生物人教版（2019）选择性必修3 3.4蛋白质工程的原理和应用（课件共20张ppt）

(共20张PPT)
你见过用细菌画画吗
发出不同颜色荧光的细菌
【思考】为什么这些细菌能够发出荧光？
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 ，
科学家通过 它，获得了黄色荧光蛋白等。
绿色荧光蛋白
改造
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
第三章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
蛋白质工程
1.定义
指以 及其与 的关系作为基础，通过 或 基因，来 蛋白质，或 蛋白质，以满足 。
蛋白质分子的结构规律
生物功能
改造
合成
改造现有
制造一种新的
人类生产和生活的需求
蛋白质工程是在 的基础上，延伸出来的
，是涉及多学科的综合科技工程。
基因工程
第二代基因工程
2.理论和技术条件
、 以及 的迅猛发展。
分子生物学
晶体学
计算机技术
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质:
基因工程是将 生物的 转移到 生物体内，
使后者可以产生它原本不能产生的 ，进而表现出新性状。
基因
一种
另一种
蛋白质
2.基因工程的不足:
基因工程原则上只能生产自然界中 的蛋白质。
已存在（天然）
天然蛋白质的缺陷
它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，
天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，
却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
3.实例:
达到一定浓度
352位的苏氨酸
变成 .
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
赖氨酸合成
调控
+
104位的天冬酰胺
变成 .
两种酶的活性
抑制
提高
赖氨酸含量
限制
提高5倍
提高2倍
异亮氨酸
异亮氨酸
提高
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 的特定需求，对蛋白质的 进行设计改造。
功能
结构
【回顾】天然蛋白质的合成过程与性状表达：
DNA
转录
mRNA
翻译
肽链
盘曲折叠
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
蛋白质只有具有一定空间结构，
才能表达特有性状或具有特定功能。
天然蛋白质的合成是按照 进行的
中心法则
2.蛋白质工程的方法：
基因决定蛋白质
要对蛋白质的结构进行设计改造，
最终还必须通过 或 来完成。
改造
合成基因
3.蛋白质工程的思路：
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
逆中心法则
可创造出自然界不存在（非天然）的蛋白质
蛋白质工程的直接操作对象是基因
【思考】对天然的蛋白质进行改造，为什么不是直接对蛋白质分子
进行操作，还是通过对基因的操作来实现的？
①蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
②蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
【思考】怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
查遗传密码子表；
碱基互补原则
【思考】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？
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。
【拓展延伸】
根据蛋白质的改造程度，对蛋白质改造可分三类：
①大改：
设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。
②中改：
③小改：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。
三、蛋白质工程的应用
实例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
改造
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸
新胰岛素
基因
转录
mRNA
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
改变B链第20～29位氨基酸组成
有效抑制胰岛素的聚合
设计结构
推测序列
或将它与B29位的
赖氨酸交换位置
多肽链
翻译
预期结构
折叠
行使功能
由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。
在医药方面的应用
实例2：延长干扰素体外保存时间
天然干扰素
不易保存
改造
一个半胱氨酸
变成丝氨酸
新干扰素
基因
转录
mRNA
预期功能
延长保存时间
氨基酸
替换
在-70℃下
可以保存半年
设计结构
推测序列
多肽链
翻译
预期
结构
折叠
行使功能
实例3：改造抗体——降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
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。
解决办法：
通过改造基因，将小鼠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，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
使人体的不良反应减少
三、蛋白质工程的应用
在工业方面的应用
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
例：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。
在农业方面的应用
①改造某些参与调控光合作用的酶，
以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量；
②设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，
使它防治病虫害的效果增强；
四、蛋白质工程的困难
蛋白质工程是一项 的工程。
难度很大
主要原因：
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。
前景展望：
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。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
蛋白质工程和基因工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 操作对象
操作水平
操作流程
结果
实质
联系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
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
生产自然界没有的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因，定向改造
或生产人类所需的蛋白质
基因重组，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
①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；
②蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，
需要构建基因表达载体；改造或合成的基因同样需要导入受体细胞。
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
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？
练习与应用
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。( )
×
×
√
练习与应用
一、概念检测
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础上进行的，
它最终要达到的目的是 ( )
A.分析蛋白质的三维结构
B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
练习与应用
一、概念检测
3. 水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质
A
二、拓展应用
1.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
蛋白质工程
基因的碱基序列发生了变化
如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。
例如, 由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;
需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。