺生物反应器生产胰岛素不需要使用相同的启动子，因为两者属于不同的表达系统，大肠杆菌是原核生物表达系统，而乳腺生物反应器属于真核生物表达系统，启动子要求不同

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