蛋白质工程的原理和应用 高二生物新人教版选择性必修三

你见过用细菌画画吗?发出不同颜色荧光的细菌【思考】为什么这些细菌能够发出荧光？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

，科学家通过

它，获得了黄色荧光蛋白等。绿色荧光蛋白改造科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？第三章

基因工程第4节

蛋白质工程的原理和应用蛋白质工程1.定义

指以

及其与

的关系作为基础，通过

或

基因，来

蛋白质，或

蛋白质，以满足

。蛋白质分子的结构规律生物功能改造合成改造现有制造一种新的人类生产和生活的需求蛋白质工程是在

的基础上，延伸出来的

，是涉及多学科的综合科技工程。基因工程第二代基因工程2.理论和技术条件

、

以及

的迅猛发展。分子生物学晶体学计算机技术一、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质:基因工程是将

生物的

转移到

生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的

，进而表现出新性状。基因一种另一种蛋白质2.基因工程的不足:基因工程原则上只能生产自然界中

的蛋白质。已存在（天然）天然蛋白质的缺陷它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。3.实例:达到一定浓度352位的苏氨酸变成

.二氢吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶赖氨酸合成调控+104位的天冬酰胺变成

.两种酶的活性抑制提高赖氨酸含量限制提高5倍提高2倍异亮氨酸异亮氨酸提高二、蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的目标：

根据人们对蛋白质

的特定需求，对蛋白质的

进行设计改造。功能结构【回顾】天然蛋白质的合成过程与性状表达：DNA转录mRNA翻译肽链盘曲折叠具有空间结构的蛋白质表达生物特有的功能或性状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。天然蛋白质的合成是按照

进行的中心法则2.蛋白质工程的方法：基因决定蛋白质要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过

或

来完成。改造合成基因3.蛋白质工程的思路：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并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因逆中心法则可创造出自然界不存在（非天然）的蛋白质蛋白质工程的直接操作对象是基因【思考】对天然的蛋白质进行改造，为什么不是直接对蛋白质分子

进行操作，还是通过对基因的操作来实现的？①蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；②蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；【思考】怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？查遗传密码子表；碱基互补原则【思考】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？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。【拓展延伸】根据蛋白质的改造程度，对蛋白质改造可分三类：①大改：设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。②中改：③小改：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。三、蛋白质工程的应用实例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改造B28位脯氨酸替换为天冬氨酸新胰岛素基因转录mRNA预期功能降低胰岛素的聚合作用改变B链第20～29位氨基酸组成有效抑制胰岛素的聚合设计结构推测序列或将它与B29位的赖氨酸交换位置多肽链翻译预期结构折叠行使功能由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。在医药方面的应用实例2：延长干扰素体外保存时间天然干扰素不易保存改造一个半胱氨酸变成丝氨酸新干扰素基因转录mRNA预期功能延长保存时间氨基酸替换在-70℃下可以保存半年设计结构推测序列多肽链翻译预期结构折叠行使功能实例3：改造抗体——降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应医学问题：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。解决办法：通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。使人体的不良反应减少三、蛋白质工程的应用在工业方面的应用广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶例：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。在农业方面的应用①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；②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；四、蛋白质工程的困难蛋白质工程是一项

的工程。难度很大主要原因：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和基因工程的比较项目蛋白质工程基因工程区别操作对象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，定向改造或生产人类所需的蛋白质基因重组，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蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造或合成的基因同样需要导入受体细胞。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何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？练习与应用一、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。()××√练习与应用一、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D练习与应用一、概念检测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二、拓展应用1.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。(1)这项工作属于什么工程的范畴?(2)在该实例中引起T4溶菌酶空间