3.4蛋白质工程的原理和应用新教材课件(共24张PPT)-2022-2023学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

(共24张PPT)
上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。
从社会中来
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。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的
第
节
4
蛋白质工程的原理和应用
高中生物 选择性必修3
第3章
将一种生物的____转移到另一种生物体内，后者可以产生它__________________，进而表现出________。
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质：
基因
本不能产生的蛋白质
新的性状
2.基因工程的局限性：_______________________________
只能生产自然界中已存在的蛋白质
3.天然蛋白质的不足：
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。
达到一定浓度
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
赖氨酸合成
调控
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
两种酶的活性
抑制
提高
提高
赖氨酸含量
限制
提高
玉米中赖氨酸含量比较低
提高玉米中赖氨酸的含量
如何？
实例：对天然酶的改造
二、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。
蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
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:
满足人类生产和生活的需求
5.与基因工程的关系:
6.相关学科及技术：
分子生物学、晶体学和计算机技术
特别注意：蛋白质工程的操作对象——基因！
1.蛋白质工程的目标
根据人们对蛋白质_____的特定需求，因此要对蛋白质的_____进行设计改造。
2.蛋白质工程的实质*
_____________________________________________
功能
结构
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：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；
三、蛋白质工程的基本原理
天然蛋白质的合成过程
DNA(基因）
转录
mRNA
翻译
多肽链
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
三、蛋白质工程的基本原理
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
8
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
蛋白质的结构
预期功能
生物功能
设计
推测
改造
或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
3. 蛋白质工程流程图
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。
第一步、难度最大
构建基因表达载体
导入受体细胞（需要酶和载体）
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
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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）
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？
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。
蛋白质工程的类型
（1）以据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质（到目前还没有成功的例子）
（2）改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构域
（3）利用基因工程中的定点诱变技术，改造蛋白质分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基（实践中运用的最多）
一级结构 二级结构 三级结构 四级结构
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
可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，其包含基因工程基本操作；
预期蛋白质功能
目的基因
4. 蛋白质工程与基因工程的比较
小结：如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程
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
如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程； 如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
异想天开
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。
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
四、蛋白质工程的应用
定点突（诱）变
2.延长干扰素体外保存时间
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
定点突（诱）变
3.降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
通过_________，将小鼠抗体上_ _ 的区域（即_______）“嫁接”到_______（即_______）上，经过这样改造的抗体______________________________。
改造基因
结合抗原
可变区
人的抗体
恒定区
诱发免疫反应的强度就会降低很多
基因融合
对人体的不良反应减少
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
医学问题:
4.其他
①改进酶的性能或开发新的工业用酶；
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；
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。
五、蛋白质工程现状
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
主要原因是：
_____________________________
____________________________
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
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
(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(　　)
判断正误
√
×
√
×
探讨点　基因工程和蛋白质工程的比较
1.蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因有：(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。
核心探讨
突破重难　强化素养
基因
基因
基因
2.基因工程和蛋白质工程的区别
(1)通过基因判断：若基因的编码蛋白序列未经改造，则为基因工程，反之，则为　　　工程。
(2)通过蛋白质判断：若生产出的蛋白质是天然蛋白质，则为　　工程，反之，则为　　　工程。
3.基因工程和蛋白质工程的联系：两种工程都是在　　水平上对　　进行操作，目的都是合成相应的蛋白质，　　　工程是以　　工程为基础的。
蛋白质
基因
蛋白质
分子
基因
蛋白质
基因
1.葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家对GI基因进行体外定点诱变，以脯氨酸(Pro138)替代甘氨酸(Gly138)，含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达，结果最适反应温度提高10～12 ℃。这属于生物工程中的
A.基因工程 B.蛋白质工程
C.发酵工程 D.酶工程
典题应用
及时反馈　知识落实
√
解析　题中是对基因进行改造，以实现对现有蛋白质的改造，属于蛋白质工程。
2.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一，被称为“活化石”。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，以下说法错误的是
A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B.改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的
C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
√