3.4蛋白质工程的原理和应用 课件(共34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34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 | 12.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2026-02-24 00:00:00 | ||
图片预览
文档简介
(共34张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
你见过用细菌画画吗？
右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。
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
从社会中来
绿色荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）最早是由下村修等人在1962年在一种学名Aequorea victoria的水母中发现。其基因所产生的蛋白质，在蓝色波长范围的光线激发下，会发出绿色荧光。
1.视频里面有一副发光的树，科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
用细菌“画”的画
2.绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
从社会中来
科学家用几种不同颜色的细菌和真菌绘制了一副珊瑚的图景。紫色的部分是粘质沙雷菌，粉红色带点黄绿的部分是金红色葡萄球菌，白色的部分是热带念珠菌，灰色的部分是肺炎克雷伯菌。
①基础：___________________________________
②操作：___________________________________
③操作对象：_______________________________
④目的：___________________________________
___________________________________
⑤地位：___________________________________
⑥理论和技术：_____________________________
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因(DNA分子水平）
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
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
基因
分子生物学、晶体学和计算机技术
一.蛋白质工程
1.蛋白质工程定义
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。
2.蛋白质工程崛起的缘由
一.蛋白质工程
(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：
基因工程在原则上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
蛋白质工程应运而生
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
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
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
玉米中赖氨酸含量较低，原因在于赖氨酸合成的两种关键酶。
实例:
对天然的蛋白质进行改造，你认为应该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？
蛋白质工程的基本原理
一.蛋白质工程
基因
①基因决定蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，且基因改造可以遗传下去，而对蛋白质直接改造无法遗传；
②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。
原因:
一.蛋白质工程
3.蛋白质工程的基本原理
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。
（1）目标
（2）原理
改造基因或合成基因。
（3）天然蛋白质合成的过程: 是按照___________进行的：
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
行使生物功能
中心法则
一.蛋白质工程
3.蛋白质工程的基本原理
蛋白质
（三维结构）
预期功能
生物功能
翻译
折叠
行使
转录
设计
推测
改造或合成
mRNA
目的基因
（4）蛋白质工程流程：
预期功能
生物功能
推测
DNA合成
翻译
折叠
转录
基因
DNA
蛋白质
结构
氨基酸
序列
mRNA
设计
行使
原理：中心法则的逆推
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
逆转录
蛋白质工程的基本原理
2
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系 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
定向改造或生产人类所需的蛋白质
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
创造出自然界不存在的蛋白质
生产出自然界已有的蛋白质
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基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用
一.蛋白质工程
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
查密码子表
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列：
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G）UUU(或C)
mRNA序列：
脱氧核苷酸序列：
GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT（或C） AAA(或G)
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用
一.蛋白质工程
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
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
⑴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、PCR技术扩增；
⑵应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因；
例1.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，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计
一.蛋白质工程
基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因有何区别？
答：基因工程中目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。
基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？
答：都遵循中心法则。
一.蛋白质工程
依据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质。
改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构。
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。
2.根据基因工程的原理进行蛋白质的设计和改造
（1）对蛋白质的结构进行设计和改造，最终是通过改造基因来实现的。
（2）改造基因的方法：定点突（诱）变、基因融合和基因拼接。
4.蛋白质工程的应用
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
（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
改造
新胰岛素基因
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
推测序列
转录
mRNA
翻译
多肽链
行使功能
速效胰岛素类似物
预期结构
折叠等
阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用
定点突变
1.医药工业方面
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
（2）延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
定点突变
1.医药工业方面
基因定点诱变技术的示意图
拓展：基因定点突变技术和基因突变的比较
定点突变 基因突变
相同点 类型 结果 不同点 场所
手段
方向
产生新基因
生物体外
生物体内
PCR技术
诱变因素
定向改造
不定向性
碱基对的增添、缺失、替换
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
基因融合
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
鼠—人嵌合抗体
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
2.其他工业方面
用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值
3.农业方面
(1)科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量
(2)科学家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，增强微生物防治病虫害的效果
4.提高蛋白质的热稳定性
第3位上的
异亮氨酸
半胱氨酸
-s-s-
定点突变
◆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。
◆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
难度很大
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
血红蛋白的三维结构模型
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。
蛋白质食品的工厂化生产想象图
核心归纳
基因工程和蛋白质工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点
原理
过程
目标
结果
联系 预期蛋白质功能→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→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
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品
①都在生物体外对基因进行操作；
②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
预期的蛋白质功能
目的基因
改造或合成基因
基因重组
定向改造或生产人类所需的蛋白质
生产自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
一.蛋白质工程
思考：如何辨别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
6.降低人对小鼠单抗了抗体的免疫反应的思路：
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_________________________；
1.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？
2.蛋白质工程是一项难度很大的工程主要原因*：
3.为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
4.蛋白质工程的操作对象为______，操作水平为___________
5.判断是基因工程还是蛋白质工程的依据：
确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，
或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因
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
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
基因
DNA分子水平
是否改造或合成基因，得到的蛋白质是否为天然蛋白质
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
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。 （ ）
×
×
√
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
