3.4+蛋白质工程的原理和应用-2023-2024学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第三章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用目录/CONTENTS01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04习题检测学习目标：1.说出蛋白质工程崛起的缘由。2.概述蛋白质工程的基本原理。3.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。新课导入下图是用发出不同颜色荧光的细菌“西画”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。思考：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01一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由想一想：如何让细菌能发出荧光？荧光蛋白基因细菌荧光蛋白导入荧光蛋白基因表达基因工程：基因工程实质：基因工程是将一种生物的

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

，进而表现出

。基因蛋白质新性状基因重组一、蛋白质工程崛起的缘由自然界中存在的荧光蛋白只有绿色荧光蛋白，能否通过基因工程，获得黄色荧光蛋白呢？不能①基因工程不足：原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的

符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合

的需要。②天然蛋白质的不足:结构和功能人类生产和生活蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由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：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：②手段：③结果：④目的：蛋白质的结构规律与生物功能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满足人类生产和生活需求蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的，又叫作第二代基因工程。思考：蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？一、蛋白质工程崛起的缘由实例：提高玉米中赖氨酸的含量来满足人类生活需求。蛋白质工程手段：玉米中赖氨酸合成受两种关键酶：天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶影响，改造这两种酶，使赖氨酸含量提高。天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶+赖氨酸合成（＋）赖氨酸含量达到一定浓度（－）（－）天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶+赖氨酸合成（＋）赖氨酸含量提高第352位苏氨酸变成异亮氨酸第104位天冬酰胺变成异亮氨酸↑5倍↑2倍改造前改造后目录02二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理★1.蛋白质工程的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.蛋白质工程的实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。

思考：蛋白质工程是直接对蛋白质分子进行改造吗？不是一、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？原因：①任何一种天然蛋白质都是由

编码的，改造了

即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。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的。②对

进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。基因基因基因二、蛋白质工程的基本原理★1.蛋白质工程的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.蛋白质工程的实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。3.天然蛋白质合成的过程天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。

基因→表达（转录和翻译）→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。而蛋白质工程却与之相反！二、蛋白质工程的基本原理目的基因转录mRNA翻译多肽链折叠蛋白质（三维结构）行使生物功能预期功能设计推测改造或合成①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质★4.蛋白质工程的基本思路二、蛋白质工程的基本原理★4.蛋白质工程的基本思路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。①蛋白质工程是在分子水平上进行②蛋白质工程的基本思路是按照中心法则相反进行①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质资料分析：在正常人体内，血液中胰岛素的含量通常在进食后30-60分钟就达到高峰，而目前使用的基因工程生产的胰岛素制剂，注射120分钟才出现高峰。科学家研究发现，天然胰岛素分子容易聚合成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往需要经历一个逐渐解聚为单体的过程。①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术手段，充分了解胰岛素的空间结构。人胰岛素结构①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质B28脯氨酸B29赖氨酸研究发现，调换胰岛素B链B28脯氨酸和29位B29赖氨酸，或者将B28脯氨酸替换为天冬氨酸，可以保持天然胰岛素的主要构象，同时能降低分子自聚力，显著抑制单聚体聚集，大大增加了吸收速率。①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质天然胰岛素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B28B29思考：如何找到对应的脱氧核苷酸序列呢？①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸……查密码子表思考：mRNA序列有几种脱氧核苷酸序列有？4×1×2×2×2=32种32种①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸……查密码子表……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列：GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G）UUU(或C)mRNA序列：脱氧核苷酸序列：GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质脱氧核苷酸序列：GCTTGGAAAGAATTTCGAACCTTTCTTAAA思考1：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？（1）确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或从基因文库中获取、PCR技术扩增；（2）应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因；思考2：然后如何获得所需蛋白质呢？改造后得到的基因序列通过PCR扩增后，通过基因工程技术获得转基因生物。从而生产出所需蛋白。二、蛋白质工程的基本原理补充：基因的定点突变技术——重叠延伸PCR技术①该过程需要______种引物；②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果；③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果；④产物AD的形成需要引物吗？___________________________________⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上⑥引物b和引物c之间有什么关系？__________________________________⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___和引物___4abcdbc引物b和引物c应有部分碱基互补的关系ad不需要，但需要耐高温的DNA聚合酶二、蛋白质工程的基本原理补充：基因的定点突变技术——重叠延伸PCR技术重叠延伸PCR技术：一项重要的基因定点突变技术，其主要设计思路是用具有互补配对片段的引物(图中的引物2和3，突起处代表与模板链不能互补的突变位点)，分别进行PCR，获得有重叠链的两种DNA片段，再在随后的扩增反应中通过重叠链的延伸获得想要的目的基因。二、蛋白质工程的基本原理补充：基因的定点突变技术——重叠延伸PCR技术二、蛋白质工程的基本原理补充：基因的定点突变技术——重叠延伸PCR技术(1)由以上事例可知，要对蛋白质的结构进行改造，需要通过_________________________来完成。(2)若拟突变位点的碱基对为A—T，则需要让其突变为____________才能达到目的。引物2的突变位点(突起处)应设计为_______(假设引物为单链DNA)。改造基因(基因定点突变)T—A或C—GA或G二、蛋白质工程的基本原理补充：基因的定点突变技术——重叠延伸PCR技术(3)在第一阶段获得两种具有重叠片段DNA的过程中，引物1、引物2组成的反应系统和引物3、引物4组成的反应系统中均进行一次复制，共产生____种DNA分子。该阶段必须将引物1、2和引物3、4置于不同反应系统中，这是因为__________________________________________________________________________________3引物2和3中存在互补配对片段，置于同一反应系统时它们会发生结合而失去作用。二、蛋白质工程的基本原理补充：基因的定点突变技术——重叠延伸PCR技术(4)利用重叠延伸PCR技术还可以将两个不同来源的DNA片段拼接起来。有人想利用该技术把基因M和N拼接在一起，设计基因M的引物M1、M2，基因N的引物N1、N2。在设计这4种引物时，特别要注意的问题是_________________________________________________________________________________。M1、M2中的一种引物与N1、N2中的一种引物必须具有互补配对的片段二、蛋白质工程的基本原理(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__________。(填写数字)(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①______；

