蛋白質工程的原理和應用高二—人教版—生物學選擇性必修3—第3章廣州市協和中學

李麗用細菌“畫”的畫1.科學家利用了什么技術讓細菌能夠發出熒光?2.綠色熒光蛋白來源于一種發光水母，科學家通過改造綠

色熒光蛋白，獲得了能發出其他顏色熒光的蛋白，才“畫”

出了色彩斑斕的圖案?？茖W家如何對天然的綠色熒光蛋白

進行改造?利用基因工程技術使細菌表達了熒光蛋白。對蛋白質分子的設計和改造是通過蛋白質工程來實現的。思考：一、蛋白質工程的概念

蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。

蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程。1.與基因工程的關系:2.相關學科及技術：分子生物學、晶體學和計算機技術等。實例：對天然酶的改造賴氨酸天冬氨酸激酶（含量低）二氫吡啶二羧酸合成酶玉米促進促進抑制抑制改造后的天冬氨酸激酶異亮氨酸（352位）蘇氨酸（352位）變為異亮氨酸（104位）天冬酰胺（104位）改造后的二氫吡啶二羧酸合成酶變為玉米賴氨酸（含量提高5倍）促進（含量提高2倍）賴氨酸玉米促進二、蛋白質工程崛起的緣由將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。1.基因工程的實質：2.基因工程的局限性：只能生產自然界中已存在的蛋白質。3.天然蛋白質的不足：天然蛋白質是生物長期進化過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。二、蛋白質工程崛起的緣由1.蛋白質工程的目標

根據人們對蛋白質功能的特定需求，因此要對蛋白質的結構進行設計改造。

改造或合成基因（來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質）。三、蛋白質工程的基本原理2.蛋白質工程的實質思考：為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？①蛋白質的高級結構十分復雜，直接改造難度大；②蛋白質是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質；③基因可以遺傳，蛋白質無法遺傳。

水蛭素是一種蛋白質，可用于預防和治療血栓。研究人員發現，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項替換研究中，目前可行的直接操作對象是(

)A.基因

B．氨基酸C.多肽鏈

D.蛋白質A3.蛋白質工程流程圖三、蛋白質工程的基本原理預期功能生物功能分子設計折疊DNA合成翻譯轉錄基因DNA蛋白質結構氨基酸序列mRNA下圖為蛋白質工程操作的基本思路，請據圖回答下列問題：（1）代表蛋白質工程操作思路的過程是_____；代表中心法則內容的是________。(填寫數字)（2）寫出圖中各數字代表的生物學過程的名稱或內容：①______；②______；③______；④______；⑤__________。（3）蛋白質工程的目的是____________________________________________________________，通過___________________實現。（4）從圖中可以看出蛋白質工程的基本途徑與中心法則是______的。④⑤①②③轉錄翻譯折疊推測改造合成根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計基因改造或基因合成相反蛋白質工程基本思路的應用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請把相應的堿基序列寫出來。查密碼子表mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）丙氨酸：GCU\GCC\GCA\GCG色氨酸：UGG賴氨酸：AAA\AAG谷氨酸：GAA\GAG苯丙氨酸：UUU\UUC2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？

人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等。蛋白質工程基本思路的應用小結：如何判斷一個操作是基因工程還是蛋白質工程？是否合成新的基因蛋白質工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質工程基因工程看蛋白質看基因是否為天然蛋白質是否蛋白質工程基因工程鐮刀型細胞貧血癥是一種單基因遺傳病，患者的血紅蛋白分子β-肽鏈第6位氨基酸谷氨酸被纈氨酸代替，導致功能異常?；卮鹣铝袉栴}：(1)異常血紅蛋白的氨基酸序列改變的根本原因是編碼血紅蛋白基因的____________序列發生改變。(2)將正常的血紅蛋白基因導入患者的骨髓造血干細胞中，可以合成正常的血紅蛋白達到治療的目的。此操作_______(填“屬于”或“不屬于”)蛋白質工程，理由是該操作___________________________________________。堿基不屬于沒有對現有蛋白質進行改造

蛋白質工程是在深入了解蛋白質分子的結構與功能關系的基礎上進行的，它最終要達到的目的是

（

）A.分析蛋白質的三維結構。

B.研究蛋白質的氨基酸組成。C.獲取編碼蛋白質的基因序列信息。D.改造現有蛋白質或制造新的蛋白質，滿足人類的需求。D1.研發速效胰島素類似物天然蛋白質易形成二聚體或六聚體預期結構改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或將它與B29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設計結構改變B鏈第20-29位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合四、蛋白質工程的應用2.延長干擾素體外保存時間天然干擾素不易保存預期結構改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能延長保存時間設計結構氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年四、蛋白質工程的應用1.研發速效胰島素類似物3.降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫

