《蛋白质工程的原理和应用》课件

第4节蛋白质工程的原理和应用第3章基因工程从社会中来发荧光的细菌

右图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。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。属第二代基因工程，已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于农业、医药工业和其他工业生产中。

一、蛋白质工程崛起的缘由1．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。

2．基因工程的不足原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。

3．蛋白质工程崛起的缘由

天然蛋白质是生物在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。

////////////你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？////////////？

二、蛋白质工程基本原理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，定向改造或生产人类所需蛋白质。

3．蛋白质工程的常用技术

计算机技术、晶体学技术、基因的定点突变技术等。

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。

二、蛋白质工程基本原理蛋白质工程基本思路的应用

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－……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。思考·讨论？首先根据密码子推出mRNA序列：…GCU(C/A/G)-UGG-AAA(G)-GAA(G)-UUU(C)…可以排列出32种。再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列：…CGA(G/T/C)-ACC-TTT(C)-CTT(C)-AAA(G)…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？

确定目的基因的序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。

三、蛋白质工程的应用

1．在医药工业方面

⑴研发速效胰岛素类似物⑵干扰素体外保存

⑶降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应

科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。天然胰岛素易形成二聚体或六聚体B29位（脯氨酸）、B28位（赖氨酸）B28位（天冬氨酸）B29位（赖氨酸）、B28位（脯氨酸）速效胰岛素类似物聚合作用降低，起效快只改造B28位交换改造胰岛素基因干扰素（丝氨酸）天然干扰素（半胱氨酸）改造

三、蛋白质工程的应用

2．在其他工业方面

改进酶的性能或开发新的工业酶。

3．在农业方面

⑴改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。

⑵设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，使其防治病虫害的效果增强。

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。科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。练一练1．下列关于蛋白质工程的说法，不正确的是（）A．蛋白质工程能将人抗体的某些区段替代鼠单克隆抗体的某些区段，降低人对鼠单克隆抗体的免疫反应B．蛋白质工程可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性等加以改变C．理论上通过对关键氨基酸的转换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法D．蛋白质工程的崛起的原因主要是工业生产和基础理论研究的需要C练一练2．基因工程与蛋白质工程的区别是（）A．基因工程需对基因进行分子水平的操作，蛋白质工程不对基因进行操作B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程合成的不是天然存在的蛋白质C．基因工程是分子水平的操作，蛋白质工程是细胞水平（或性状水平）的操作D．基因工程完全不同于蛋白质工程B练一练3．干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70℃下保存半年，给广大患者带来福音。（1）蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”。（2）和蛋白质工程相比，基因工程在原则上只能生产_____________的蛋白质，不一定符合人类生产和生活的需要。而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过______或_________，来______现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。蛋白质三维结构预期蛋白质的功能应有的氨基酸序列相应的脱氧核苷酸序列（基因）设计推测合成自然界已存在改造合成基因改造练一练3．干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70℃下保存半年，给广大患者带来福音。（3）蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的_______结构。（4）对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？________________________。原因是______________________________________________。（5）若要利用大肠杆菌生产干扰素，则需用到的生物工程有____________、_________和发酵工程。空间通过对基因的操作来实现基因控制蛋白质的合成，并且基因能遗传给下一代蛋白质工程基因工程12345678910111213141516A级必备知识基础练1.合成天然不存在的蛋白质最终需要改造的核心是(

)A.基因结构

B.RNA结构C.氨基酸序列

D.蛋白质结构A解析

合成自然界不存在的蛋白质属于蛋白质工程,应根据蛋白质功能,从设计蛋白质结构入手,然后通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造出一种新的蛋白质,因此合成天然不存在的蛋白质,最终需要改造的核心是基因结构。123456789101112131415162.蛋白质工程的主要流程顺序正确的是(

)①蛋白质分子结构设计②DNA改造或合成③预期蛋白质功能④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A.①→②→③→④B.④→②→①→③C.③→①→④→②D.③→④→①→②C解析

蛋白质工程的基本流程:③预期蛋白质功能→①蛋白质分子结构设计→④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列→②DNA改造或合成。123456789101112131415163.科学家为提高玉米中赖氨酸的含量,计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸。为此,下列操作正确的是(

)A.直接改造这两种酶的空间结构B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变D.利用蛋白质工程技术,对控制这两种酶合成的基因进行改造D解析

蛋白质工程的操作对象是基因,应对控制这两种酶合成的基因进行改造,D项正确。123456789101112131415164.下图为蛋白质工程的流程图,下列说法正确的是(