②______；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是______的。④⑤①②③转录翻译折叠推测改造合成根据人们对蛋白质功能的特定需求，基因改造或基因合成相反对蛋白质的结构进行分子设计例：下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：目录03三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面（1）研发速效胰岛素类似物天然蛋白质易形成二聚体或六聚体预期功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第20～29位氨基酸组成改造新胰岛素基因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推测序列转录mRNA翻译多肽链行使功能速效胰岛素类似物预期结构折叠等阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面（2）延长干扰素体外保存时间干扰素（半胱氨酸）干扰素（丝氨酸）改造UGU、UGCAGU、AGCDNAmRNATGT(或C)ACA(或G)

AGT(或C)TCA(或G)

对编码干扰素分子的基因进行改造时，利用什么技术进行碱基的替换？基因定点突变技术干扰素是人或动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症。但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在零下70℃的条件下，可以保存半年。三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面（2）延长干扰素体外保存时间干扰素是人或动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症。但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在零下70℃的条件下，可以保存半年。天然干扰素不易保存改造新干扰素基因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预期结构转录mRNA折叠翻译多肽链行使功能在-70℃下可以保存半年三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，降低治疗效果。科学家通过改造基因，将小鼠单克隆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，降低了诱发人体免疫反应的强度。三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面（4）提高蛋白质的热稳定性第3位上的异亮氨酸半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成-s-s-三、蛋白质工程的应用2.其他工业方面广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如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。枯草杆菌蛋白酶三、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。三、蛋白质工程的应用3.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。设计优良微生物农药（如苏云金杆菌-Bt杀虫蛋白）伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药二、蛋白质工程的基本原理蛋白质工程是一项难度很大的工程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。目前对其了解还很不够，还需探索。要设计出更符合人类需要的蛋白质还需不断地攻坚克难。随着科技的发展，蛋白质工程将会给人带来更多的福祉。①

面临的问题★②难度大的原因前景展望４.蛋白质工程面临的问题三、蛋白质工程的应用比较项目蛋白质工程基因工程相同操作对象操作水平区别操作流程结果实质联系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目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定通过改造或合成基因定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品创造出自然界不存在的蛋白质生产出自然界已有的蛋白质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基因DNA分子水平三、蛋白质工程的应用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思考：如何判断一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？三、蛋白质工程的应用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、研发新型农药习题检测(1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质(

)(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的(

)(3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大(

)(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性(

)√××√习题检测一、概念检测1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作（

）（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（

）（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（

）××√习题检测2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基