蛋白质工程的应用

1、专题1 基因工程 蛋白质工程 扬大附中 朱凤兰导入普通棉花(无抗虫特性)苏云金芽孢杆菌提取抗虫基因棉花细胞(含抗虫基因)棉花植株(有抗虫特性)重组DNA形成复习与思考：以上抗虫棉的培育使用了什么技术？说说该技术的操作流程。你认为这个技术的实质是什么？基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一种生物体内，使后者产生 ，进而表现出 。基因本不能产生的蛋白质新的性状基因异体表达它产生的蛋白质自然界中有吗？ 基因工程原则上只能生产 的蛋白质。这些天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的，它们的 符合特定物种 的需要。但它们能否完全满足人类生产和生活的需要呢？蓝玫瑰转基因矮牵牛转基因小鼠 基因工程的成果基因工

2、程的不足：自然界已经存在进化生存结构和功能阅读人教版P26第二自然段思考： 科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸的产量上面临什么样的问题？如何解决这些问题？一、蛋白质工程崛起的缘由学习任务1.改造干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）体外70可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶（352位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造问题1：解决：蛋白质功能不能满足需求改变蛋白质的结构蛋白质工程的目标: 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计，生产 符合人们需要的、

3、甚至自然界不存在的蛋白质。-半胱氨酸-体外很难保存？如何改造-丝氨酸-体外可以保存半年问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？干扰素干扰素（改）思考与讨论(你认为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？能否说出你的理由？) 蛋白质的高级结构非常复杂 ,人类对蛋白质的高级结构和如何行使功能知之甚少，有待进一步探索。 应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造。 主要原因如下：（1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。基因改造-可遗传； 蛋白质改造-

4、-不可遗传（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。二、蛋白质工程的基本原理 1.原理：改造基因（基因修饰或基因合成）温故知新：天然蛋白质如何合成呢？ 逆转录转录DNARNA翻译蛋白质复制复制天然蛋白质的合成遵循中心法则转录DNA（基因）mRNA翻译形成氨基酸序列的多肽链盘曲折叠形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能 蛋白质工程的目标是生产符合人们需要的蛋白质，应该从哪里出发？天然蛋白质合成过程：. 途径:预期的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相对应的脱氧核苷酸序列（基因）中心法则的逆推学习任务2： mRNA核苷酸序列 GCU/C/A/G UGG AA

5、A/G AUG UUU/C DNA脱氧核苷酸序列 CGA/G/T/C ACC TTT/C TAC AAA/G根据以下氨基酸序列写出决定这一肽链的脱氧核苷酸序列。 已知部分氨基酸的密码子： 丙氨酸为GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸为UGG 赖氨酸为AAA、AAG 甲硫氨酸AUG 苯丙氨酸UUU、UUC 氨基酸序列 丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸 想一想：1.控制此多肽合成的基因中的碱基序列可能有多少种？想一想：氨基酸序列与密码子序列、脱氧核苷酸序列之间有什么关系？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（DNA）？ 根据人类的需要改造它,通过人工合成的方法或根据蛋白质改

6、造部位多少,进行大改、中改、小改。如何进行大改、中改、小改？学习任务3： 阅读苏教版P35-37并完成以下填空：1.蛋白质的改造：大改:设计并制造自然界中不存在的_，使之具有特定的 序列、空间结构和 。中改:在蛋白质分子中改变 的结构。小改:通过基因工程中的 技术，有目的改造蛋白质分子中某活性部位的 氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能。全新蛋白质 氨基酸 预期功能 某一多肽链片段或一个特定 定点诱变 一个或几个 学习任务4.在基因水平上实现对蛋白质的改造 你能否利用具有正常基因的载体质粒，含突变序列的引物 GCC,4种游离的脱氧核苷酸,DNA聚合酶,DNA连接酶等条件。借鉴PCR技术反应过程

7、，在导学案上模拟改造基因改造蛋白质的过程。（参考苏教版P36页积极思维）？事实1.改变蛋白质肽链中的个别氨基酸或一段氨基酸序列可以实现对蛋白质的改造。事实2.改变蛋白质肽链中的个别氨基酸时,通常采用定点诱变技术获得人类需要的目的蛋白质。归纳：1.基因定点诱变技术实际上就是基因中 的定向改变。2.PCR技术是基因定点诱变的常用方法：先通过 获得定点突变的基因，再通过 的方法，将突变基因导入 细胞，经过 合成所需的蛋白质。 可见蛋白质工程的基础是 工程，蛋白质工程是第二代基因工程。一个或几个核苷酸 PCR扩增转录和翻译基因工程 受体 基因 （PCR技术，基因工程 ）基因定点诱变技术 项目内容条件原

