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(共25张PPT)
第三章基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
人教版 选择性必修三 生物技术与工程
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
从社会中来
什么是蛋白质工程？
“细菌画”视频
增白加酶洗涤剂是洗涤剂发展方向。枯草芽孢杆菌蛋白酶是一种丝氨酸型蛋白酶，具有广谱的蛋白质降解能力，可有效去除血液、汗渍、牛奶等污渍，常被用作洗涤添加剂与漂白剂一起使用。但该酶会因漂白剂一起使用会显著降低活性。科学家经多次尝试，当将蛋白酶第222位甲硫氨酸残基替换成丙氨酸残基或半胱氨酸残基时，酶的活性将不再受漂白剂的抑制。
【生活情境】洗涤剂中蛋白酶的改造---消除酶的被抑制特性
通过分析以上素材，大家可以提出哪些问题？
1.为什么要改造枯草芽孢杆菌蛋白酶？
2.如何改造枯草芽孢杆菌蛋白酶？
3.如何完成新蛋白酶的生产？
为什么要改造枯草芽孢杆菌蛋白酶？
资料1：蛋白酶活性部位结构解析
科学家们先利用晶体学技术获得了蛋白酶的结晶体，然后通过X射线衍射技术，对蛋白酶的结构进行解析，了解了天然的枯草杆菌蛋白酶的结构，其活性部位及与其结合的一模型底物如图所示，Met代表甲硫氨酸，甲硫氨酸极易被氧化剂氧化。
1.预期得到什么样功能的新蛋白酶？
2.为什么天然蛋白酶与漂白剂一起使用会降低活性？
2.如何改造枯草芽孢杆菌蛋白酶？
中心法则
【活动1】 完成由氨基酸序列 基因序列的推演
基因
mRNA
第222位
氨基酸
—丝氨酸甲硫氨酸— —丝氨酸半胱氨酸—
—AGCATG—
—TCGTAC—
—AGCAUG—
— —
— —
— —
设计改造
丙氨酸遗传密码：GCU GCC GCA GCG
甲硫氨酸遗传密码：AUG GUG
【活动1】
—AGCTGT—
—TCGACA—
半胱氨酸遗传密码：UGU UGC
—AGCUGU—
丝氨酸遗传密码：AGU AGC
资料2：科学家运用PCR技术可以改变目的基因上特定位点的核苷酸，实现定点突变。
2.如何改造枯草芽孢杆菌蛋白酶？
基因定点突变技术
【活动2】
基于前面的思考和活动1，请同学们梳理总结出科学家将天然蛋白酶改造为耐漂白的蛋白酶的思路。
3.如何完成新蛋白酶的生产？
耐漂白剂的新功能—3
新蛋白酶的三维结构—6
多肽链的氨基酸序列—2
新蛋白酶基因的碱基序列—1
第222位已替换丙氨酸的多肽链—4
耐漂白剂的新蛋白酶—5
新基因—7
耐漂白剂的新功能—3
新蛋白酶的三维结构—6
多肽链的氨基酸序列—2
新蛋白酶基因的碱基序列—1
第222位已替换丙氨酸的多肽链—4
耐漂白剂的新蛋白酶—5
新基因—7
预期
设计
推测
推测
合成或改造
表达
折叠
一、蛋白质工程的基本原理
蛋白质
（三维结构）
预期功能
生物功能
翻译
折叠
行使
转录
设计
推测
改造或合成
mRNA
目的基因
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。
目标
蛋白质工程的基本思路
蛋白质工程的基本过程是“中心法则”的逆推。
二、蛋白质工程概述
①基础：________________________________________________________
②操作：___________________________________
③目的：____________________________________________________________
___________________________________
④地位：____________________________________________________________
⑤理论和技术：_________________________________________
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。
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的蛋白质，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
分子生物学、晶体学和计算机技术
三.蛋白质工程崛起的缘由
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
蛋白质工程的应用
工业方面
改进工业用酶的性能
开发新的工业用酶
医药卫生方面
胰岛素改造
干扰素改造
制备人源化抗体
农业方面
改造调控光合作用的酶
设计微生物农药
四.蛋白质工程的应用
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
蛋白质工程是一项难度很大的工程。
主要原因是：
