3.4蛋白质工程的原理和应用 课件(共31张PPT)-2025-2026学年高二下学期《生物》（人教版）选必修3
文档属性
| 名称 | 3.4蛋白质工程的原理和应用 课件(共31张PPT)-2025-2026学年高二下学期《生物》（人教版）选必修3 |
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| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 13.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2026-02-13 00:00:00 | ||
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文档简介
(共31张PPT)
第三章 基因工程
人教版·选择性必修3
基因工程的应用
第4节
蛋白质工程的原理和应用
用细菌“画”的画
从社会中来
细菌画画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。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？
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
用细菌“画”的画
从社会中来
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。
蛋白质工程的概念及其理解
绿色荧光蛋白基因
控制（转基因）
绿色荧光蛋白
基因工程的局限性：
只能生产自然界中已存在的蛋白质（天然蛋白质）
科学家已经掌握基因工程的基本技术，为何还要进行蛋白质工程的研究呢？
从社会中来
思考：
这些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。
合作探究1：阅读思考
资料1：玉米中赖氨酸的含量由天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羟酸合成酶决定。科学家将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，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，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。
资料2：干扰素在体外保存相当困难，如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，干扰素可以保存长达半年。
问题1：进行蛋白质工程研究的意义是什么？
通过蛋白质工程可以改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质工程崛起的缘由
一
资料3：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活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
问题2：如何改造？蛋白质工程操作的对象是什么？
蛋白质是由基因决定的，基因可以遗传，蛋白质无法遗传。
操作方法及对象：
改造或合成基因
问题3：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
蛋白质工程崛起的缘由
一
合作探究2：总结科学家改造T4溶菌酶的思路。
资料3：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活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
T4溶菌酶耐热性升高
推测
折叠
改造或合成
翻译
转录
耐热性T4溶菌酶的结构
耐热T4溶菌酶mRNA
耐热T4溶菌酶氨基酸的序列（第3位异亮氨酸变为半胱氨酸）
耐热T4溶菌酶基因
设计
蛋白质工程的基本思路
二
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
基本思路：
预期功能
生物功能
推测
合成或改造
翻译
折叠
转录
目的基因
蛋白质
结构
氨基酸序列的多肽链
mRNA
设计
行驶
蛋白质工程是中心法则的逆推
（结合教材P94第3段）
蛋白质工程的基本思路
二
建构概念
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。
蛋白质工程的基本思路
二
(1)基础：蛋白质分子的 及其与_________的关系。
(2)操作方法和对象： 。
(4)目的： 的蛋白质或 的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
(5)地位：在_________的基础上,延伸出来的第 代基因工程。
(6)学科和技术： 。
改造或合成基因
分子生物学、晶体学和计算机技术
结构规律
生物功能
基因工程
二
改造现有
制造一种新
蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以 及其与 作为基础,通过 或 ，来改造 或______________蛋白质，以满足 。
蛋白质分子的结构规律
生物功能的关系
改造
合成基因
现有蛋白质
制造一种新的
人类生产和生活的需求
蛋白质工程的概念及其理解
三、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的目标:
2.蛋白质工程的实质:
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。
功能
结构
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 来完成。
改造或合成基因
3.天然蛋白质合成过程：
天然蛋白质合成的过程是按照________进行的。
中心法则
基因
表达
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
转录和翻译
理解蛋白质工程
蛋白质工程的基本思路
二
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：
问题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。
mRNA序列为：AUG UGG AUU（或C或A）UGU（或C）
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
查密码子表得知：甲硫氨酸（AUG）、色氨酸(UGG)、异亮氨酸(AUU、AUC、AUA）、半胱氨酸（UGU、UGC）。
合作探究3：蛋白质工程基本思路的应用
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
蛋白质工程的基本思路
二
问题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，从而使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸？
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。
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：通过蛋白质工程使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
蛋白质工程的基本思路
二
4. 蛋白质工程的常用技术:
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；
要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体的结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
学科交叉
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的基本思路
二
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
5.蛋白质工程和基因工程的比较
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
蛋白质工程的基本思路
二
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
蛋白质工程和基因工程的比较
蛋白质工程基本思路的应用
三
胰岛素的分子结构示意图
胰岛素的3D示意图
α链
β链
脯氨酸
蛋白质工程基本思路的应用
三
天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素β链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。
四、蛋白质工程的应用
速效胰岛素
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
科学家通过改造 实现对相应氨基酸序列的改变,使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，从而有效抑制了胰岛素的 。
胰岛素基因
聚合
蛋白质工程基本思路的应用
三
1.医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
四、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
将干扰素分子上的一个 变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。
半胱氨酸
丝氨酸
半胱氨酸
丝氨酸
蛋白质工程基本思路的应用
三
1.医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
四、蛋白质工程的应用
解决办法：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__________________________；
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。
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
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
1.医药工业方面
蛋白质工程基本思路的应用
三
四、蛋白质工程的应用
蛋白质工程被广泛用于 或 。
开发新的工业用酶
改进酶的性能
枯草杆菌蛋白酶
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.其他工业方面
蛋白质工程基本思路的应用
三
3. 农业方面
（1）改造某些参与调控 ，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。
蛋白质工程基本思路的应用
三
光合作用的酶
4.蛋白质工程是一项难度很大的工程
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
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
蛋白质工程基本思路的应用
三
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。
概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。
到社会中去
蛋白质工程的概念：
一、蛋白质工程崛起的缘由：
二、蛋白质工程的基本原理：预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。
三、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面；
2.其他工业方面；
3.农业方面。
◎课堂小结
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
√
当堂检测
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
当堂检测
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
当堂检测
4.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是 ；代表中心法则内容的是 。(填写数字)
（2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______；②______；③______；④______；⑤ 。
