蛋白质工程的原理和应用高二下学期生物人教版选择性必修3

蛋白质空间结构蛋白质空间结构蛋白质工程优质食物蛋白3.4蛋白质工程的原理和应用

理科生的浪漫——细菌画画自然界中的细菌本身有颜色，但是不会发出荧光。想一想：如何让细菌能发出荧光？荧光蛋白基因细菌荧光蛋白导入荧光蛋白基因表达基因工程：基因工程实质：基因工程是将一种生物的

转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的

，进而表现出

。基因蛋白质新性状自然界中存在的荧光蛋白只有绿色荧光蛋白，能否通过基因工程，获得黄色荧光蛋白呢？不能。基因工程不足：原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的

符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合

的需要。

天然蛋白质的不足:结构和功能人类生产和生活一.蛋白质工程崛起的缘由基因工程手段：实例：提高玉米中赖氨酸的含量来满足人类生活需求。将赖氨酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高赖氨酸的含量，提高营养价值。例如：蛋白质A和蛋白质B均由8个氨基酸单体组成蛋白质A：蛋白质B：那么蛋白质B的赖氨酸含量多，可以对应找到编码蛋白质B的基因作为目的基因导入玉米中。表示赖氨酸一.蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程手段：实例：提高玉米中赖氨酸的含量来满足人类生活需求。玉米中赖氨酸合成受两种关键酶：天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶影响，改造这两种酶，使赖氨酸含量提高。天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶+赖氨酸合成（＋）赖氨酸含量达到一定浓度（－）（－）天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶+赖氨酸合成（＋）赖氨酸含量提高第352位苏氨酸变成异亮氨酸第104位天冬酰胺变成异亮氨酸↑5倍↑2倍改造前改造后一.蛋白质工程崛起的缘由自然界中存在的荧光蛋白只有绿色荧光蛋白，能否通过基因工程，获得黄色荧光蛋白呢？不能。基因工程不足：原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的

符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合

的需要。

天然蛋白质的不足:结构和功能人类生产和生活对蛋白质分子进行设计和改造的“蛋白质工程”开始崛起！蛋白质工程崛起的缘由一.蛋白质工程崛起的缘由12蛋白质工程的概念对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。蛋白质工程：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。①基础：②手段：③结果：④目的：蛋白质的结构规律与生物功能关系回顾旧知种类蛋白质氨基酸多肽脱水缩合盘曲折叠C、H、O、N等元素组成21种（13+8）结构通式氨基酸的种类、数量、排列顺序、肽链的空间结构结构多样性功能结构成分催化（酶）运输功能免疫调节功能多样性生命活动的主要承担者CCOOHHH2NR基本单位蛋白质工程的概念对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。蛋白质工程：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。①基础：②手段：③结果：④目的：蛋白质的结构规律与生物功能关系改造或合成基因改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质满足人类生产和生活需求蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的，又叫作第二代基因工程。直接对蛋白质进行改造？蛋白质功能执行依赖于正确的高级结构，而蛋白质的高级结构非常复杂，改造难度大且不能遗传。对决定蛋白结构的基因改造？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。合成和改造脱氧核苷酸序列比较容易。改造基因可以遗传给下一代。

蛋白质工程的实质：对蛋白质结构改造最终必须通过改造或合成基因来完成。蛋白质工程的概念

思考：为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？回顾旧知转录翻译蛋白质DNA复制RNA逆转录复制中心法则TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻译转录天然的蛋白质合成过程时按照中心法则来进行的：形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能二.蛋白质工程的基本原理蛋白质工程与天然蛋白质的合成方向相反：TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻译转录形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能预期的蛋白质新功能设计预期的新蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测应有的脱氧核苷酸序列合成新基因或改变原来脱氧核苷酸序列转录出新的mRNA序列翻译出新的蛋白质行使蛋白质预期功能二.蛋白质工程的基本原理实例：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。——用绿色荧光蛋白改造出黄色荧光蛋白让荧光蛋白发黄色荧光设计黄色荧光蛋白的结构推测黄色荧光蛋白的氨基酸序列找到并改变绿色荧光蛋白基因的脱氧核苷酸序列或合成新的基因获得黄色荧光蛋白蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。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。二.蛋白质工程的基本原理●蛋白质工程的应用实例●蛋白质工程的发展前景三.蛋白质工程的应用①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质资料分析：在正常人体内，血液中胰岛素的含量通常在进食后30-60分钟就达到高峰，而目前使用的基因工程生产的胰岛素制剂，注射120分钟才出现高峰。科学家研究发现，胰岛素分子容易聚合成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往需要经历一个逐渐解聚为单体的过程。这在一定程度上延缓了疗效。胰岛素六聚体胰岛素单体利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术手段，充分了解胰岛素的空间结构。发现人胰岛素由a链和B链构成，其中的第20-29位氨基酸是胰岛素分子相互作用的形成多聚体的关键区域，改变这个区域的分子组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质研究发现，调换胰岛素B链B28脯氨酸和29位B29赖氨酸位置，或者将B28脯氨酸替换为天冬氨酸，可以保持天然胰岛素的主要构象，同时能降低分子自聚力，显著抑制单聚体聚集，大大增加了吸收速率。B29赖氨酸如何设计？①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质B28脯氨酸B29赖氨酸B28赖氨酸B29脯氨酸①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质B28脯氨酸B28天冬氨酸①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质Aps天然胰岛素B链部分氨基酸序列：酪氨酸苏氨酸脯氨酸赖氨酸苏氨酸设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质

