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人教版（2019）选择性必修三
蛋白质工程的原理和应用
第3章 基因工程
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
学习目标
从社会中来
你见过用细菌画画吗？右图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？
目录
01
蛋白质工程崛起的缘由
02
蛋白质工程的基本原理
03
蛋白质工程的应用
蛋白质工程
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）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
蛋白质工程崛起的缘由
1.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
蛋白质工程崛起的缘由
【实例】提高玉米赖氨酸含量
赖氨酸合成
达到一定浓度
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
调控
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
两种酶的活性
抑制
限制
提高
提高5倍
提高2倍
赖氨酸含量低
蛋白质工程的基本原理
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
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
3.结果
生产出自然界没有的蛋白质
蛋白质工程的基本原理
4.天然蛋白质合成过程
中心法则
基因
（转录和翻译）
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
蛋白质工程的基本原理
5.蛋白质工程的基本设计思路
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
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的基本原理
【思考】为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
（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
蛋白质工程的基本原理
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
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
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？
蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（1）速效胰岛素类似物
或
B28位（天冬氨酸）
B29位（赖氨酸）
B28位（赖氨酸）
B29位（脯氨酸）
天然胰岛素
B28位（脯氨酸）
B29位（赖氨酸）
易形成二聚体或六聚体
速效胰岛素类似物
聚合作用降低，起效快
改造胰岛素
基因
蛋白质工程的应用
（2）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
半胱氨酸
丝氨酸
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
转录
mRNA
预期结构
折叠
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
蛋白质工程的应用
（3）人鼠嵌合抗体：降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
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
解决办法：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降低很多
蛋白质工程的应用
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。
蛋白质工程的应用
3.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
蛋白质工程的应用
（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
蛋白质工程现状
（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
三级结构
一级结构
四级结构
二级结构
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
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
随堂练习
1.枯草杆菌蛋白酶能催化蛋白质水解为氨基酸，在有机溶剂中也能催化多肽的合成。这些碱性蛋白酶具有重要的应用价值，被广泛应用于洗涤剂、制革及丝绸工业。将枯草杆菌蛋白酶分子的天冬氨酸(99)和谷氨酸(156)改成赖氨酸，可使其在一定条件下的活力提高。下列叙述错误的是( )
A.完成氨基酸的替换需要通过改造基因实现
B.蛋白质工程只能对现有蛋白质进行改造
C.经蛋白质工程改良的性状是可以遗传的
D.蛋白质工程设计思路与中心法则相反
解析：蛋白质工程通过改造基因实现氨基酸替换，A正确；蛋白质工程可设计合成新蛋白质，并非只能改造现有蛋白，B错误；改造基因导致的性状可遗传，C正确；蛋白质工程从蛋白质到基因，与中心法则相反，D正确。
B
随堂练习
2.科学家利用蛋白质工程研制赖脯胰岛素，与天然胰岛素相比，赖脯胰岛素经皮下注射后易吸收、起效快。图示为利用大肠杆菌制备工程菌获取赖脯胰岛素的操作过程，以下叙述错误的是( )
A.该技术属于第二代基因工程，
需对基因进行改造或合成
B.该技术能改造现有的蛋白质，也能制造一种新的蛋白质
C.图中①②过程可同时发生
D.基因表达过程中，物质a若发生变化，物质b一定改变
解析：蛋白质工程操作的对象是DNA,需对基因进行改造或合成，是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程，A正确；蛋白质工程是通过改造或合成基因，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，B正确；图中①为转录，②为翻译，大肠杆菌是原核生物，没有核膜，转录和翻译可同时进行，C正确；物质a为mRNA,mRNA序列改变，由于密码子的简并性，最终编码的氨基酸序列可能不变，D错误。
D
随堂练习
3.干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸（密码子：UGU、UGC）变成丝氨酸（密码子：UCU、UCC、UCA、UCG），就可以延长干扰素的体外保存时间。下列相关叙述，错误的是( )
A.对干扰素的设计和改造，以基因的结构和功能的关系为基础
B.对干扰素基因进行定点突变（C→G）来实现碱基的替换
C.改造后的干扰素基因仍需导入受体细胞完成表达过程
D.改造后的干扰素的功能与天然干扰素不是完全不同
解析：A、蛋白质工程的目的是根据人们对蛋白质的功能需求改造或制造蛋白质，理论基础是蛋白质的结构与功能相适应，A错误；B、比较半胱氨酸和丝氨酸的密码子，若第二个碱基由G替换为C，就可引起氨基酸的替换，所以基因上发生定点突变（C→G），可实现基因的改造，B正确；C、基因的表达需要众多物质和结构的参与，还需要细胞呼吸提供能量，故改造后的干扰素基因仍需导入受体细胞完成表达过程，C正确；D、改造后的干扰素由于氨基酸序列改变，导致结构改变，从而延长体外保存时间，但其仍具有干扰病毒复制的功能，即改造后的干扰素与天然干扰素的功能不是完全不同，D正确。
A
感谢各位的聆听
人教版（2019）选择性必修三

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