蛋白质工程的原理和应用（教学课件） 高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第3章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用●1955年由英国科学家桑格(S.Sanger)首先确定牛胰岛素

中氨基酸的组成和排列顺序，桑格也因此荣获1958年诺贝尔

化学奖。●从1958年开始，中国科学院上海生物化学研究所、中国科学

院上海有机化学研究所和北京大学化学系三个单位联合，以

王应睐为首，组成一个协作组，在前人对胰岛素结构和肽链

合成方法研究的基础上，开始探索用化学方法合成胰岛素。●在1965年9月17日完成了结晶牛胰岛素的全合成。●经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。这是世界上第一个人工

合成的蛋白质。这项成果获1982年中国自然科学一等奖。我们还在利用化学方法合成胰岛素吗?结晶牛胰岛素发展小史01蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的优势及缺陷①优势：目的基因→

重组DNA

分子→受体细胞→定向改造生物遗传特

性→获得蛋白质产品②缺陷：基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。不

一定完全符合人类生产和生活的需要。理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。蛋白质具有复杂的空间结构，表达生物特有的功能和性状。蛋白质的功能由基因决定，要制造出新的蛋白质就要改造基因第二代基因工程

呼之欲出!中心法则：纂翻译蛋白质复

(

RNA制转录逆转录DNA2

.

蛋

白

质

工

程

概

念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。思考：1.对天然蛋白质分子进行改造，是以蛋白质分子为操作对象，还是基因?2.蛋白质工程中如何构建新基因?(1)怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?氨基酸序列

……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……mRNA

序列

GCU(或C或A或G)UGG

AAA(或G)GAA(或G)UUU

(或C)CGA(或G或T或C)ACC

TTT(或C)CTT(

或C)AAA(或G)脱氧核苷酸序列

GCT(

或C或A或G)TGGAAA(

或G)GAA

(

或G)TTT(

或C)32种可能序列思考

·讨论苯丙

氨酸赖氨酸丙氨酸色氨酸谷氨酸(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?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

。举例赖氨酸含量低合成时需：

天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成酶。苏氨酸(352位)产量提高异亮氨酸浓度影响酶活性天冬酰胺(104位)异亮氨酸02

蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构

进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。行使生物功能2020年AlphaFold

(源自Google的Deepmind团队，曾设计过阿尔法狗)可实现精准预测蛋白质的三维结构形成具有特

定氨基酸序

列的多肽链转录、翻译hing

D48-4nde'Itwillchangeeverything':DeepMind'sAImakesgigantic

leap

insolvingproteinstructuresGooglesdep

katningpogam

MDshapestransformbiobogy.sy2.

天然蛋白质合成过程：按照中心法则进行形成具有

高级结构的蛋白质基因表达mm思考：与中心法则的关系?天然蛋白质合成的过程按照中心法则进行，

而蛋白质工程的原理却是中心法则的逆运用目的基因转录行使蛋白质(三维结构)预期功能生物功能设计推测

改造或合成折叠

翻译多肽链

mRNA3.

蛋白质工程的基本思路1.对天然胰岛素进行改造时，操作对象是胰岛素还是胰岛素基因?请说明理由。胰岛素基因。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，且这种改造可以遗传下去。2.请从蛋白质角度对基因工程和蛋白质工程进行比较。3构建新的蛋血质模型是蛋质正程的联键，痰中构建新的胰鼾素模型的庄要健据是造，线制造一种

新的蛋白质。4.对吞然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，

是就通是

实现?5.图解中从新的胰岛素模型到薪的胰岛素基因的基苯患路是行么?通过对基因的操作来实现对天然蛋白质改造。根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成新的

胰岛素基因。也还合作探究

蛋白质工程与基因工程的关系胰岛素可以用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人

体后，会堆积在皮下，并且要经过较长时间才能进入

血液中，而进入血液的胰岛素又容易被分解，因此，治

疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰

岛素的生产过程，请据图回答有关问题：新的胰岛素在大肠杆菌或其他细胞中表达人工合成DNA新的胰岛素基因高级结构计算机设计

及作图新的胰岛素模型生化制备与重折叠

胰岛素结晶X射线晶体衍射(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是④⑤;代表中心法则内容的是

①②③

。(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转录；②翻译；③折叠；④推测；⑤改造合成。(3)蛋白质工程的目的是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，通过基因改造或基因合成实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的。习题巩固下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：蛋白质

—

预期功能

三维结构→

生物功能氨基酸序列

②

多肽链基因DNA

①⑤mRNA④③I.医药工业方面√速效胰岛素类似物研发

√可长期保存的干扰素√人鼠嵌合抗体OAWTIVRVEILRNFYFINRLTGYLRNβ

-干扰素氨基酸序列(源自Genbank)三个半胱氨酸易发生二硫键错配，将17位

半胱氨酸替换为丝氨酸，可提高稳定性MSYNLLGFLQRSSNFCOQKLLWQLNGRLEYOLKDRMNFDIPEEIKQLQQF

QKEDAALNIY

EMLQNIFAIF

RQDSSSTGWN

ETIVENLLAN

VYHQINHLKT

VLEEKLEKED

FTRGKLMSSL

HLKRYYGRILHYLKAKEYSH速效胰岛素(赖脯胰岛素注射液，B28

脯氨酸与B29

赖氨酸交换位置)蛋白质工程的应用03对人体的不良反应减少改进酶的性能或开发新的工业用酶如：适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶III.

农业方面改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量设计微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强；

蛋白质食品的工厂化生产想象图II.其它工业方面蛋白质工程——难度大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