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
D
A
二.拓展应用
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。
感谢观看
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第4节 蛋白质工程的原理和应用
你见过用细菌画画吗？
右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。
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
从社会中来
绿色荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）最早是由下村修等人在1962年在一种学名Aequorea victoria的水母中发现。其基因所产生的蛋白质，在蓝色波长范围的光线激发下，会发出绿色荧光。
1.视频里面有一副发光的树，科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
用细菌“画”的画
2.绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
从社会中来
科学家用几种不同颜色的细菌和真菌绘制了一副珊瑚的图景。紫色的部分是粘质沙雷菌，粉红色带点黄绿的部分是金红色葡萄球菌，白色的部分是热带念珠菌，灰色的部分是肺炎克雷伯菌。
①基础：___________________________________
②操作：___________________________________
③操作对象：_______________________________
④目的：___________________________________
___________________________________
⑤地位：___________________________________
⑥理论和技术：_____________________________
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因(DNA分子水平）
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
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
基因
分子生物学、晶体学和计算机技术
一.蛋白质工程
1.蛋白质工程定义
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。
2.蛋白质工程崛起的缘由
一.蛋白质工程
(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：
基因工程在原则上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
蛋白质工程应运而生
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
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
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
玉米中赖氨酸含量较低，原因在于赖氨酸合成的两种关键酶。
实例:
对天然的蛋白质进行改造，你认为应该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？
蛋白质工程的基本原理
一.蛋白质工程
基因
①基因决定蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，且基因改造可以遗传下去，而对蛋白质直接改造无法遗传；
②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。
原因:
一.蛋白质工程
3.蛋白质工程的基本原理
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。
（1）目标
（2）原理
改造基因或合成基因。
（3）天然蛋白质合成的过程: 是按照___________进行的：
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
行使生物功能
中心法则
一.蛋白质工程
3.蛋白质工程的基本原理
蛋白质
（三维结构）
预期功能
生物功能
翻译
折叠
行使
转录
设计
推测
改造或合成
mRNA
目的基因
（4）蛋白质工程流程：
预期功能
生物功能
推测
DNA合成
翻译
折叠
转录
基因
DNA
蛋白质
结构
氨基酸
序列
mRNA
设计
行使
原理：中心法则的逆推
转录
DNA
RNA
翻译
蛋白质
复制
逆转录
蛋白质工程的基本原理
2
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系 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
定向改造或生产人类所需的蛋白质
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
创造出自然界不存在的蛋白质
生产出自然界已有的蛋白质
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基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用
一.蛋白质工程
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
查密码子表
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列：
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G）UUU(或C)
mRNA序列：
脱氧核苷酸序列：
GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT（或C） AAA(或G)
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用
一.蛋白质工程
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
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
⑴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、PCR技术扩增；
⑵应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因；
例1.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，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计
一.蛋白质工程
基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因有何区别？
答：基因工程中目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。
基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？
答：都遵循中心法则。
一.蛋白质工程
依据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质。
改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构。
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。
2.根据基因工程的原理进行蛋白质的设计和改造
（1）对蛋白质的结构进行设计和改造，最终是通过改造基因来实现的。
（2）改造基因的方法：定点突（诱）变、基因融合和基因拼接。
4.蛋白质工程的应用
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
（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
改造
新胰岛素基因
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
推测序列
转录
mRNA
翻译
多肽链
行使功能
速效胰岛素类似物
预期结构
折叠等
阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用
定点突变
1.医药工业方面
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
（2）延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
定点突变
1.医药工业方面
基因定点诱变技术的示意图
拓展：基因定点突变技术和基因突变的比较
定点突变 基因突变
相同点 类型 结果 不同点 场所
手段
方向
产生新基因
生物体外
生物体内
PCR技术
诱变因素
定向改造
不定向性
碱基对的增添、缺失、替换
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
基因融合
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
鼠—人嵌合抗体
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
2.其他工业方面
用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值
3.农业方面
(1)科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量
(2)科学家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，增强微生物防治病虫害的效果
4.提高蛋白质的热稳定性
第3位上的
异亮氨酸
半胱氨酸
-s-s-
定点突变
◆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。
◆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
难度很大
一.蛋白质工程
4.蛋白质工程的应用
血红蛋白的三维结构模型
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。
蛋白质食品的工厂化生产想象图
核心归纳
基因工程和蛋白质工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区 别 起点
原理
过程
目标
结果
联系 预期蛋白质功能→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→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
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品
①都在生物体外对基因进行操作；
②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
预期的蛋白质功能
目的基因
改造或合成基因
基因重组
定向改造或生产人类所需的蛋白质
生产自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
一.蛋白质工程
思考：如何辨别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
6.降低人对小鼠单抗了抗体的免疫反应的思路：
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_________________________；
1.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？
2.蛋白质工程是一项难度很大的工程主要原因*：
3.为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
4.蛋白质工程的操作对象为______，操作水平为___________
5.判断是基因工程还是蛋白质工程的依据：
确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，
或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因
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
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
基因
DNA分子水平
是否改造或合成基因，得到的蛋白质是否为天然蛋白质
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
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。 （ ）
×
×
√
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
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
D
A
二.拓展应用
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。
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