)A.利用蛋白质工程制造出的蛋白质都是自然界本来就有的B.蛋白质工程是一项完全摆脱基因工程技术的全新的生物工程技术C.过程a、b分别是转录、翻译D.蛋白质工程不可能构建出一种新的基因C12345678910111213141516解析

基因工程原则上只能生产自然界已经存在的蛋白质,蛋白质工程可以生产自然界中不存在的蛋白质,A项错误;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,B项错误;据图可知,过程a、b分别是转录、翻译,C项正确;蛋白质工程中可根据预期蛋白质的结构构建出一种全新的基因,D项错误。123456789101112131415165.基因工程和蛋白质工程技术有很大的应用价值,可用于医药及其他工农业生产中。下列关于基因工程和蛋白质工程的叙述,正确的是(

)A.蛋白质工程的操作对象是蛋白质,不需要酶和载体作为工具B.目的基因的检测与鉴定是培育转基因生物过程中的核心环节C.基因工程操作中所用质粒都是来自细菌细胞中天然的质粒D.PCR扩增相关目的基因时,子链的合成方向是5'端到3'端D解析

蛋白质工程操作对象是基因,需要酶和载体作为工具,A项错误;基因表达载体的构建是培育转基因生物过程中的核心环节,B项错误;基因工程操作中所用质粒是经人工改造后的质粒,C项错误;PCR扩增目的基因时,合成DNA子链的方向是从5'端到3'端,D项正确。123456789101112131415166.[浙江杭州高二期中]下列关于蛋白质工程及其应用的叙述,正确的是(

)A.能定向改造蛋白质分子结构,使之更加符合人类需要B.实质是通过改变氨基酸的结构改变蛋白质的功能C.核心操作是DNA上的基因进行增添、替换、删除D.蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术A12345678910111213141516解析

蛋白质工程能按照人们的意愿定向改造蛋白质分子结构,使之更加符合人类需要,A项正确;蛋白质工程的实质是通过改变基因来改变蛋白质的结构和功能,B项错误;对DNA上的基因进行增添、替换、删除是基因突变,而蛋白质工程是以基因工程为基础的,核心操作是对基因的改造或合成,C项错误;蛋白质工程是第二代基因工程,蛋白质工程的实现离不开基因工程,D项错误。123456789101112131415167.科研人员以β-甘露葡萄糖酶为核心研究材料,在其N端找到了两个关键的氨基酸位点,将这两个位点的组氨酸和脯氨酸分别替换为酪氨酸后,其热稳定性得到了显著提高。下列说法正确的是(

)A.细胞内合成改造后的热稳定性蛋白质的过程不遵循中心法则B.替换蛋白质中的氨基酸实际可通过改造基因中的碱基序列实现C.在分子水平上,可利用PCR等技术检测细胞内是否合成新的目的蛋白质D.制备过程中应先获得目标蛋白质的三维结构,再预期其生物学功能B12345678910111213141516解析

细胞内蛋白质的合成过程都遵循中心法则,A项错误;蛋白质是DNA经过转录、翻译得到的,所以替换蛋白质中的氨基酸实际可通过改造基因中的碱基序列实现,B项正确;PCR等技术能检测目的基因是否导入细胞或是否转录,检测细胞内是否合成新的蛋白质可使用抗原─抗体杂交法,C项错误;蛋白质工程的制备过程中要先预期目标蛋白质的生物学功能,再设计获得该蛋白质的三维结构,D项错误。123456789101112131415168.已知生物体内有一种转运蛋白Y,如果将蛋白Y中某一个氨基酸替换,改变后的蛋白质Y1不但保留了蛋白Y原有的功能,而且具备了酶的催化功能。下列说法正确的是(

)A.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异B.可以通过对蛋白Y基因改造或人工合成获得蛋白Y1基因C.蛋白质工程操作过程中,不需要酶和载体D.细胞内合成蛋白Y1与蛋白Y的过程中,遗传信息的流向是相反的B12345678910111213141516解析

蛋白质工程和基因工程的根本区别是蛋白质工程可制造出自然界没有的蛋白质,A项错误;蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,因此可以通过对蛋白Y基因改造或人工合成获得蛋白Y1基因,B项正确;蛋白质工程操作过程中,需要酶和载体作为工具,C项错误;细胞内合成蛋白Y1与蛋白Y的过程中,遗传信息的流向是相同的,D项错误。123456789101112131415169.科研人员利用不同算法,可依据蛋白质结构预测其功能。下列有关说法错误的是(

