3.4蛋白质工程的原理和应用课件高二下学期生物人教版选择性必修3

目录/CONTENTS01发酵工程02细胞工程03基因工程04生物技术的安全性与伦理问题第3章

基因工程第4节

蛋白质工程的原理和应用学习目标目标010203尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。（科学思维）说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。（生命观念）尝试运用逆向思维分析和解决问题。（社会责任）视频：细菌画画

细菌画画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？

从社会中来

对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。绿色荧光蛋白基因控制（转基因）绿色荧光蛋白基因工程的局限性：

只能生产自然界中已存在的蛋白质。这些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。基因工程的实质:

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。蛋白质工程崛起的缘由一蛋白质工程的概念及其理解二（1）困难：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。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，是涉及多学科的综合科技工程。（2）与基因工程的联系：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。蛋白质工程概念：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。

问题：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？实例：提高玉米赖氨酸含量

：天冬氨酸

二氢吡啶二羧激酶

酸合成酶赖氨酸含量思考：蛋白质工程是怎样进行的呢?基本原理是什么?调控赖氨酸合成达到一定浓度抑制两种酶的活性提高

限制104位的天冬酰胺变成异亮氨酸提高提高2倍352位的苏氨酸

变成异亮氨酸提高十蛋白质工程的基本思路二基因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天然蛋白质合成按照中心法则进行蛋白质工程的基本思路二预期功能生物功能设计推测改造或合成行使折叠目的基因转录mRNA翻译多肽链蛋白质(三维结构)思路逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反。预期的蛋白质功能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思路：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。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）。推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）进一步推知脱氧核苷酸序列为：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）思考·讨论—教材P94共32

种可能序列任务：基因工程和蛋白质工程2.如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列

(填“唯一”或“不唯一”)，理由是______________________

。不唯一一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因中的碱基序列有多种探究—学习笔记P73不同的生物密码子基本相同，即共用一套密码子。丙氨酸…………色氨酸赖氨酸苯丙氨酸讨论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？某多肽链的一段氨基酸序列是：3.确定目的基因的碱基序列后，可以

合成目的基因，或应用______

来进行碱基的替换等进而改造基因。探究—学习笔记P73人工基因的定点突变技术蛋白质工程的实例实例：提高水蛭素的抗凝血效率水蛭素第47位天冬酰胺改造成赖氨酸或精氨酸，以此来提高抗凝血效率，可提高4倍。

水蛭素是自然界存在的最强抗凝血物质，

在防治心脑血管疾病和抗癌方面等具有特效。蛋白质工程的基本思路二蛋白质工程的基本思路二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蛋白质工程的基本思路二蛋白质工程和基因工程的比较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?视频：蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用三1.研发速效胰岛素(1)原因：天然胰岛素见效慢，是因为天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，发挥作用。医药工业方面六聚体二聚体单体蛋白质工程的应用三(2)研究进展：