反應通過改造基因，將小鼠抗體上結合抗原的區域（即可變區）“嫁接”到人的抗體（即恒定區）上，經過這樣改造的抗體誘發免疫反應的強度就會降低很多。四、蛋白質工程的應用2.延長干擾素體外保存時間1.研發速效胰島素類似物四、蛋白質工程的應用①

改進酶的性能或開發新的工業用酶；②

改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用

的速率，增加糧食的產量；③

改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。4.其他3.降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應2.延長干擾素體外保存時間1.研發速效胰島素類似物下列關于蛋白質工程的說法，錯誤的是(

)A.蛋白質工程的崛起符合工業生產和基礎理論研究的需要。B.蛋白質工程可對酶的催化活性、抗氧化性等加以改變。C.理論上對關鍵氨基酸的置換與增刪是進行蛋白質工程的唯一方法。D.蛋白質工程能將人抗體的某些區段替代鼠單克隆抗體的區段，降低鼠單克隆抗體誘發免疫反應的強度。C蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要原因是：_____________________________

________________________________________________________五、蛋白質工程現狀蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜。三級結構一級結構四級結構二級結構小結蛋白質工程的原理和應用五、蛋白質工程現狀一、蛋白質工程的概念二、蛋白質工程崛起的緣由三、蛋白質工程的基本原理四、蛋白質工程的應用1.與基因工程的關系2.相關學科及技術1.基因工程的實質2.基因工程的局限性3.天然蛋白質的不足1.蛋白質工程的目標2.蛋白質工程的實質3.蛋白質工程流程圖3.降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應2.延長干擾素體外保存時間1.研發速效胰島素類似物4.其他謝謝觀看！蛋白質工程的原理和應用(答疑）高二—人教版—生物學選擇性必修3—第3章廣州市協和中學

李麗能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產人類所需要的蛋白質食品呢？

理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產人類需要的蛋白質，但這些蛋白質往往都是自然界中已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來的、自然界中不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對大多數蛋白質的高級結構和蛋白質在生物體內如何行使功能了解得還不夠，很難設計出一個全新的而又具有功能的蛋白質。即使設計并獲得了一個全新的蛋白質，它的生理生化特性、用它生產的蛋白質食品的安全性等都需要長期深入的研究。T4溶菌酶是一種重要的工業用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結構進行了研究。然后以此為依據對相關基因進行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變為半胱氨酸。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項工作屬于什么工程的范疇？

。

在該實例中引起T4溶菌酶空間結構發生改變的根本原因是什么？

如果要將該研究成果應用到生產實踐，還需要做哪些方面的工作？

如果要將該研究成果應用到生產實踐，還有很多工作要做，例如由于改造后酶的空間結構發生了改變，因此它的一些基本特性需要重新明確，包括它的穩定性、能耐受的溫度范圍、催化反應的最適溫度、酶活力的大小等，需要建立規?；a該酶的技術體系，評估生產成本等。蛋白質工程

基因的堿基序列發生改變。

干擾素是動物體內合成的一種蛋白質，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當困難，如果將其分子中的一個半胱氨酸變成絲氨酸，就可以在－70℃條件下保存半年，給廣大患者帶來了福音。（1）蛋白質的合成是受基因控制的，因此獲得能夠控制合成“可以保存的干擾素”的基因是生產的關鍵，依據蛋白質工程原理，設計實驗流程，讓動物生產“可以保存的干擾素”：預期的蛋白質功能預期的蛋白質結構應有的氨基酸序列相對應的脫氧核苷酸序列（基因）

干擾素是動物體內合成的一種蛋白質，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當困難，如果將其分子中的一個半胱氨酸變成絲氨酸，就可以在－70℃條件下保存半年，給廣大患者帶來了福音。（2）基因工程和蛋白質工程相比較，基因工程在原則上只能生產________的蛋白質，不一定符合

的需要。而蛋白質工程是以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系為基礎，通過

或

，對現有蛋白質進行________，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活需要。自然界已存在

人類生產和生活

基因修飾基因合成改造（3）蛋白質工程實施的難度很大，原因是蛋白質具有十分復雜的________結構?？臻g（或高級）

干擾素是動物體內合成的一種蛋白質，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當困難，如果將其分子中的一個半胱氨酸變成絲氨酸，就可以在－70℃