第三章基因工程第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用目錄/CONTENTS01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由02蛋白質(zhì)工程的基本原理03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用04習題檢測學習目標：1.說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2.概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。3.舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。新課導入下圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“西畫”的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導入了熒光蛋白的基因。

最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。思考：那么，科學家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢?目錄01一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由想一想：如何讓細菌能發(fā)出熒光？熒光蛋白基因細菌熒光蛋白導入熒光蛋白基因表達基因工程：基因工程實質(zhì)：基因工程是將一種生物的

轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的

，進而表現(xiàn)出

。基因蛋白質(zhì)新性狀基因重組一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由自然界中存在的熒光蛋白只有綠色熒光蛋白，能否通過基因工程，獲得黃色熒光蛋白呢？不能①基因工程不足：原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，它們的

符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合

的需要。②天然蛋白質(zhì)的不足:結(jié)構(gòu)和功能人類生產(chǎn)和生活蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。蛋白質(zhì)工程：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。①基礎(chǔ)：②手段：③結(jié)果：④目的：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律與生物功能關(guān)系改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)滿足人類生產(chǎn)和生活需求蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的，又叫作第二代基因工程。思考：蛋白質(zhì)工程是怎樣進行的呢？基本原理是什么？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由實例：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。蛋白質(zhì)工程手段：玉米中賴氨酸合成受兩種關(guān)鍵酶：天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶影響，改造這兩種酶，使賴氨酸含量提高。天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量達到一定濃度（－）（－）天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量提高第352位蘇氨酸變成異亮氨酸第104位天冬酰胺變成異亮氨酸↑5倍↑2倍改造前改造后目錄02二、蛋白質(zhì)工程的基本原理二、蛋白質(zhì)工程的基本原理★1.蛋白質(zhì)工程的目標根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造?！?.蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)通過改造或合成基因，來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。

思考：蛋白質(zhì)工程是直接對蛋白質(zhì)分子進行改造嗎？不是一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由思考：為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？原因：①任何一種天然蛋白質(zhì)都是由

編碼的，改造了

即對蛋白質(zhì)進行了改造，而且可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質(zhì)也是無法遺傳的。②對

進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多?；蚧蚧蚨?、蛋白質(zhì)工程的基本原理★1.蛋白質(zhì)工程的目標根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造?！?.蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)通過改造或合成基因，來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。3.天然蛋白質(zhì)合成的過程天然蛋白質(zhì)合成的過程是按照中心法則進行的。

