生物人教版（2019）选择性3 3.4蛋白质工程的原理和应用（共43张ppt）
文档属性
| 名称 | 生物人教版（2019）选择性3 3.4蛋白质工程的原理和应用（共43张ppt） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 11.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2023-06-05 18:19:31 | ||
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文档简介
(共43张PPT)
你见过用细菌画画吗？而且是带色彩的！
为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？
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
绿色荧光蛋白
改造
黄色荧光蛋白
及其他颜色的荧光蛋白
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。
这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤
如何改造蛋白质？
第3章 第4节
人教版 选择性必修3
目录
CONTENTS
蛋白质工程的基本原理
2/
蛋白质工程崛起的缘由
1/
蛋白质工程的应用
3/
01
蛋白质工程崛起的缘由
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。
抗虫棉
Bt抗虫蛋白
苏云金杆菌
体外
导入
载体
棉花细胞的DNA不进行切割
重组DNA
DNA连接酶
限制酶
只能生产自然界中已存在的蛋白质
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
基因工程原则上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
不一定完全符合人类生产和生活的需要
一
蛋白质工程崛起的缘由
玉米中赖氨酸的含量比较低
举例：
天冬氨酸
赖氨酸
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
抑制
（很难提高）
怎么解决这个问题？
一
蛋白质工程崛起的缘由
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
第352位:
苏氨酸
异亮氨酸
变成
第104位:
天冬酰胺
异亮氨酸
变成
就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
02
蛋白质工程的基本原理
二
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的概念：
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。
二
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的概念：
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。
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。
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。
它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。
问:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
二
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的概念：
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。
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。
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。
它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。
问:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
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；
二
蛋白质工程的基本原理
2.天然蛋白质合成的过程：
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
二
蛋白质工程的基本原理
2.天然蛋白质合成的过程：
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
3.蛋白质工程的基本思路：
预期功能
设计
推测
改造或合成
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。
二
蛋白质工程的基本原理
2.天然蛋白质合成的过程：
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
3.蛋白质工程的基本思路：
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
通过具体实例来熟悉
蛋白质工程基本思路的应用
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
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，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。
胰岛素六聚体
胰岛素单体
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，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。
预期蛋白质的功能：
科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用并得到速效胰岛素类似物产品。
胰岛素六聚体
胰岛素单体
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。
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。
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。
B28脯氨酸
B29赖氨酸
如何设计？
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
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。
B28脯氨酸
B29赖氨酸
如何设计？
B28赖氨酸
B29脯氨酸
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
mRNA
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
mRNA
由于人胰岛素 B 链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。
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
由于人胰岛素 B 链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
mRNA
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
由于人胰岛素 B 链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。
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
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
进行PCR
待突变位点
下游大引物
常规上游引物
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
进行PCR
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
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
获得所需蛋白质：
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
翻译
改造后得到的基因序列：
转录
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
目前，科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，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，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。
03
蛋白质工程的应用
三
蛋白质工程的应用
天然蛋白质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
1、医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
三
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
1、医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
三
蛋白质工程的应用
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减低很多。
1、医药工业方面
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
3、农业方面
三
蛋白质工程的应用
2、其他工业方面
蛋白质工程被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。
（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）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。
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
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
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可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来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
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
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。
预期蛋白质功能
目的基因
小结：蛋白质工程和基因工程的比较
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。 （ ）
x
x
√
练习与应用
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
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
练习与应用
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。这项工作属于什么工程的范畴？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？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？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是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。
二、拓展应用
你见过用细菌画画吗？而且是带色彩的！
为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？
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
绿色荧光蛋白
改造
黄色荧光蛋白
及其他颜色的荧光蛋白
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。
这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤
如何改造蛋白质？
第3章 第4节
人教版 选择性必修3
目录
CONTENTS
蛋白质工程的基本原理
2/
蛋白质工程崛起的缘由
1/
蛋白质工程的应用
3/
01
蛋白质工程崛起的缘由
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。
抗虫棉
Bt抗虫蛋白
苏云金杆菌
体外
导入
载体
棉花细胞的DNA不进行切割
重组DNA
DNA连接酶
限制酶
只能生产自然界中已存在的蛋白质
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
基因工程原则上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
不一定完全符合人类生产和生活的需要
一
蛋白质工程崛起的缘由
玉米中赖氨酸的含量比较低
举例：
天冬氨酸
赖氨酸
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
抑制
（很难提高）
怎么解决这个问题？
一
蛋白质工程崛起的缘由
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
第352位:
苏氨酸
异亮氨酸
变成
第104位:
天冬酰胺
异亮氨酸
变成
就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
02
蛋白质工程的基本原理
二
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的概念：
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。
二
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的概念：
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。
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。
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。
它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。
问:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
二
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的概念：
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。
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。
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。
它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。
问:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
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；
二
蛋白质工程的基本原理
2.天然蛋白质合成的过程：
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
二
蛋白质工程的基本原理
2.天然蛋白质合成的过程：
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
3.蛋白质工程的基本思路：
预期功能
设计
推测
改造或合成
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。
二
蛋白质工程的基本原理
2.天然蛋白质合成的过程：
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
3.蛋白质工程的基本思路：
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
通过具体实例来熟悉
蛋白质工程基本思路的应用
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
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，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。
胰岛素六聚体
胰岛素单体
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，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。
预期蛋白质的功能：
科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用并得到速效胰岛素类似物产品。
胰岛素六聚体
胰岛素单体
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。
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。
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。
B28脯氨酸
B29赖氨酸
如何设计？
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
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。
B28脯氨酸
B29赖氨酸
如何设计？
B28赖氨酸
B29脯氨酸
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
mRNA
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
mRNA
由于人胰岛素 B 链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。
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
由于人胰岛素 B 链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。
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：
B28
B29
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
mRNA
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
由于人胰岛素 B 链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。
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
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
进行PCR
待突变位点
下游大引物
常规上游引物
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
进行PCR
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
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
获得所需蛋白质：
酪氨酸
苏氨酸
赖氨酸
脯氨酸
苏氨酸
B28
B29
mRNA
翻译
改造后得到的基因序列：
转录
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
目前，科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，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，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。
03
蛋白质工程的应用
三
蛋白质工程的应用
天然蛋白质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
1、医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
三
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
1、医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
三
蛋白质工程的应用
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减低很多。
1、医药工业方面
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
3、农业方面
三
蛋白质工程的应用
2、其他工业方面
蛋白质工程被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。
（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）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。
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
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
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可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来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
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
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。
预期蛋白质功能
目的基因
小结：蛋白质工程和基因工程的比较
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。 （ ）
x
x
√
练习与应用
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
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
练习与应用
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。这项工作属于什么工程的范畴？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？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？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是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。
二、拓展应用