3.4 蛋白质工程的原理和应用(共30张PPT)-高二生物学（人教版2019选择性必修3）
文档属性
| 名称 | 3.4 蛋白质工程的原理和应用(共30张PPT)-高二生物学（人教版2019选择性必修3） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2023-08-08 17:10:35 | ||
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文档简介
(共30张PPT)
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
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。
上面几幅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， 是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
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
一、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。
1.基础: 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 2.操作方法及对象: 改造或合成基因
3.结果: 改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
4. 目的: 以满足人类生产和生活的需求
5.地位: 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。
6.理论和技术： 分子生物学、晶体学和计算机技术
二、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 _ _ _ _ _ _ _，进而表现出 __的_ _ _
2. 蛋白质工程的崛起:
①理论和技术条件:_ _子_ _ __、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
②基因工程的局限性： 原___则__上__只__能__生__产__自__然__界__中__已__存__在__的__蛋白质
③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；
如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶 片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
合成时需：
天冬氨酸激酶；
二氢吡啶二羧酸 合成酶。
赖氨酸含量低
异亮氨酸
产量提高
浓度 影响 酶活 性
苏氨酸(352位)
天冬酰胺(104位)
异亮氨酸
实例：
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？
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至 自然科学领域重大的国际合作科研项目。 2001年，国际人类蛋白
质组组织宣布成立。 2003年， 该组织正式提出启动两项重大国际合作项目 ： 一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划” ；另一项是由美 国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组 计划的帷幕。
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划， 由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。 它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、 规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生 理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、 诊断、治疗和新药的研发 提供重要的科学依据。
人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了 重要的理论支持。 2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
三、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.改造蛋白质的方法：改造或合成基因
3.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
4.结果：生产出自然界没有的蛋白质
5.天然蛋白质合成过程：按照中心法则进行
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
形式生 物功能
基 因
表
达
转录
翻译
三、蛋白质工程的基本原理
6.蛋白质工程思路：逆中心法则
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。
蛋白质工程的基本思路
项目 蛋白质工程
基因工程
操作对象 基因
基因
操作起点 预期蛋白质功能
目的基因
操作水平 DNA分子水平
DNA分子水平
操作流程 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
结果 可生产自然界没有的蛋白质
在原则上只能生产自然界已存在的 蛋白质，即天然蛋白质。
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
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
联系 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，其包含基因工程基本操作。
基因工程与蛋白质工程的比较
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)。
mRNA序列为： GCU (或C或A或G) UGG AAA (或G) GAA (或G) UUU (或C)
DNA序列为： CGA (或G或T或C) ACC TTT (或C) CTT (或C) AAA (或G)
GCT (或C或A或G) TGG AAA (或G) GAA (或G) TTT (或C)
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：
苯丙 氨酸
则：
赖氨酸
谷氨酸
色氨酸
丙氨酸
丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸
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？
确定目的基因的碱基序列后，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。
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：
苯丙
氨酸
是否对原 有基因进 行改造
如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
二看蛋白质
是否为天 然蛋白质
是否合成 新的基因
蛋白质工程
蛋白质工程
蛋白质工程
一 看基因
否
基因工程
基因工程
否
方法
思 考
是
是
是
否
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的 宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例
子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以
生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是
自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设
计出来的、 自然界中不存在的蛋白质。主要原因
是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋
白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功
能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具
有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的
蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质
食品的安全性等都需要长期深入的研究。
异想天开
预期 功能
设计结构
改 造
转录
素
胰
岛
新
译
翻
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
天然蛋 白质易 形成二 聚体或 六聚体
有效抑
制胰岛
素的聚
合
降低胰
岛素的
聚合作
用
链第 推测 20-29 序列
位氨
四、蛋白质工程的应用
研发速效胰岛素类似物
预期结构
行使功能
多肽 链
折 叠
基因
改变B
组成
基酸
1.
