蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用 【知識精講架構(gòu)+備課精研精梳】 高二生物 課件（人教版2019選擇性必修3）

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用第3章基因工程從社會中來

上面幾幅圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)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(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計和改造的呢？一、蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(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。

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。1.基礎(chǔ):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2.操作方法及對象:改造或合成基因3.結(jié)果:改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)4.目的:以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求5.地位:6.理論和技術(shù)：分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計算機(jī)技術(shù)

將一種生物的____轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它__________________，進(jìn)而表現(xiàn)出________二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的實質(zhì)：基因本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)新的性狀②基因工程的局限性：_______________________________原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)2.

蛋白質(zhì)工程的崛起:③天然蛋白質(zhì)是生物長期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要；

如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。①理論和技術(shù)條件:___________、晶體學(xué)以及計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。分子生物學(xué)實例：賴氨酸含量低合成時需：天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。濃度影響酶活性蘇氨酸(352位）異亮氨酸產(chǎn)量提高天冬酰胺(104位)異亮氨酸你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？

人類蛋白質(zhì)組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國際合作科研項目。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動兩項重大國際合作項目：一項是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”；另一項是由美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕。

“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質(zhì)組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國際科研協(xié)作計劃。它的目標(biāo)是通過對肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)?；难芯浚馕龈闻K蛋白質(zhì)在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

人類蛋白質(zhì)組計劃取得的成果有力推動了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質(zhì)組計劃啟動。三、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：

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(jìn)行設(shè)計改造。2.改造蛋白質(zhì)的方法：改造或合成基因5.天然蛋白質(zhì)合成過程：按照中心法則進(jìn)行基因表達(dá)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)形式生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯3.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)4.結(jié)果：生產(chǎn)出自然界沒有的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程的基本思路6.蛋白質(zhì)工程思路：逆中心法則

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)。三、蛋白質(zhì)工程的基本原理項目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對象操作起點操作水平操作流程結(jié)果實質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→找到并改變對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，即天然蛋白質(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)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因

工程。②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程基本操作。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因基因工程與蛋白質(zhì)工程的比較課堂小結(jié)蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）則：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸2.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？

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目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程二看蛋白質(zhì)一看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程方法思考異想天開

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計出一個全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計并獲得了一個全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長期深入的研究。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用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)期結(jié)構(gòu)改造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新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使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位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長保存時間設(shè)計結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年2.延長干擾素體外保存時間四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

通過改造基因，將小鼠抗體上結(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，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會減低很多。

小鼠單克隆抗體會使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低3.改造抗體—降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)醫(yī)學(xué)問題:解決辦法:四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用4.其他應(yīng)用①改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；②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速率，增加糧食的產(chǎn)量；③設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，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(qiáng)；

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。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)5.面臨的困難：蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程；主要原因：

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)雜由計算機(jī)建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用6.前景展望：

科學(xué)家要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用思考為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？①蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳；到社會中去

酶用作工業(yè)催化劑，比無機(jī)催化劑具有更大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。由于酶促反應(yīng)能在常溫、常壓和中性pH條件下進(jìn)行，因此可以節(jié)省大量的能源和設(shè)備投資；生產(chǎn)過程中不會造成嚴(yán)重的污染，符合環(huán)境保護(hù)的要求；生產(chǎn)過程簡單、效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)成本低。因此，酶制劑在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，通過引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備、優(yōu)良菌種以及開發(fā)新型酶制劑，我國酶制劑產(chǎn)業(yè)保持了較快的增長態(tài)勢，品種越來越豐富，產(chǎn)品的市場競爭力也在不斷提升。2016年，我國工業(yè)酶制劑年產(chǎn)量達(dá)120萬噸，年增長率保持在10%左右。在全球范圍內(nèi)，我國酶制劑的市場份額已占到了30%左右，我國進(jìn)入酶制劑生產(chǎn)大國的行列。在酶制劑產(chǎn)業(yè)中，蛋白質(zhì)工程被廣泛用于開發(fā)酶的新品種或改進(jìn)酶的性能，如提高酶的熱穩(wěn)定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測（P96）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(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進(jìn)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。()××√練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測（P96）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)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是()A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求D練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測（P96）3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項替換研究中，目前可行的直接操作對象是()A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D、蛋白質(zhì)A2023/2/5二、拓展應(yīng)用（P96）練習(xí)與應(yīng)用T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項工作屬于什么工程的范疇?在該實例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么?如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實踐，還需要做哪些方面的工作?這項工作屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是基因的堿基序列發(fā)生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，還有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此它的一些基本特性需要重新明確，包括它能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等；需要建立規(guī)?；a(chǎn)該酶的技術(shù)體系，評估生產(chǎn)成本等。復(fù)習(xí)與提高1.(1)①應(yīng)選擇用相同的限制酶或切割能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割質(zhì)粒和含有目的基因的DNA片段;②注意限制酶的切割位點不能位于目的基因的內(nèi)部，以防破壞目的基因;③限制酶也不能破壞質(zhì)粒的啟動子、終止子、標(biāo)記基因、復(fù)制原點等結(jié)構(gòu)。(2)加入DNA連接酶。復(fù)習(xí)與提高(3)該質(zhì)粒便于進(jìn)行雙重篩選。標(biāo)記基因Amp基因可用于檢測質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，一般只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長。由于LacZ基因的效應(yīng)，這些生長的菌落可能出現(xiàn)兩種顏色：含有空質(zhì)粒（沒有連接目的基因的質(zhì)粒）的大腸桿菌菌落呈藍(lán)色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。（4)含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。因為目的基因