8、料酶引物能量 操作方法 法 结 果适应范围后代中半数为诱变的分子脱氧核苷酸聚合酶、连接酶含突变顺序的分子片段空间结构完全清楚的蛋白质与基因突变相比，基因定点诱变技术有什么特点？定向改造蛋白质三维结构氨基酸序列多肽链基因DNA预期功能DNA合成分子设计mRNA生物功能转录翻译折叠4.蛋白质工程流程图中心法则 中心法则的逆推 蛋白质工程（小改）的主要步骤通常包括：从生物体中分离纯化目的蛋白；测定其氨基酸序列；借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维结构和三维晶体结构;设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；设计编码该蛋白的基因改造方案，如

9、点突变；通过基因工程表达，分离、纯化新蛋白,功能检测后投入实际使用。5.蛋白质工程的概念(人教)蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。（苏教）通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。基础：了解 ；途径： ；目标： ,满足人类的生产或生活的需要蛋白质的结构与功能基因改造（基因修饰或制造）定向改造或制造蛋白质归纳：蛋白质工程与基因工程的比较项目 蛋

10、白质工程 基因工程过程实质结果联系改造基因基因异体表达生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质蛋白质工程是第二代基因工程，必须通过基因修饰或基因合成才能实现预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测核苷酸序列合成DNA ，表达出蛋白质获取目的基因构建表达载体导入受体细胞目的基因的检测与表达谢谢！三.蛋白质工程的应用 实例：科研人员通过蛋白质工程来设计改变酶的构象。在研究溶菌酶的过程中，得到了多种突变酶，测得酶50发生变性时的温度(Tm)，部分结果见下表： 酶半胱氨酸(Cys)的位置和数目 二硫键数目 Tm野生型T。溶菌酶 Cys51，Cys97 无 41.9 突变酶1 Cys21，C

11、ys143 1 52.9 突变酶2Cys3,Cys9,Cys21,Cys142,Cys164 3 65.5从上述资料中可以看出溶菌酶热稳定性的提高，是通过改变 、 得以实现的。从热稳定性高的酶的氨基酸序列出发，利用 方法获得目的基因，通过基因工程的手段，可以生产自然界中不存在的蛋白质，属于 工程。(注：Cys上角的数字表示半胱氨酸在肽链的位置)半胱氨酸(Cys)的位置和数目二硫键数目 人工合成 蛋白质 改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性。 制药领域 鼠源杂交瘤抗体对癌细胞有特异的识别能力和杀伤力，但有导致机体过渡敏感的副作用。 怎么改进？说说流程.放眼社会、拓展视野。蛋白质工程应用前景广阔

12、。 蛋白质工程不仅能更充分地利用自然界中存在的蛋白质，而且能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界不存在的蛋白质。谢谢！-半胱氨酸-体外很难保存？如何改造-丝氨酸-体外可以保存半年问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改造后的该部分序列吗？ （半胱氨酸：UGU；丝氨酸：UCU）干扰素干扰素（改）思考与讨论能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入适合的细菌中，让细菌生产人类需要的蛋白质食品呢？异想天开： 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然界不存在的蛋白质。 主要是因

13、为蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的 思维误区： 蛋白质工程就是酶工程吗？ 酶大多是蛋白质。酶工程包括酶制剂的生产和应用两方面，其重点在于对已存在酶的合理充分利用。 而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。 酶工程至多是蛋白质工程的一部分。项目基因工程蛋白质工程操作起点操作核心过程目标结果联系目的基因预期的蛋白质功能基因表达载体基因获取目的基因构建表达载体导入受体细胞目的基因的检测与表达预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测

14、核苷酸序列合成DNA ，表达出蛋白质定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品定向改造或生产人类所需的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质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。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋白质重组 创新四、蛋白质工程的进展和前景进展：胰岛素速效型药品的生产 前景：微电子方面、干扰素、高产赖氨酸玉米的设计等思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较比较基因定点诱变基因突变相同点发生的过程结果不同点场所手段方向DNA复制过程中产生新基因，从而产生新性状生物体外生物体内定向改造不定向性PCR技术物理

15、化学生物（一）蛋白质工程的内容 蛋白质工程的内容主要有两方面：一是根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；二是确定蛋白质的化学组成及空间结构与生物功能之间的关系。 实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质的结构和功能的关系。（二）蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。异想天开能

16、不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？理论讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。五、蛋白质工程的进展和前景1.进展胰岛素速效型药品 2.前景制作电子元件3.现状蛋白质工程目前成功的例子不多,原因是对蛋白质的高级结构了解不够。要设计出更

17、加符合人类需求的蛋白质还需经过艰辛的探索。应用于微电子方面具有 、耗电少和 的特点体积小效率高3.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。 通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中

18、，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。 1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（ ）A是生物在长期进化过程中形成的B它们的结构和功能符合特定物种生存的需要C构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种D一定完全符合人类生产和生活的需要练习检测D2蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 氨基酸结构 B蛋白质空间结构 C肽链结构 D基因结构 3下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）A蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要B蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构C蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）A、蛋白质工程以基因工程为基础B、蛋白质工程就是酶工程的延伸C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D、蛋白质