)A.将未知蛋白质与已知蛋白质的氨基酸序列进行对比分析可以预测蛋白质的功能B.通过三维结构对比可以判断两个蛋白质是否有相似的功能C.核苷酸序列发生突变,其编码的蛋白质功能就会发生改变D.可根据蛋白质结构相似程度判断物种间亲缘关系的远近C12345678910111213141516解析

蛋白质的功能主要由其三维结构决定,而其三维结构与氨基酸序列有关,所以将未知蛋白质与已知蛋白质的氨基酸序列进行对比分析可以预测蛋白质的功能,A项正确;蛋白质的功能主要由其三维结构决定,所以通过三维结构对比可以判断两个蛋白质是否有相似的功能,B项正确;由于密码子具有简并性,核苷酸序列发生突变,其编码的蛋白质功能不一定发生改变,C项错误;蛋白质结构相似程度越高,生物之间的相似性越大,亲缘关系越近,因此可根据蛋白质结构相似程度判断物种间亲缘关系的远近,D项正确。1234567891011121314151610.胰岛素可用于治疗糖尿病,但胰岛素注射后易在皮下堆积,需较长时间才能进入血液,进入血液后又易被分解,因此治疗效果受到影响。下图是新的速效胰岛素的生产过程,回答下列问题。12345678910111213141516(1)新的胰岛素生产过程属于

工程,该工程的操作步骤为

(用图示序号表示)。

(2)获取新的胰岛素基因除图示方法外,还可以通过

获得;在体外利用PCR技术对人工合成的新的胰岛素基因进行扩增时,需向反应体系中加入TaqDNA聚合酶,该酶的作用是___________________________________________________________________________________________________________,作用的温度为

。

(3)在大肠杆菌细胞中合成的新的胰岛素,需通过生化制备与重折叠才具备预期的功能,原因是______________________________________________

。

蛋白质④→⑤→①→②→③基因改造原则,将脱氧核苷酸逐个加到引物上延伸DNA分子,从而形成一条子链DNA以DNA为模板,根据碱基互补配对

72℃左右大肠杆菌是原核生物,没有内质网和高尔基体,不能对蛋白质进行加工12345678910111213141516解析

(1)新的胰岛素生产过程属于蛋白质工程,图中所示该工程的操作步骤为④→⑤→①→②→③。(2)获取新的胰岛素基因除图示的人工合成方法外,还可以通过基因改造获得;在体外利用PCR技术对人工合成的新的胰岛素基因进行扩增时,需向反应体系中加入Taq

DNA聚合酶,该酶是耐高温的DNA聚合酶,其作用是以DNA为模板,根据碱基互补配对原则,将脱氧核苷酸逐个加到引物上延伸DNA分子,从而形成一条子链DNA。Taq

DNA聚合酶作用的温度为72

℃左右。(3)在大肠杆菌细胞中合成的新的胰岛素,需通过生化制备与重折叠才具备预期的功能,原因是大肠杆菌是原核生物,没有内质网和高尔基体,不能对蛋白质进行加工,因此得到的人胰岛素需要体外加工才具有生物活性。12345678910111213141516B级能力素养提升练11.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C12345678910111213141516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项错误;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种类可能不变,B项错误;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项正确;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,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,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项错误。1234567891011121314151612.基因定点突变的目的是通过定向地改变基因内一个或少数几个碱基来改变多肽链上一个或几个氨基酸。该技术是蛋白质工程的重要技术。下图为利用PCR技术进行定点突变的流程,相关叙述错误的是(

)12345678910111213141516A.由于基因决定蛋白质,因此要对蛋白质的结构进行设计改造,最终还必须通过改造或合成基因来完成B.酶①应为耐高温DNA聚合酶,引物X和Y应该为引物2和4C.可以将引物1、引物2、引物3和引物4置于同一个反应系统中同时进行第一个阶段的反应,进而缩短实验时间D.利用图示流程技术可以将两个不同的基因拼接到一起答案

C12345678910111213141516解析

基因控制蛋白质的合成,因此要对蛋白质的结构进行设计改造,最终还必须通过改造或合成基因来完成,A项正确;酶①要在高温条件下延伸DNA,所以酶①为耐高温的DNA聚合酶,由图可知,要得到两条链一样长的DNA单链,应选择引物2和引物4,所以引物X和Y应该为引物2和4,B项正确;由图可知,引物1和引物3存在互补配对片段,置于同一个反应系统时它们会发生结合而失去作用,C项错误;图示的过程为重叠延伸PCR技术,利用重叠互补引物将两个不同的基因拼接到一起,D项正确。1234567891011121314151613.[多选][黑龙江大庆高二月考]枯草杆菌蛋白酶应用于洗涤剂、制革及丝绸工业。某研究小组利用蛋白质工程将该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸,结果发现该酶的催化活性大幅度提高。下列叙述正确的是(

