資源簡介

(共29張PPT)
蛋白質工程的原理和應用
【學習目標】
1.概述中心法則與蛋白質工程的關系
2.列表比較基因工程和蛋白質工程的區別與聯系
3.舉例說明蛋白質工程在生產生活中的應用
目錄
02
03
蛋白質工程的基本原理
04
蛋白質工程的應用
蛋白質工程崛起的緣由
01
蛋白質工程的概念及理解
從社會中來
你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。這些細菌能夠發出熒光，是因為在它們的體內導入了熒光蛋白的基因。
最早被發現的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。
用細菌“畫”的畫
科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢？
科學家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結構，并利用計算機進行輔助設計，在此基礎上再采用定點突變的技術將綠色熒光蛋白發光基團正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。
01
蛋白質工程的概念及其理解
蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。
(1) 基礎：蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系。
(2) 操作方法和對象：改造或合成基因。
(3) 目的：改造現有的蛋白質或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。
(4) 地位：在基因工程的基礎上,延伸出來的第二代基因工程。
(5) 學科和技術：分子生物學、晶體學和計算機技術。
02
蛋白質工程崛起的緣由
1.基因工程的不足：
基因工程原則上只能生產自然界
已存在的蛋白質(天然蛋白質)
天然蛋白質不一定完全符合
人類生產和生活的需要
需要對天然蛋白進行改造產生
更符合人類需要的蛋白質
實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，使后者可以產生它原本不能產生的蛋白質，進而表現出新性狀。
天然蛋白質的結構和功能
符合特定物種生存的需要
蛋白質工程崛起
2.實例：提高玉米賴氨酸含量
賴氨酸合成
調控
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
限制
提高
提高5倍
提高2倍
賴氨酸含量低
對天然酶的改造：玉米中賴氨酸含量較低，經人工設計改造，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。
03
蛋白質工程的基本原理
1.目標：
3.天然蛋白質合成過程：
2. 實質：
通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質或制造新的蛋白質。
基因
形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈
形成具有高級結構的蛋白質
行使生物功能
（轉錄和翻譯）
表達
根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造
中心法則
蛋白質工程與天然蛋白質合成的過程相反：
從預期蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質
學科交叉
蛋白質工程經常要借助計算機來建立蛋白質的三維結構模型；要制備蛋白質晶體，然后通過X射線衍射技術，分析晶體的結構；要用到基因的定點突變技術來進行堿基的替換。
定點突變是指通過聚合酶鏈式反應（PCR）等方法向目的DNA片段（可以是基因組，也可以是質粒）中引入所需變化（通常是表征有利方向的變化），包括堿基的添加、刪除、點突變等。定點突變能迅速、高效的提高DNA所表達的目的蛋白的性狀及表征，是基因研究工作中一種非常有用的手段。
X衍射技術是用X光透過物質的結晶體，使其在照片底片上衍射出晶體圖案的技術。
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
賴氨酸
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應的堿基序列寫出來。
提示：
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）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列為：
CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
賴氨酸
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
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。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等。
蛋白質工程和基因工程的對比
蛋白質工程 基因工程
操作對象
操作起點
操作水平
結果
實質
聯系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
可生產自然界沒有的蛋白質
生產自然界已有的蛋白質
通過改造或合成基因來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質
將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀
①蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程；
②蛋白質工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。
預期蛋白質功能
目的基因
04
蛋白質工程的應用
1.醫藥工業方面
（1）研發速效胰島素類似物
