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(共32張PPT)
為什么這些細菌會發(fā)出不同顏色的熒光？
因為在它們的體內(nèi)導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
改造
黃色熒光蛋白
及其他顏色的熒光蛋白
這些熒光蛋白在細胞內(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。
如何改造蛋白質(zhì)？
3.4
蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用
一、蛋白質(zhì)工程的概念（P93）
1.概念
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。
基礎(chǔ)
操作手段及對象
結(jié)果
目的
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，是涉及多學科的綜合科技工程。
Q1：為什么不能用基因工程技術(shù)讓細菌發(fā)出黃色熒光？
自然界中存在的熒光蛋白只有綠色熒光蛋白，不能通過基因工程，獲得黃色熒光蛋白。
Q2：基因工程的實質(zhì)是什么？有什么局限性？
①實質(zhì)：基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新性狀。（基因重組）
②不足：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。（天然蛋白質(zhì)是生物長期進化過程中形成的，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。）
1.3 傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)
思考·討論
二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（P93）
1.緣由
①基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)；
②天然蛋白質(zhì)是生物長期進化過程中形成的，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。
二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（P93）
2.舉例：提高玉米賴氨酸含量
賴氨酸合成
調(diào)控
達到一定濃度
兩種酶的活性
352位的蘇氨酸變成異亮氨酸
二氫吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺變成異亮氨酸
賴氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（P93）
2.舉例：提高玉米賴氨酸含量
天冬氨酸激酶
二氫吡啶二羧酸合成酶
第352位:
蘇氨酸
異亮氨酸
變成
第104位:
天冬酰胺
異亮氨酸
變成
三、蛋白質(zhì)工程的基本原理（P93）
1.目標
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)進行設(shè)計改造。
2.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)。
Q：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。
三、蛋白質(zhì)工程的基本原理（P93）
3.基本思路
①從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→③推測應(yīng)有的氨基酸序列→④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→⑤獲得所需要的蛋白質(zhì)。
目的基因
轉(zhuǎn)錄
翻譯
多肽鏈
折疊
蛋白質(zhì)
（三維結(jié)構(gòu)）
行使
生物功能
預(yù)期功能
設(shè)計
推測
改造或合成
mRNA
逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反
構(gòu)建蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)：
借助計算機
獲得蛋白質(zhì)晶體：
晶體學技術(shù)
分析晶體的結(jié)構(gòu)：
通過X射線衍射技術(shù)
堿基的替換：
基因的定點突變技術(shù)
1.3 傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)
思考·討論
Q1：如果已經(jīng)推測出多肽中的氨基酸序列，那么推測出的基因中的堿基序列是否唯一呢？說明你的理由。
不唯一，因為一個氨基酸是由一個或多個密碼子決定，因此獲得的基因總的堿基序列有多種。
Q2：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？
可以人工合成目的基因，或應(yīng)用基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換等進而改造基因。
1.3 傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)
思考·討論
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
賴氨酸
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）。
蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較
是否合成新的基因
蛋白質(zhì)工程
是否對原有基因進行改造
是
否
是
否
蛋白質(zhì)工程
基因工程
看蛋白質(zhì)
看基因
是否為天然蛋白質(zhì)
是
否
蛋白質(zhì)工程
基因工程
Q：如何確定一個操作過程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？
四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（P95）
1. 醫(yī)藥工業(yè)方面
⑴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
四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（P95）
1. 醫(yī)藥工業(yè)方面
⑵延長干擾素體外保存時間
天然干擾素
（體外保存困難）
改造后的干擾素
（-70℃可保存半年）
半胱氨酸
絲氨酸
干擾素在體外保存相當困難
將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸
在-70℃下干擾素可保存半年
四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（P95）
1. 醫(yī)藥工業(yè)方面
⑶降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)
鼠抗體
人抗體
恒定區(qū)
恒定區(qū)
可變區(qū)
可變區(qū)
嵌合抗體
對人體的不良反應(yīng)減少
四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（P95）
2. 在其他工業(yè)方面
改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶：如利用蛋白
質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高該酶的使用價值。
四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（P95）
3. 在農(nóng)業(yè)方面
⑴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。
⑵利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強。
eg：伊維菌素是新型的廣譜、高
效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥。