基因→表達（轉(zhuǎn)錄和翻譯）→形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)→行使生物功能。而蛋白質(zhì)工程卻與之相反！二、蛋白質(zhì)工程的基本原理目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質(zhì)（三維結(jié)構(gòu)）行使生物功能預(yù)期功能設(shè)計推測改造或合成①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)★4.蛋白質(zhì)工程的基本思路二、蛋白質(zhì)工程的基本原理★4.蛋白質(zhì)工程的基本思路從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。①蛋白質(zhì)工程是在分子水平上進行②蛋白質(zhì)工程的基本思路是按照中心法則相反進行①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)資料分析：在正常人體內(nèi)，血液中胰島素的含量通常在進食后30-60分鐘就達到高峰，而目前使用的基因工程生產(chǎn)的胰島素制劑，注射120分鐘才出現(xiàn)高峰。科學家研究發(fā)現(xiàn)，天然胰島素分子容易聚合成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后往往需要經(jīng)歷一個逐漸解聚為單體的過程。①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)利用X射線晶體衍射，核磁共振等技術(shù)手段，充分了解胰島素的空間結(jié)構(gòu)。人胰島素結(jié)構(gòu)①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)B28脯氨酸B29賴氨酸研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸，或者將B28脯氨酸替換為天冬氨酸，可以保持天然胰島素的主要構(gòu)象，同時能降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集，大大增加了吸收速率。①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設(shè)計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29思考：如何找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列呢？①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸賴氨酸谷氨酸苯丙氨酸……查密碼子表思考：mRNA序列有幾種脫氧核苷酸序列有？4×1×2×2×2=32種32種①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸賴氨酸谷氨酸苯丙氨酸……查密碼子表……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列：GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G）UUU(或C)mRNA序列：脫氧核苷酸序列：GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)脫氧核苷酸序列：GCTTGGAAAGAATTTCGAACCTTTCTTAAA思考1：確定目的基因的堿基序列后怎樣才能合成或改造目的基因？（1）確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因，或從基因文庫中獲取、PCR技術(shù)擴增；（2）應(yīng)用基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等進而改造基因；思考2：然后如何獲得所需蛋白質(zhì)呢？改造后得到的基因序列通過PCR擴增后，通過基因工程技術(shù)獲得轉(zhuǎn)基因生物。從而生產(chǎn)出所需蛋白。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理補充：基因的定點突變技術(shù)——重疊延伸PCR技術(shù)①該過程需要______種引物；②PCR1的產(chǎn)物AB是引物___和引物___擴增的結(jié)果；③PCR2的產(chǎn)物CD是引物___和引物___擴增的結(jié)果；④產(chǎn)物AD的形成需要引物嗎？___________________________________⑤需要改變的堿基位于引物___和引物___上⑥引物b和引物c之間有什么關(guān)系？__________________________________⑦PCR3中突變產(chǎn)物AD的擴增需要引物___和引物___4abcdbc引物b和引物c應(yīng)有部分堿基互補的關(guān)系ad不需要，但需要耐高溫的DNA聚合酶二、蛋白質(zhì)工程的基本原理補充：基因的定點突變技術(shù)——重疊延伸PCR技術(shù)重疊延伸PCR技術(shù)：一項重要的基因定點突變技術(shù)，其主要設(shè)計思路是用具有互補配對片段的引物(圖中的引物2和3，突起處代表與模板鏈不能互補的突變位點)，分別進行PCR，獲得有重疊鏈的兩種DNA片段，再在隨后的擴增反應(yīng)中通過重疊鏈的延伸獲得想要的目的基因。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理補充：基因的定點突變技術(shù)——重疊延伸PCR技術(shù)二、蛋白質(zhì)工程的基本原理補充：基因的定點突變技術(shù)——重疊延伸PCR技術(shù)(1)由以上事例可知，要對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行改造，需要通過_________________________來完成。(2)若擬突變位點的堿基對為A—T，則需要讓其突變?yōu)開___________才能達到目的。引物2的突變位點(突起處)應(yīng)設(shè)計為_______(假設(shè)引物為單鏈DNA)。改造基因(基因定點突變)T—A或C—GA或G二、蛋白質(zhì)工程的基本原理補充：基因的定點突變技術(shù)——重疊延伸PCR技術(shù)(3)在第一階段獲得兩種具有重疊片段DNA的過程中，引物1、引物2組成的反應(yīng)系統(tǒng)和引物3、引物4組成的反應(yīng)系統(tǒng)中均進行一次復(fù)制，共產(chǎn)生____種DNA分子。該階段必須將引物1、2和引物3、4置于不同反應(yīng)系統(tǒng)中，這是因為__________________________________________________________________________________3引物2和3中存在互補配對片段，置于同一反應(yīng)系統(tǒng)時它們會發(fā)生結(jié)合而失去作用。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理補充：基因的定點突變技術(shù)——重疊延伸PCR技術(shù)(4)利用重疊延伸PCR技術(shù)還可以將兩個不同來源的DNA片段拼接起來。有人想利用該技術(shù)把基因M和N拼接在一起，設(shè)計基因M的引物M1、M2，基因N的引物N1、N2。在設(shè)計這4種引物時，特別要注意的問題是_________________________________________________________________________________。M1、M2中的一種引物與N1、N2中的一種引物必須具有互補配對的片段二、蛋白質(zhì)工程的基本原理(1)代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是________；代表中心法則內(nèi)容的是__________。(填寫數(shù)字)(2)寫出圖中各數(shù)字代表的生物學過程的名稱或內(nèi)容：①______；