（3）蛋白质工程的目的是_______________________________________ _____________________，通过 实现。
（4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白
质的结构进行分子设计
基因改造或基因合成
相反
当堂检测
谢谢观看
第三章 基因工程
人教版·选择性必修3
基因工程的应用
第4节
蛋白质工程的原理和应用
用细菌“画”的画
从社会中来
细菌画画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。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？
科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。
用细菌“画”的画
从社会中来
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。
蛋白质工程的概念及其理解
绿色荧光蛋白基因
控制（转基因）
绿色荧光蛋白
基因工程的局限性：
只能生产自然界中已存在的蛋白质（天然蛋白质）
科学家已经掌握基因工程的基本技术，为何还要进行蛋白质工程的研究呢？
从社会中来
思考：
这些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。
合作探究1：阅读思考
资料1：玉米中赖氨酸的含量由天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羟酸合成酶决定。科学家将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，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，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。
资料2：干扰素在体外保存相当困难，如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，干扰素可以保存长达半年。
问题1：进行蛋白质工程研究的意义是什么？
通过蛋白质工程可以改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质工程崛起的缘由
一
资料3：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活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
问题2：如何改造？蛋白质工程操作的对象是什么？
蛋白质是由基因决定的，基因可以遗传，蛋白质无法遗传。
操作方法及对象：
改造或合成基因
问题3：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
蛋白质工程崛起的缘由
一
合作探究2：总结科学家改造T4溶菌酶的思路。
资料3：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活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
T4溶菌酶耐热性升高
推测
折叠
改造或合成
翻译
转录
耐热性T4溶菌酶的结构
耐热T4溶菌酶mRNA
耐热T4溶菌酶氨基酸的序列（第3位异亮氨酸变为半胱氨酸）
耐热T4溶菌酶基因
设计
蛋白质工程的基本思路
二
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
基本思路：
预期功能
生物功能
推测
合成或改造
翻译
折叠
转录
目的基因
蛋白质
结构
氨基酸序列的多肽链
mRNA
设计
行驶
蛋白质工程是中心法则的逆推
（结合教材P94第3段）
蛋白质工程的基本思路
二
建构概念
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。
蛋白质工程的基本思路
二
(1)基础：蛋白质分子的 及其与_________的关系。
(2)操作方法和对象： 。
(4)目的： 的蛋白质或 的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
(5)地位：在_________的基础上,延伸出来的第 代基因工程。
(6)学科和技术： 。
改造或合成基因
分子生物学、晶体学和计算机技术
结构规律
生物功能
基因工程
二
改造现有
制造一种新
蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以 及其与 作为基础,通过 或 ，来改造 或______________蛋白质，以满足 。
蛋白质分子的结构规律
生物功能的关系
改造
合成基因
现有蛋白质
制造一种新的
人类生产和生活的需求
蛋白质工程的概念及其理解
三、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的目标:
2.蛋白质工程的实质:
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。
功能
结构
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 来完成。
改造或合成基因
3.天然蛋白质合成过程：
天然蛋白质合成的过程是按照________进行的。
中心法则
基因
表达
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
转录和翻译
理解蛋白质工程
蛋白质工程的基本思路
二
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：
问题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。
mRNA序列为：AUG UGG AUU（或C或A）UGU（或C）
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
查密码子表得知：甲硫氨酸（AUG）、色氨酸(UGG)、异亮氨酸(AUU、AUC、AUA）、半胱氨酸（UGU、UGC）。
合作探究3：蛋白质工程基本思路的应用
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
蛋白质工程的基本思路
二
问题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，从而使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸？
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。
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：通过蛋白质工程使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
蛋白质工程的基本思路
二
4. 蛋白质工程的常用技术:
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；
要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体的结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
学科交叉
三、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的基本思路
二
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
5.蛋白质工程和基因工程的比较
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
蛋白质工程的基本思路
二
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
蛋白质工程和基因工程的比较
蛋白质工程基本思路的应用
三
胰岛素的分子结构示意图
胰岛素的3D示意图
α链
β链
脯氨酸
蛋白质工程基本思路的应用
三
天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素β链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。
四、蛋白质工程的应用
速效胰岛素
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
科学家通过改造 实现对相应氨基酸序列的改变,使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，从而有效抑制了胰岛素的 。
胰岛素基因
聚合
蛋白质工程基本思路的应用
三
1.医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
四、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
将干扰素分子上的一个 变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。
半胱氨酸
丝氨酸
半胱氨酸
丝氨酸
蛋白质工程基本思路的应用
三
1.医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
四、蛋白质工程的应用
解决办法：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__________________________；
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。
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
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
1.医药工业方面
蛋白质工程基本思路的应用
三
四、蛋白质工程的应用
蛋白质工程被广泛用于 或 。
开发新的工业用酶
改进酶的性能
枯草杆菌蛋白酶
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.其他工业方面
蛋白质工程基本思路的应用
三
3. 农业方面
（1）改造某些参与调控 ，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。
蛋白质工程基本思路的应用
三
光合作用的酶
4.蛋白质工程是一项难度很大的工程
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
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
蛋白质工程基本思路的应用
三
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。
概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。
到社会中去
蛋白质工程的概念：
一、蛋白质工程崛起的缘由：
二、蛋白质工程的基本原理：预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。
三、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面；
2.其他工业方面；
3.农业方面。
◎课堂小结
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
√
当堂检测
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
当堂检测
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
当堂检测
4.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是 ；代表中心法则内容的是 。(填写数字)
（2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______；②______；③______；④______；⑤ 。
（3）蛋白质工程的目的是_______________________________________ _____________________，通过 实现。
（4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白
质的结构进行分子设计
基因改造或基因合成
相反
当堂检测
谢谢观看