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)建基因表達載體→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定
可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)
生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(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，其包含基因工程的基本操作。
預(yù)期蛋白質(zhì)功能
目的基因
小結(jié)：蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較
課堂小結(jié)
練習與應(yīng)用
一、概念檢測
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行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進行操作。 （ ）
（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。
（ ）



練習與應(yīng)用
一、概念檢測
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)上進行的，它最終要達到 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
練習與應(yīng)用
一、概念檢測
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)
A
練習與應(yīng)用
二、拓展應(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，科學家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進行了研究。然后以此為依據(jù)對相關(guān)基因進行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷Ｓ谑牵谠摪腚装彼崤c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)模化生產(chǎn)該酶的技術(shù)體系,評估生產(chǎn)成本等。
復(fù)習與提高（P98）
1.某動物體內(nèi)含有研究者感興趣的目的基因，研究者欲將該基因?qū)氪竽c桿菌的質(zhì)粒中保存。該質(zhì)粒含有氨芐青霉素抗性基因 （AmpR）、LacZ 基因及一些酶切位點，其結(jié)構(gòu)和簡單的操作步驟如下圖所示。
請根據(jù)以上信息回答下列問題。
（1）在第②步中，應(yīng)怎樣選擇限制酶？
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，并且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，限制酶也不能破壞質(zhì)粒的啟動子、終止子、標記基因、復(fù)制原點等結(jié)構(gòu)。
（2）在第③步中，為了使質(zhì)粒DNA與目的基因能連接，還需要在混合物中加入哪種物質(zhì)？
加入DNA連接酶
復(fù)習與提高（P98）
（3）選用含有 AmpR 和 LacZ 基因的質(zhì)粒進行實驗有哪些優(yōu)勢？
該質(zhì)粒便于進行雙重篩選。標記基因 AmpR 基因可用于檢測質(zhì)粒是否導入了大腸桿菌，一般只有導入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長。而由于 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色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。
復(fù)習與提高（P98）
（4）含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落將呈現(xiàn)什么顏色？為什么？
含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。
因為目的基因的插入破壞了 LacZ基因的結(jié)構(gòu)，使其不能正常表達，形成 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal也就不會被分解。
2.科學家將 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因通過逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細胞中，然后在培養(yǎng)ES細胞的培養(yǎng)基上培養(yǎng)這些細胞。2-3周后,這些細胞顯示出ES細胞的形態(tài)、具有活躍的分裂能力，它們就是iPS細胞。請回答下列問題。
復(fù)習與提高（P98）
（1）在這個實驗過程中，逆轉(zhuǎn)錄病毒的作用是什么？
逆轉(zhuǎn)錄病毒是載體，能將外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纖維細胞。
（2）如何證明iPs細胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用？
可以設(shè)置對照組。將轉(zhuǎn)入外源基因和沒有轉(zhuǎn)入外源基因的細胞分別培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)基中，并確保其他培養(yǎng)條件相同。如果只有轉(zhuǎn)入外源基因的細胞轉(zhuǎn)化成了iPS細胞，就可以證明iPS細胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用。
復(fù)習與提高（P98）
（3）如果要了解 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因在誘導iPs細胞時，每個基因作用的相對大小，該如何進行實驗？請你給出實驗設(shè)計的思路。
可以依次去掉1個基因，將其他3個基因轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細胞中，然后通過與轉(zhuǎn)入4個基因的小鼠成纖維細胞的誘導情況進行比較，來推測缺失的那個基因?qū)φT導iPS細胞的影響，進而判斷每個基因作用的相對大小。（其他合理答案均可）
復(fù)習與提高（P98）
（4）若將病人的皮膚成纖維細胞誘導成iPs細胞，再使它轉(zhuǎn)化為需要的細胞，用這些細胞給該病人治病，這是否會引起免疫排斥反應(yīng) 為什么？ iPS細胞具有分裂活性，用它進行治療時可能存在什么風險？
不會引起免疫排斥反應(yīng)，因為在誘導轉(zhuǎn)化的過程中細胞的遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生變化，理論上產(chǎn)生的還是“自體”細胞。iPS細胞擁有分化為各種細胞的潛能，因此存在分化成腫瘤細胞的風險。
復(fù)習與提高（P98）
3.水稻根部一般沒有根瘤菌，在種植時常需要施加氮肥。科學家想利用基因工程技術(shù)來減少施用氮肥的生產(chǎn)成本及可能造成的環(huán)境污染，他們提出了以下兩種方案。
方案一　把根瘤菌的固氮相關(guān)基因?qū)胨靖滴⑸镏校刮⑸锬茉诟堤幑痰瑥亩鴾p少氮肥的施用量。
方案二　直接將固氮相關(guān)基因?qū)胨炯毎校⑺镜摹靶⌒突蕪S”，讓水稻直接固氮，這樣就可以免施氮肥了。
復(fù)習與提高（P98）
(1)請評估這兩種方案哪種更容易實現(xiàn)。
從親緣關(guān)系的遠近來看，固氮相關(guān)基因可能更容易在水稻根系微生物中穩(wěn)定存在和表達，進而使其具有固氮的能力。
(2)如果兩個方案都實現(xiàn)的話，你認為哪種更值得推廣？
請說出你的理由。
此題不要求有唯一的答案，學生可從便捷性、安全性、經(jīng)濟性等角度進行分析，言之成理即可。例如，從便捷性角度認為能固氮的水稻新品種更值得推廣；或從轉(zhuǎn)基因安全性角度認為能固氮的水稻根系微生物更值得推廣等。
復(fù)習與提高（P98）

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