②______；③______；④______；⑤__________。(3)蛋白質(zhì)工程的目的是__________________________________________________________，通過____________________實現(xiàn)。(4)從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是______的。④⑤①②③轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測改造合成根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，基因改造或基因合成相反對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行分子設(shè)計例：下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：目錄03三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成改造新胰島素基因B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置推測序列轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈行使功能速效胰島素類似物預(yù)期結(jié)構(gòu)折疊等阻礙胰島素從注射部位進入血液，延緩了降血糖作用三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)方面（2）延長干擾素體外保存時間干擾素（半胱氨酸）干擾素（絲氨酸）改造UGU、UGCAGU、AGCDNAmRNATGT(或C)ACA(或G)

AGT(或C)TCA(或G)

對編碼干擾素分子的基因進行改造時，利用什么技術(shù)進行堿基的替換？基因定點突變技術(shù)干擾素是人或動物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒的感染和癌癥。但在體外保存相當困難。如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么在零下70℃的條件下，可以保存半年。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)方面（2）延長干擾素體外保存時間干擾素是人或動物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒的感染和癌癥。但在體外保存相當困難。如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么在零下70℃的條件下，可以保存半年。天然干擾素不易保存改造新干擾素基因預(yù)期功能延長保存時間設(shè)計結(jié)構(gòu)氨基酸替換一個半胱氨酸變成絲氨酸推測序列預(yù)期結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄mRNA折疊翻譯多肽鏈行使功能在-70℃下可以保存半年三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)方面（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)小鼠單克隆抗體會使人產(chǎn)生免疫反應(yīng)，降低治療效果?？茖W家通過改造基因，將小鼠單克隆抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，降低了誘發(fā)人體免疫反應(yīng)的強度。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)方面（4）提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性第3位上的異亮氨酸半胱氨酸與第97位的半胱氨酸形成-s-s-三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用2.其他工業(yè)方面廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值?？莶輻U菌蛋白酶三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3.農(nóng)業(yè)方面（1）科學家正在嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3.農(nóng)業(yè)方面（2）科學家利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強。設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥（如蘇云金桿菌-Bt殺蟲蛋白）伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥二、蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。目前對其了解還很不夠，還需探索。要設(shè)計出更符合人類需要的蛋白質(zhì)還需不斷地攻堅克難。隨著科技的發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人帶來更多的福祉。①

面臨的問題★②難度大的原因前景展望４.蛋白質(zhì)工程面臨的問題三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用比較項目蛋白質(zhì)工程基因工程相同操作對象操作水平區(qū)別操作流程結(jié)果實質(zhì)聯(lián)系從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→基因表達載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定通過改造或合成基因定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的新的生物類型和生物產(chǎn)品創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程基因DNA分子水平三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程思考：如何判斷一個操作過程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程理論基礎(chǔ)技術(shù)手段目標基本思路實踐應(yīng)用蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系通過改造或合成基因,來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求,對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。藥物研發(fā)改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶增加糧食產(chǎn)量、研發(fā)新型農(nóng)藥習題檢測(1)蛋白質(zhì)工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質(zhì)(

)(2)對蛋白質(zhì)的改造是通過直接改造相應(yīng)的mRNA來實現(xiàn)的(

)(3)由于蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，空間結(jié)構(gòu)千差萬別，蛋白質(zhì)工程操作難度很大(

)(4)蛋白質(zhì)工程不能改變蛋白質(zhì)的活性(

)√××√習題檢測一、概念檢測1.蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸。判斷下列相關(guān)表述是否正確。（1）基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進行操作（

）（2）蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。（

）（3）蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。（

）××√習題檢測2.蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基