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(共38张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
第3章　基因工程
课程内容标准 核心素养对接
1.概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。
2.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.尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计或改造某一蛋白质的合成流程。（科学思维）
2.认同蛋白质工程的重要意义。（社会责任）
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.蛋白质工程：对蛋白质分子的设计和改造是通过 工程来实现的。蛋白质工程是指以
作为基础，通过改造或合成 ，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。它是在基因工程的基础上，延伸出来的 代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。
2.基因工程存在的不足：原则上只能生产自然界中 的蛋白质。
蛋白质
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
基因
第二
已存在
3.天然蛋白质存在的不足：天然蛋白质的 符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合 的需要。
4.实例：玉米中赖氨酸含量低，将赖氨酸合成过程中两种酶的氨基酸替换，玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
结构和功能
人类生产和生活
二、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的基本原理
概念 基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
手段 改造或合成基因
目的 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
原理 由预期的蛋白质找到相对应的
流程 预期蛋白质功能→设计预期的 →推测应有的
→找到并改变相对应的
或合成新的基因
脱氧核苷酸序列（基因）
蛋白质结构
氨基酸序列
脱氧核苷酸序列（基因）
2.蛋白质工程的基本思路
三、蛋白质工程的应用
1.对天然蛋白质进行改造
天然蛋白质 蛋白质工程改造后的蛋白质
天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效 科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为 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，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用
天冬氨酸
天然蛋白质 蛋白质工程改造后的蛋白质
干扰素在体外保存相当困难 如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成
，那么在一定条件下，可以延长保存时间
小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低 科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到 的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多
丝氨酸
人
2.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。例如利用蛋白质工程生产 蛋白酶。
3.在农业方面，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；利用蛋白质工程的思路来设计优良 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。
4.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 结构，而这种结构往往十分 。
枯草杆菌
微生物
高级
复杂
1.判正误（对的画“√”，错的画“×”）
（1）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。 （ ）
（2）通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然蛋白质。 （ ）
（3）实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。 （ ）
（4）基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。 （ ）
×
×
√
×
2.微思考
（1）为什么要进行蛋白质工程的研究？
提示　基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白质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。
（2）蛋白质工程的基本思路是什么？
提示　预期蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因。
任务驱动　蛋白质工程的基本原理
下图为蛋白质工程的基本流程，请思考并回答：
1.图中A、B分别为何过程？
提示　A为转录，B为翻译。
2.基因工程能否完全满足人们生产生活的需要，为什么？
提示　不能，因为基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质，天然蛋白质不一定符合人类的需要。
3.蛋白质工程与基因工程的关系是怎样的？
提示　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。
蛋白质工程与基因工程的比较
蛋白质工程 基因工程
区
别 起点 预期蛋白质功能 目的基因
过程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
实质 通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的 基因重组
蛋白质工程 基因工程
区
别 结果 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质
应用
及现
状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等；
②在创造新的蛋白质方面还有许多技术难题未突破，因为蛋白质的高级结构非常复杂 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化；
②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段
联系 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质；
②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
［特别提醒］　
（1）蛋白质工程的改造对象是基因。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，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。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下去的。