)A.对枯草杆菌蛋白酶进行改造通过直接改造蛋白酶的分子结构来实现B.通过基因工程和蛋白质工程生产的枯草杆菌蛋白酶的氨基酸序列相同C.改造后的枯草杆菌蛋白酶空间结构可能发生改变导致其催化活性提高D.对枯草杆菌蛋白酶进行分子设计必须从预期蛋白酶的功能特点入手CD12345678910111213141516解析

对枯草杆菌蛋白酶进行改造通过基因来实现,A项错误;基因工程生产的蛋白质是自然界已有的蛋白质,而蛋白质工程能生产出自然界中不存在的新型蛋白质分子,两者的氨基酸序列不同,B项错误;该蛋白酶中第188位丙氨酸替换为脯氨酸、第239位谷氨酰胺替换为精氨酸、第262位缬氨酸替换为亮氨酸,结果发现该酶的催化活性大幅度提高,其原因可能是改变了蛋白酶的空间结构,提高了酶与底物的亲和力,C项正确;对枯草杆菌蛋白酶进行分子设计应从预期的蛋白酶功能出发,对蛋白酶的结构进行设计,D项正确。1234567891011121314151614.[多选]蛋白质工程就是通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究,获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息,在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造,通过基因工程技术获得可以表达蛋白质的转基因生物。中华鲟是一种濒危野生动物,研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质,使其更加适应现在的水域环境。下列有关说法错误的是(

)A.蛋白质工程可定向改变蛋白质分子的结构B.改造蛋白质可通过改变基因结构实现C.改造后的中华鲟和现有中华鲟不再是同一物种D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质CD12345678910111213141516解析

蛋白质工程可以通过改造基因来定向改变蛋白质分子的结构,A项正确;因为基因指导蛋白质的合成,所以改造蛋白质可通过改变基因结构实现,B项正确;改造后的中华鲟具有新的性状,但其和现有中华鲟之间没有生殖隔离,仍是同一物种,C项错误;蛋白质工程改造的是基因,可以遗传给子代,因此改造后的中华鲟的后代也具有改造的蛋白质,D项错误。1234567891011121314151615.[河南南阳高二期中]纤维素酶包括葡聚糖酶和葡萄糖苷酶,前者能将纤维素分解成纤维二糖。研究发现,在催化纤维素分解的过程中,葡聚糖酶的活性会下降,研究人员发现产物纤维二糖与葡聚糖酶的第248位精氨酸和第385位酪氨酸的侧链基团发生相对作用,形成封闭结构,阻碍了纤维二糖的释放,继而抑制酶的活性。请回答下列问题。(1)根据题干信息,可利用蛋白质工程来提高葡聚糖酶的活性。蛋白质工程的基本思路是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础,通过基因改造或基因合成,对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求12345678910111213141516(2)如果要了解改造第248位精氨酸或改造第385位酪氨酸对葡聚糖酶活性所产生的作用的大小,该如何设计实验?简要写出实验设计的思路:_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

(3)利用PCR技术扩增改造后的葡聚糖酶基因,其扩增过程一般分为

三步。扩增产物常通过

来鉴定,若实验结果发现出现非特异性扩增条带,可能的原因是_________________

(答出一点即可)。

依次对第248位精氨酸或第385位酪氨酸进行改造,通过与两种氨基酸都存在时的葡聚糖酶活性进行比较,来推测改造的氨基酸对葡聚糖酶活性的影响,进而判断每个氨基酸作用的相对大小变性、复性、延伸

琼脂糖凝胶电泳引物特异性不高12345678910111213141516解析

(1)蛋白质工程的基本思路是以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础,通过基因改造或基因合成,对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。(2)要了解改造第248位精氨酸或改造第385位酪氨酸对葡聚糖酶活性所产生的作用的大小,可依次对第248位精氨酸或第385位酪氨酸进行改造,通过与两种氨基酸都存在时的葡聚糖酶活性进行比较,来推测改造的氨基酸对葡聚糖酶活性的影响,进而判断每个氨基酸作用的相对大小。(3)PCR技术扩增过程一般分为变性、复性、延伸三步。扩增产物常通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定,若实验结果发现出现非特异性扩增条带,可能的原因是引物特异性不高。1234567891011121314151616.[2022湖南卷,22]水蛭是我国的传统中药材,主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一,具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构,提高