思考：如何找到对应的脱氧核苷酸序列呢？查密码子表得知推知mRNA序列推知DNA序列①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质查密码子表得知推知mRNA序列共64种可能序列推知DNA序列共64种可能序列天然胰岛素B链部分氨基酸序列：苏氨酸脯氨酸赖氨酸苏氨酸设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29mRNAmRNA酪氨酸酪氨酸①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质改造后得到的基因序列：①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质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？

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。然后如何获得所需蛋白质呢？改造后得到的基因序列：①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质改造后得到的基因序列通过PCR扩增后，通过基因工程技术获得转基因生物。从而生产出所需蛋白。获得所需蛋白质：酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29mRNA翻译改造后得到的基因序列：转录①预期蛋白质的功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质拓展基因定点突破技术基因定点突变的目的是通过定向地改变基因内一个或少数几个碱基来改变多肽链上一个或几个氨基酸。该技术是蛋白质工程的重要技术。基因定点点突变技术主要分为PCR定点突变技术和不依赖PCR的定点突变技术，这两类定点突变技术互为补充。拓展基因定点突破技术1.PCR定点突变技术该技术要使用四条引物。引物2和引物3的突起处代表与模板链不能互补的突变位点，而这两条引物有部分碱基(包括突变位点)是可以互补的。因此，分别利用引物1和引物2，引物3和引物4进行PCR后，得到的DNA片段可以通过引物2和引物3互补的碱基杂交在一起，它们再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成为一条完整的DNA片段。最后，用引物1和引物4进行扩增得到含有突变位点的DNA片段。通过测序可以检测定点突变是否成功。拓展基因定点突破技术2.不依赖PCR定点突变技术寡核苷酸引导的突变的技术流程如图3-11所示。首先人工合成一段含有特定突变位点的单链寡核苷酸片段(除突变位点外，该片段的其他部分可以与目的基因互补配对);然后将该寡核苷酸片段与带有目的基因的单链载体(通常由M13噬菌体衍生而来)进行杂交;继而在DNA聚合酶和DNA连接酶的作用下分别进行DNA链的合成和连接反应，得到含有突变位点的双链载体;最后将双链载体引入宿主细胞复制，并进行筛选和鉴定。三.蛋白质工程的应用延长干扰素的保存时间背景：干扰素是抗病毒特效药，但是在体外保存相当困难。改造：将干扰素分子的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃条件下可以保存半年。降低鼠单克隆抗体的免疫反应——人鼠嵌合抗体原理：将小鼠抗原的可变区与人抗体的恒定区“拼接”，使改造后的抗体诱发免疫反应强度降低很多。三.蛋白质工程的应用改进酶的性能或开发新的工业用酶；尝试改造某些参与调控光合作用的酶，提高光合作用效率，增加粮食产量；例如：利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，从中筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，提高这种酶的使用价值。工业方面的应用农业方面的应用设计优良微生物农药（如苏云金杆菌-Bt杀虫蛋白），改造微生物蛋白质结构，使它防治病虫害的效果增强。蛋白质工程与基因工程的区别与联系比较项目基因工程蛋白质工程区别起点过程实质

结果联系生产自然界中已存在的蛋白质生产自然界中非天然的蛋白质定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品改造或制造人类所需要的蛋白质预期的蛋白质功能目的基因获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定预期蛋白质功能→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。判断蛋白质工程与基因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二看蛋白质一看基因是否为天然蛋白质是否蛋白质工程基因工程基因工程还是或蛋白质工程辨别课堂小结蛋白质工程崛起的缘由基因工程的局限性蛋白质工程的应用速效胰岛素类似物的设计医药工业方面的其他应用天然蛋白质不能完全满足生产生活需求蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的基本思路蛋白质工程的改造必须通过改造或合成基因完成蛋白质工程基本思路的应用蛋白质工程在工业、农业方面的应用

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。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异想天开一、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