改 造
在- 行使 预期 折 多肽 翻 转 新干
可以保 基因
存半年
列
测
序
推
构
计
结
设
能
期
功
预
70℃下 功能 结构 叠 链 译 录 扰素
四、蛋白质工程的应用
2.延长干扰素体外保存时间
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 强度就会减低很多。
四、蛋白质工程的应用
3.改造抗体— 降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
四、蛋白质工程的应用
4.其他应用
①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。
②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；
③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、蛋白质工程的应用
5.面临的困难：
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
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
四级结构
三级结构
二 级结构
一 级结构
由计算机建立的血红
蛋白三维结构模型
四、蛋白质工程的应用
6.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。
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；
思 考
到社会中去
酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现 在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行， 因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污 染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生 产成本低。因此， 酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通 过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产 业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在 不断提升。 2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保 持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左 右，我国进入酶制剂生产大国的行列。 在酶制剂产业中，蛋白质工程 被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性， 增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
一、概念检测 ( P96 )
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。 ( √ )
一、概念检测 ( P96 )
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 ( D )
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
一、概念检测 ( P96 )
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 )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D、蛋白质
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。
2023/4/18
二、拓展应用(P96 )
1.(1)①应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质
粒和含有目的基因的DNA片段; ②注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部， 以防破坏目的基 因;
③限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等 结构。
(2)加入DNA连接酶。
(3) 该质粒便于进行双重筛选。
标记基因Amp基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入
了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。
由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色： 含有空质粒 (没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色； 含有重组质粒的
大肠杆菌菌落呈白色。 (4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就 不会被分解。
(3) 可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，
然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推
测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相 对大小。(其他合理答案均可)。
(4) 不会引起免疫排斥反应;
因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生
的还是“自体”细胞。
iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
2.(1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、 Sox2、 c-Myc和Klf4送
入小鼠成纤维细胞。
(2) 可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别 培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源 基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养 基的作用。
3.(1) 从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系
微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。(其他合理答 案均可)
(2) 此题不要求有唯一的答案，学生可从便捷性、安全性、经济性等 角度进行分析，言之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻 新品种更值得推广；或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生 物更值得推广等。
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
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。
上面几幅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， 是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
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
一、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。
1.基础: 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 2.操作方法及对象: 改造或合成基因
3.结果: 改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
4. 目的: 以满足人类生产和生活的需求
5.地位: 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。
6.理论和技术： 分子生物学、晶体学和计算机技术
二、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 _ _ _ _ _ _ _，进而表现出 __的_ _ _
2. 蛋白质工程的崛起:
①理论和技术条件:_ _子_ _ __、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
②基因工程的局限性： 原___则__上__只__能__生__产__自__然__界__中__已__存__在__的__蛋白质
③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；
如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶 片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
合成时需：
天冬氨酸激酶；
二氢吡啶二羧酸 合成酶。
赖氨酸含量低
异亮氨酸
产量提高
浓度 影响 酶活 性
苏氨酸(352位)
天冬酰胺(104位)
异亮氨酸
实例：
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？
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至 自然科学领域重大的国际合作科研项目。 2001年，国际人类蛋白
质组组织宣布成立。 2003年， 该组织正式提出启动两项重大国际合作项目 ： 一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划” ；另一项是由美 国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组 计划的帷幕。
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划， 由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。 它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、 规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生 理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、 诊断、治疗和新药的研发 提供重要的科学依据。
人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了 重要的理论支持。 2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
三、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.改造蛋白质的方法：改造或合成基因
3.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
4.结果：生产出自然界没有的蛋白质
5.天然蛋白质合成过程：按照中心法则进行