科學家通過改造胰島素基因實現對相應氨基酸序列的改變,使B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或將它與B29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合。
或
B28位（脯氨酸）
B29位（賴氨酸）
B28位（天冬氨酸）B29位（賴氨酸）
B28位（天冬氨酸）
B29位（賴氨酸）
天然胰島素
速效胰島素類似物
改造胰島素
基因
聚合作用降低，起效快
易形成二聚體或六聚體
定點突變
（2）延長干擾素體外保存時間
將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，-70℃可以延長保存時間。
定點突變
天然干擾素不易保存
預期結構
改造
一個半胱氨酸變成絲氨酸
新干擾素基因
轉錄
mRNA
折疊
預期功能
行使功能
延長保存時間
設計結構
氨基酸替換
推測序列
翻譯
多肽鏈
在-70℃下可以保存半年
半
胱
氨
酸
絲氨酸
（3）人鼠嵌合抗體：降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應
基因融合
解決辦法：通過改造基因，將小鼠抗體上結合抗原的區域（即可變區）“嫁接”到人的抗體（即恒定區）上，經過這樣改造的抗體誘發免疫反應的強度就會降低很多
醫學問題：小鼠單克隆抗體會使人體產生免疫反應，從而導致治療效果大大降低。
2.工業用酶方面
蛋白質工程被廣泛用于改進酶的性能或開發新的工業用酶。
枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質的作用，常被用于洗滌劑工業、絲綢工業等。迄今為止，利用蛋白質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化生產需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。
3.農業方面
（1）科學家正在嘗試改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產量。
（2）科學家利用蛋白質工程的思路設計優良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。
伊維菌素是由土壤中發現的一種新型鏈霉菌提取出了一種名為阿維菌素的抗生素，經過多年的不斷改造獲得的，伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗動物寄生蟲病獸藥。
4.蛋白質工程現狀
三級結構
一級結構
四級結構
二級結構
(1) 面臨的問題：蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜。
(2) 前景展望：要設計出更加符合人類需要的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發展，蛋白質工程將會給人類帶來更多的福祉。
由計算機建立的血紅蛋白三維結構模型
課堂總結
蛋白質工程
蛋白質工程的應用
蛋白質工程的基本原理
蛋白質工程的崛起的緣由
蛋白質工程的概念
蛋白質工程僅產生已存在的蛋白質
需要對蛋白質進行設計和改造
基因（DNA）
氨基酸序列多肽鏈
蛋白質的三維結構
增加糧食產量、研發新型農藥
藥物研發
改進酶的性能或開發新的工業用酶
合成
設計
表達
折疊
隨堂練習
1.下列關于蛋白質工程的敘述，錯誤的是( )
A.蛋白質工程技術是基因工程技術的延伸
B.蛋白質工程只能生產自然界中已存在的蛋白質
C.蛋白質工程的設計是按中心法則相反的途徑進行的
D.蛋白質工程可對基因進行改造或合成
解析：A、蛋白質工程是通過改造控制現有蛋白質的基因來改造蛋白質，所以蛋白質工程技術是基因工程技術的延伸，A正確；B、蛋白質工程可以生產自然界中不存在的蛋白質，B錯誤；C、蛋白質工程過程中先由蛋白質到基因、再由基因控制合成相應的蛋白質，是按中心法則相反的途徑進行的，C正確；D、蛋白質工程通過預期蛋白質功能，然后設計結構，最后通過對基因進行改造或合成來完成，D正確。
B
解析：該題目屬于蛋白質工程，已經獲得該目的基因片段，不需要合成編碼目的肽的DNA片段，故A錯誤；是需要構建含目的肽DNA片段的表達載體，但這不是第一步，故B錯誤；蛋白質工程的第一步是根據蛋白質的功能，設計P1氨基酸序列，從而推出其基因序列，故C正確；該基因表達產物為一種抗菌體和溶血性均較強的多肽P1，目前在P1的基礎上研發抗菌性強但溶血性弱的多肽藥物，而目的多肽是抗菌性強但溶血性弱，所以必須對其改造，保持其抗菌性強，抑制其溶血性，故D錯誤。
C
2.從某海洋動物中獲得一基因，其表達產物為一種抗菌體和溶血性均較強的多肽P1。目前在P1的基礎上研發抗菌性強但溶血性弱的多肽藥物，首先要做的是( )
A.合成編碼目的肽的DNA片段
B.構建含目的肽DNA片段的表達載體
C.依據P1氨基酸序列設計多條模擬肽
D.篩選出具有優良活性的模擬肽作為目的肽
3.T4溶菌酶耐熱性差，若將該酶的第3位氨基酸進行改造（如圖所示），并使第3位氨基酸和第97位氨基酸之間形成1個二硫鍵，可以大大提高其耐熱性。下列敘述錯誤的是( )
A.根據T4溶菌酶的氨基酸序列可推測出多種脫氧核苷酸序列
B.T4溶菌酶耐熱性提高的原因是其氨基酸的種類和數量均發生改變
C.改造T4溶菌酶可利用基因定點突變技術，對相關基因進行改造
D.改造后的T4溶菌酶需要進行功能鑒定才能應用于生產實踐
解析：A、由于一種氨基酸可能對應多種密碼子，因此根據設計的T4溶菌酶的氨基酸序列可能推測出多種脫氧核苷酸序列，A正確；B、根據題意“科學家通過相關研究，最終使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變為半胱氨酸”可知，T4溶菌酶耐熱性提高的原因是組成該酶的氨基酸種類和排列順序發生了改變，而氨基酸的數量沒變，B錯誤；C、根據題意，改造T4溶菌酶可以從合成蛋白質的基因進行改造，因此可利用基因定點突變技術，對相關基因進行改造，C正確；D、該實例將蛋白質進行了改造，屬于蛋白質工程的范疇，T4溶菌酶本質為蛋白質，可利用抗原—抗體特異性結合的特點對該酶進行檢測，D正確。故選B。
B

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