研究人员发现，人胰岛素B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域。

科学家通过改造胰岛素基因使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合。B20B29B28蛋白质工程的应用三(3)解决办法：将胰岛素基因中编码第28位的脯氨酸的碱基序列替换为编码天冬氨酸的碱基序列改造胰岛素基因将胰岛素基因中编码第28位脯氨酸的碱基序列与编码第29位天冬氨酸的碱基序列对换天然胰岛素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PCR定点突变技术在基因改造中的应用蛋白质工程通过改造基因实现对蛋白质的定向改造。PCR定点突变技术是最常用的基因定点突变技术，通过设计含有非特异性配对碱基的引物，再通过PCR将突变位点引入产物中，它又可以分为重叠延伸PCR、大引物PCR等。拓展延伸—学习笔记P74天然胰岛素B链部分氨基酸序列：酪氨酸苏氨酸脯氨酸赖氨酸苏氨酸设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29mRNAmRNA翻译翻译转录天然胰岛素对应的部分基因：改造后应得到的基因序列：转录天然胰岛素对应的部分基因：待突变位点常规下游引物突变上游引物进行PCR产物作为下一轮PCR的大引物产物作为下一轮PCR的大引物进行PCR待突变位点下游大引物常规上游引物待突变位点下游大引物常规上游引物进行PCR天然胰岛素对应的部分基因：待突变位点PCR合成的人胰岛素突变基因PCR定点突变技术在基因改造中的应用(2)大引物PCR的流程如图2所示。该技术需要用到三条引物进行两轮PCR，这三条引物分别是突变上游引物、常规上游引物和常规下游引物。第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增，得到不完整的含有突变位点的DNA片段；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条DNA链作为下游大引物，它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。拓展延伸—学习笔记P74(1)重叠延伸PCR是发展最早的PCR定点突变技术。该技术的流程如图1所示。该技术要使用四条引物。其中引物2和3的突起处代表与模板链不能互补的突变位点，而这两条引物有部分碱基(包括突变位点)是可以互补的。因此，分别利用引物1和2、引物3和4进行PCR后，得到的DNA片段可以通过引物2和3互补的碱基杂交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成为一个完整的DNA。最后，用引物1和4进行扩增得到含有突变位点的DNA片段。通过测序可以检验定点突变是否成功。拓展延伸—学习笔记P74四、蛋白质工程的应用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℃下可以保存半年将干扰素分子上的一个

变成

，在一定条件下，可以延长保存时间。半胱氨酸丝氨酸半胱氨酸丝氨酸蛋白质工程的应用三医药工业方面2.延长干扰素体外保存时间四、蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用三医药工业方面3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应抗体的基本结构是一个Y型的四肽链，由完全相同的两条重链（Heavychain，H链）和相同的两条轻链（Lightchain，L链）组成。重链和轻链是根据它们分子量大小来命名的，其相对分子质量分别约为50-75kDa和25kDa。在结构上，重链和重链之间、重链和轻链之间以二硫键相连，结合成一个轻重链配对的对称分子。轻链重链二硫键可变区恒定区四、蛋白质工程的应用解决办法：通过_________，将小鼠抗体上________的区域（即________）“嫁接”到_________（即_______）上，经过这样改造的抗体__________________________；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。改造基因结合抗原可变区人的抗体恒定区诱发免疫反应的强度就会降低很多蛋白质工程的应用三医药工业方面3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应四、蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用三其他工业方面（1）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，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体，筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，提高这种酶的使用价值。广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。枯草杆菌四、蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用三其他工业方面（2）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。广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。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，提高了T4溶菌酶的耐热性。四、蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用三农业方面（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。四、蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用三农业方面（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。蛋白质工程的应用三五、蛋白质工程难度很大的原因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，而这种高级结构往往十分复杂。蛋白质工程小结四蛋白质工程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1.科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述不正确的是(

)A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用B．可通过测定DNA的序列确定突变是否成功C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程D．该过程的操作对象是胰岛素分子D

蛋白质工程从属于基因工程，蛋白质工程的操作对象是基因考点训练

2.扰素在体外保存非常困难。干扰素由166个氨基酸组成，如果将其分子上第17位的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在70℃的条件下可以保存半年。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，下列思路最可行的是(

)A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因C．直接改造mRNA，进行密码子的替换D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换蛋白质工程的目的是改造蛋白质，但其方法是通过改造或合成基因来实现的，而不是直接改造氨基酸；若直接改造mRNA，可获得改造后的蛋白质，但不能遗传、不能复制。考点训练

考点训练

3.β-葡聚糖酶是一种在酒类、饲料等行业中具有重要用途的工业用酶。为提高β-葡聚糖酶的催化活性，科学家将其第20位、117位和165位赖氨酸突变为丝氨酸。下列有关叙述错误的是（

）A.改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强B.改造后的β-葡聚糖酶空间结构发生了改变C.对β-葡聚糖酶结构的改造属于蛋白质工程D.可通过DNA分子测序法检测突变是否成功不能得出改造后的β-葡聚糖酶的耐酸碱能力增强考点训练

4.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