（2）基因突变产生的新基因中有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。
如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列相关叙述正确的是（　　）
A.图中⑤、⑥过程分别是转录、翻译
B.蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质，不需要对基因进行操作
C.根据编码蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列是唯一的
D.蛋白质工程的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
解析
图中⑤、⑥过程分别是翻译、折叠，④过程是转录，A错误；蛋白质工程是通过改造或合成基因来实现的，可见蛋白质工程是通过对基因的操作实现的，B错误；一种氨基酸可能对应多种密码子，所以根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列不是唯一的，C错误；蛋白质工程的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求，D正确。
［举一反三］
1.（生命观念）什么是蛋白质工程？
提示　对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。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。
2.（科学思维）已知一段蛋白质的氨基酸序列，如何推出其基因中的脱氧核苷酸序列？得出的序列是唯一的吗？
提示　蛋白质的氨基酸序列→推测mRNA的密码子排序→推测双链DNA中脱氧核苷酸的序列。不是唯一的，因为密码子具有简并性，一种氨基酸可能对应一种或几种密码子。
1.T4溶菌酶来源于T4噬菌体，是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸（异亮氨酸的密码子是AUU、AUC、AUA，半胱氨酸的密码子是UGU、UGC），于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。下列叙述正确的是 （　　）
A.对T4溶菌酶的改造属于发酵工程的范畴
B.参与新的T4溶菌酶合成的tRNA的种类一定会发生改变
C.改造后的T4溶菌酶中的二硫键的作用类似于DNA中的氢键
D.上述改造通过替换T4溶菌酶DNA上的1个碱基对即可实现
C
解析
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的，故对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，A错误。改造前组成T4溶菌酶的氨基酸中就含有异亮氨酸和半胱氨酸，改造后组成T4溶菌酶的氨基酸中仍可能含有异亮氨酸和半胱氨酸，因此参与其合成的tRNA的种类可能不变，B错误。改造后的T4溶菌酶多了一个二硫键，二硫键使T4溶菌酶的耐热性提高；DNA分子中氢键越多，热稳定性越强，二者作用类似，C正确。要将T4溶菌酶的异亮氨酸变为半胱氨酸，只改变一个氨基酸，
解析
发生的是碱基的替换；两种氨基酸最接近的密码子是AUU和UGU，或AUC和UGC，仍然相差两个碱基，由于DNA是双链结构，故对应的DNA上的碱基至少要替换2个碱基对，D错误。
2.某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗食物的消化不良，最佳方案是 （　　 ）
A.减少此酶在片剂中的含量
B.将此酶与人蛋白酶拼接，形成新的蛋白酶
C.替换此酶中的少数氨基酸，改善其功能
D.重新设计与创造一种全新的蛋白酶
C
解析
减少此酶的含量会降低疗效，且剩余的酶仍然容易失效，A错误；蛋白质之间不能进行简单的拼接，可通过改造基因来改造蛋白质，B错误；要提高该酶的热稳定性，可以采用蛋白质工程技术替换此酶中的少数氨基酸，以改善其功能，C正确；只需将此酶进行改造即可，不需重新设计与创造一种蛋白酶，D错误。
知识网络构建
关键知识积累
1.基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
2.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。
3.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，而这种结构往往十分复杂。
1.下列围绕蛋白质工程的叙述，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，定向改变分子的结构
C.蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在的新型蛋白质分子
D.蛋白质工程从预期蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现
B
解析
蛋白质工程的操作是从预期蛋白质功能出发，设计出相应的目的基因，通过基因工程来实现；它可以定向地改造蛋白质的分子结构，使生产出的蛋白质更符合人类的需要，但这些蛋白质与天然蛋白质不同，可以是自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子，故A、C、D正确。蛋白质工程是对基因进行操作，而不是对蛋白质直接进行操作，故B错误。
2.下列不属于蛋白质工程成果的是 （　　）
A.改造酶的结构，提高酶的热稳定性
B.生产出“鼠—人”嵌合抗体
C.将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸
D.将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素
D
解析
将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素属于基因工程的成果。
3.干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但体外保存相当困难。如图是利用蛋白质工程设计生产干扰素的流程图，据图分析下列叙述错误的是 （　　）
A.图中构建新的干扰素模型的主要依据是新的干扰素的预期功能
B.图中新的干扰素基因必须插入到质粒上的启动子和终止子之间才能表达
C.图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构
D.图中各过程并没有涉及基因工程技术
D
解析
蛋白质工程的主要依据是蛋白质的预期功能，因此图中构建新的干扰素模型的主要依据是蛋白质的预期功能，A正确；启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点，从而驱动转录，而终止子提供转录终止的信号，故新的干扰素基因必须插入质粒上的启动子和终止子之间才能表达，B正确；蛋白质工程的实质是对基因进行操作，因此图中改造干扰素结构的实质是改造干扰素基因的结构，C正确；题图中从“人工合成DNA”到“在受体细胞中表达”的过程运用了基因工程技术，D错误。
4.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　　　　。（填序号）
（2）写出图中下列序号代表的生物学过程的名称或内容：
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　　　　　。
答案　（1）④⑤　①②③　（2）折叠　推测 改造或合成　（3）获取符合人类需要的蛋白质　基因合成或修饰　（4）相反
解析
蛋白质工程根据具有相应功能的蛋白质结构推测氨基酸序列，进而推测出脱氧核苷酸序列，所以应为图中的④⑤过程；①②③过程代表中心法则，与蛋白质工程的基本途径相反。

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