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
形式生 物功能
基 因
表
达
转录
翻译
三、蛋白质工程的基本原理
6.蛋白质工程思路：逆中心法则
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。
蛋白质工程的基本思路
项目 蛋白质工程
基因工程
操作对象 基因
基因
操作起点 预期蛋白质功能
目的基因
操作水平 DNA分子水平
DNA分子水平
操作流程 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
结果 可生产自然界没有的蛋白质
在原则上只能生产自然界已存在的 蛋白质，即天然蛋白质。
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
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
联系 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，其包含基因工程基本操作。
基因工程与蛋白质工程的比较
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)。
mRNA序列为： GCU (或C或A或G) UGG AAA (或G) GAA (或G) UUU (或C)
DNA序列为： CGA (或G或T或C) ACC TTT (或C) CTT (或C) AAA (或G)
GCT (或C或A或G) TGG AAA (或G) GAA (或G) TTT (或C)
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：
苯丙 氨酸
则：
赖氨酸
谷氨酸
色氨酸
丙氨酸
丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸
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？
确定目的基因的碱基序列后，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。
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：
苯丙
氨酸
是否对原 有基因进 行改造
如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
二看蛋白质
是否为天 然蛋白质
是否合成 新的基因
蛋白质工程
蛋白质工程
蛋白质工程
一 看基因
否
基因工程
基因工程
否
方法
思 考
是
是
是
否
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的 宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例
子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以
生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是
自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设
计出来的、 自然界中不存在的蛋白质。主要原因
是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋
白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功
能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具
有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的
蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质
食品的安全性等都需要长期深入的研究。
异想天开
预期 功能
设计结构
改 造
转录
素
胰
岛
新
译
翻
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
天然蛋 白质易 形成二 聚体或 六聚体
有效抑
制胰岛
素的聚
合
降低胰
岛素的
聚合作
用
链第 推测 20-29 序列
位氨
四、蛋白质工程的应用
研发速效胰岛素类似物
预期结构
行使功能
多肽 链
折 叠
基因
改变B
组成
基酸
1.
改 造
在- 行使 预期 折 多肽 翻 转 新干
可以保 基因
存半年
列
测
序
推
构
计
结
设
能
期
功
预
70℃下 功能 结构 叠 链 译 录 扰素
四、蛋白质工程的应用
2.延长干扰素体外保存时间
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 强度就会减低很多。
四、蛋白质工程的应用
3.改造抗体— 降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
四、蛋白质工程的应用
4.其他应用
①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。
②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；
③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、蛋白质工程的应用
5.面临的困难：
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
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
四级结构
三级结构
二 级结构
一 级结构
由计算机建立的血红
蛋白三维结构模型
四、蛋白质工程的应用
6.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。
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；
思 考
到社会中去
酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现 在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行， 因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污 染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生 产成本低。因此， 酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通 过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产 业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在 不断提升。 2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保 持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左 右，我国进入酶制剂生产大国的行列。 在酶制剂产业中，蛋白质工程 被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性， 增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
一、概念检测 ( P96 )
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。 ( √ )
一、概念检测 ( P96 )
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 ( D )
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
一、概念检测 ( P96 )
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 )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D、蛋白质
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。
2023/4/18
二、拓展应用(P96 )
1.(1)①应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质
粒和含有目的基因的DNA片段; ②注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部， 以防破坏目的基 因;
③限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等 结构。
(2)加入DNA连接酶。
(3) 该质粒便于进行双重筛选。
标记基因Amp基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入
了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。
由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色： 含有空质粒 (没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色； 含有重组质粒的
大肠杆菌菌落呈白色。 (4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就 不会被分解。
(3) 可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，
然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推
测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相 对大小。(其他合理答案均可)。
(4) 不会引起免疫排斥反应;
因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生
的还是“自体”细胞。
iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
2.(1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、 Sox2、 c-Myc和Klf4送
入小鼠成纤维细胞。
(2) 可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别 培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源 基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养 基的作用。
3.(1) 从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系
微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。(其他合理答 案均可)
(2) 此题不要求有唯一的答案，学生可从便捷性、安全性、经济性等 角度进行分析，言之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻 新品种更值得推广；或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生 物更值得推广等。