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第三章 第4节
蛋白质工程的原理和应用
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。
蛋白质工程
一
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。下图是新的速效胰岛素的生产过程
新的胰岛素生产过程属于______工程，该工程的操作步骤为__________。
情境一
蛋白质
④⑤①②③
阅读P93-94,思考并回答以下问题
【任务1】
什么是蛋白质工程？
蛋白质工程崛起的缘由？
①基础：__________________________________________________
②途经：_______________
③操作对象：______
④目的：__________________________________________________________
⑤地位：__________________________________________________
⑥理论和技术：____________________________________________
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蛋白质,以满足人类生产和生活的需求
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
基因
分子生物学、晶体学和计算机技术(了解）
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.蛋白质工程概述
(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。
2.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。
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
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
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。下图是新的速效胰岛素的生产过程
情境二
图中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是
根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因
阅读P93-94,思考并回答以下问题
【任务2】
蛋白质工程的原理和基本思路是什么？
完成P94思考讨论题
(1)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)实质：
为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？
3.蛋白质工程的原理
思考：
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）
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；
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
4.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
1.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分子的结构，使之更加符合人类需要
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
子的结构
C.蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子
D.蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基
因，并借助基因工程实现
课堂检测
B
2.下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是（ ）
A.利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构
B.研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列
C.设计和制造自然界中没有的人工蛋白质
D.将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶
课堂检测
D
3.下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，错误的是（ ）
A.基因工程是一种在体外进行的重组DNA技术
B.通过蛋白质工程可以获得功能更符合人类需求的蛋白质
C.基因工程可以改造出更符合人类需求的新的生物类型和生物产品
D.基因工程和蛋白质工程分别在DNA分子水平和蛋白质分子水平上进行
设计和施工
课堂检测
D
蛋白质工程的应用
二
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。下图是新的速效胰岛素的生产过程
情境三
阅读P95,归纳蛋白质工程在医疗、农业等方面的应用
【任务3】
速效胰岛素还可以通过乳腺生物反应器来生产，使用该方法构建基因表
达载体，需将________________________ 基因和______________________等调控组件重组在一起。
药用蛋白基因/胰岛素基因
乳腺蛋白基因的启动子
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
天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合。
(2)延长干扰素体外保存时间
1.医药工业方面
半胱氨酸
丝氨酸
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃的条件下，可保存半年。解决了干扰素体外保存困难的问题。
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
天然干扰素
(体外保存困难)
改造后的干扰素
(-70℃可保存半年)
蛋白质工程的应用
(1)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。
2. 在其他工业方面
枯草杆菌蛋白酶
枯草杆菌
3. 在农业方面
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。
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。
蛋白质工程与基因工程的区别与联系
比较项目 基因工程 蛋白质工程
区 别 起点
过程
实质
结果
联系 生产自然界中已存在的蛋白质
生产自然界中非天然的蛋白质
定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品
改造或制造人类所需要的蛋白质
预期的蛋白质功能
目的基因
获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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
①都在生物体外对基因进行操作；
②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
1.腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是（ ）
A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一
B.加入连接肽需要通过改造基因实现
C.获得N1的过程需要进行转录和翻译
D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境
课堂检测
D
A.生产鼠—人嵌合抗体的过程属于蛋白质
工程
B.对鼠源杂交瘤抗体进行改造的难点是设计嵌合抗体的空间结构
C.对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是通过基因定点诱变技术改造基因实现的
D.鼠—人嵌合抗体的使用对人体的副作用减少
2.如图是科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体的过程。下列有关说法错误的是( )
课堂检测
C
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

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