_____________________________
____________________________
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
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
“生”在基因，“命”在蛋白
四.蛋白质工程的应用
心之所向 行之所至
1.科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
课堂练习
2.思考·讨论：
某多肽链的一段氨基酸序列是
怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
提示：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）
mRNA序列为：GCU UGG AAA GAA UUU
DNA序列为： CGA ACC TTT CTT AAA
GCT TGG AAA GAA TTT
共___种可能序列
32
课堂练习
3.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。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使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，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
①这项工作属于什么工程的范畴？
②在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？
③如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
课堂练习
4.能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。
课堂练习
5、蛋白质工程的基本目标是（　　）
A. 直接修饰天然蛋白质的空间结构
B. 通过改造基因来定向优化蛋白质功能
C. 大规模生产自然界已存在的蛋白质
D. 利用化学合成法制造全新氨基酸序列
答案：B
解析：蛋白质工程的核心是通过基因改造或合成（如定点突变、基因融合）实现对蛋白质结构的重新设计，从而获得更符合人类需求的性能（如提高稳定性、增强活性）。直接修饰蛋白质（A）不可遗传且操作难度大；基因工程（C）仅能生产天然蛋白质；化学合成法（D）非主要手段。
课堂练习
B
6、下列哪项是蛋白质工程的基本操作流程？
A. 目的基因获取→表达载体构建→受体细胞导入→蛋白质纯化
B. 预期功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→改造基因→获得蛋白质
C. 蛋白质提取→结构分析→基因克隆→突变体筛选
D. 细胞融合→杂交筛选→功能验证→工业化生产
答案：B
解析：蛋白质工程遵循"逆向中心法则"：从预期功能出发，反向推导基因序列（如通过氨基酸序列反推脱氧核苷酸序列），最终通过基因改造实现目标。A选项为基因工程流程，C、D属于细胞工程或杂交瘤技术。
课堂练习
B
7、改造天然胰岛素获得"速效胰岛素类似物"的关键操作是（　　）
A. 增加胰岛素基因的拷贝数
B. 替换B链第28位脯氨酸为天冬氨酸
C. 将胰岛素基因转入酵母菌表达
D. 添加促进蛋白质折叠的辅助因子
答案：B
解析：天然胰岛素易聚合形成多聚体延缓药效。通过蛋白质工程将B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸（或与29位赖氨酸交换），可减少聚合，加速降血糖效果。该过程需通过基因定点突变实现，而非单纯增加基因数量（A）或更换表达系统（C）。
课堂练习
B
8、关于蛋白质工程与基因工程的比较，正确的是（　　）
A. 两者操作对象均为DNA分子
B. 基因工程可生产自然界不存在的蛋白质
C. 蛋白质工程需依赖基因工程获取目标蛋白
D. 蛋白质工程不涉及遗传信息的改变
答案：C
解析：蛋白质工程需先通过基因工程获得改造后的基因并表达出蛋白质（C正确）。操作对象上，基因工程操作DNA，蛋白质工程操作基因（A错误）；基因工程仅能生产天然蛋白质（B错误）；蛋白质工程通过改变基因序列实现遗传信息修改（D错误）。
课堂练习
C
9、利用蛋白质工程改造枯草杆菌蛋白酶的目的是（　　）
A. 提高其抗菌活性
B. 增强耐高温或耐酸碱性能
C. 使其可降解塑料
D. 增加对哺乳动物细胞的毒性
答案：B
解析：枯草杆菌蛋白酶广泛用于洗涤剂和丝绸工业，但其天然形态在极端环境下易失活。通过蛋白质工程改造（如突变体筛选），可提高酶的稳定性（如耐高温、耐碱性），满足工业需求（B）。该酶非抗菌蛋白（A）或塑料降解酶（C）。
课堂练习
B
谢谢观看
Thank you

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