資源簡介

(共28張PPT)
基因工程及其延伸技術應用廣泛
目錄
01
蛋白質工程的概述
02
蛋白質工程的發展
03
蛋白質工程的基本原理
04
蛋白質工程的應用
【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
01
蛋白質工程的概述
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。
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。
(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
蛋白質工程的發展
運用基因工程技術將外源目的基因導入受體細胞后，目的基因的表達結果有時并不理想，合成的蛋白質不能很好地行使功能，無法滿足人們的需求。這是因為蛋白質的結構與功能是進化的結果，與特定的物種相適應。
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
科學家將人體內的抗病毒糖蛋白β-干擾素cDNA導入大腸桿菌中并進行表達，盡管獲得了大量的蛋白質，但多數蛋白質形成了二聚體，總體抗病毒活性只有天然蛋白的10%。這是因為β-干擾素在第17、31、141位上有3個半胱氨酸，第31位和第141位的半胱氨酸形成了二硫鍵，剩下的第17位半胱氨酸則容易與另外一個干擾素分子的半胱氨酸形成二硫鍵。而在人體內，由于有其他的分子輔助，β-干擾素不會形成二聚體。因為改變蛋白質中的氨基酸序列可改變蛋白質的結構，進而改變其功能，因此，替換掉第17位的半胱氨酸成為研究的目標。
實例
20 世紀 60 年代，“中心法則”揭示出生物大分子間遺傳信息遵循的規律，科學家意識到有可能在基因層面對蛋白質的氨基酸序列進行精確調控，即通過設計和改造編碼蛋白質的基因，從而改變氨基酸序列，最終獲得特定功能的蛋白質。
在干擾素的研究中，科學家通過基因工程技術將 β-干擾素第 17 位半胱氨酸密碼子對應的 cDNA 改為了絲氨酸密碼子對應的 cDNA，表達出的蛋白質不再形成二聚體，活性與天然蛋白相似而且穩定性更高。
蛋白質工程的誕生
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
物理、化學法：對蛋白質進行變性、復性處理，修飾蛋白質側鏈官能團，分割肽鏈，改變表面電荷分布促進蛋白質形成一定的立體構像等等
生物化學法：使用蛋白酶選擇性地分割蛋白質，利用轉糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或連接不同化學基團，利用轉酰胺酶使蛋白質發生膠連等等
基因重組技術或人工合成DNA：不但可以改造蛋白質而且可以實現從頭合成全新的蛋白質
4.改造蛋白質的方法
其中物理、化學法和生物化學法只能對相同或相似的基團或化學鍵發生作用，缺乏特異性，不能針對特定的部位起作用。
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。
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：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。
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
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
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。
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
“二看法”判斷基因工程和蛋白質工程
1.2003年人類基因組計劃測序完成，我國也參與其中并做出很大的貢獻。
2.基因測序技術不斷發展，不僅速度越來越快，而且成本也越來越低。
3.多個國家和機構建立了龐大的生物信息數據庫（基因數據庫）。
(1)數據庫信息不僅通過互聯網共享，還定期交換數據進行更新。
(2)現在通過訪問互聯網，任何人都可以方便地檢索出需要的信息。
(3)科學家也能通過比對核酸或蛋白質的序列重新審視生命進化的歷程，深度解碼個人的遺傳信息。
以測序為基礎建立的基因數據庫是人類共有的財富
課堂小結
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
課堂練習
1.蛋白質工程是一種通過操縱和設計蛋白質結構來改造蛋白質功能的技術，廣泛應用于農牧業、醫藥工業等領域。下列敘述錯誤的是( )
A.可利用蛋白質工程對胰島素進行定向修改
B.改造后的基因可直接導入酵母細胞中進行規模化生產
C.需要利用計算機建立蛋白質的三維結構模型
D.在改造蛋白質的過程中需要遵循堿基互補配對原則
解析：改造后的基因需構建基因表達載體后導入酵母細胞中進行規模化生產,B錯誤;蛋白質工程涉及基因水平的修改,基因的表達過程涉及堿基互補配對,D正確。
B
2.基因定點突變技術通過改變基因特定位點的核苷酸來改變蛋白質的氨基酸序列，常用于研究某個氨基酸對蛋白質的影響，其原理是利用人工合成的誘變寡核苷酸引物和多種酶來合成突變基因，過程如圖所示。下列分析錯誤的是( )
A.基因定點突變的原理是使基因發生堿基對的替換
B.誘變寡核苷酸引物的延伸需要消耗四種核糖核苷酸
C.突變基因的合成是以正常基因的單鏈作為模板的
D.延伸過程遵循堿基互補配對原則，且需要DNA聚合酶的催化
解析：本題考查蛋白質工程的應用。定點突變改變特定位點的核苷酸，先是人工合成誘變寡核苷酸引物，隨后經過延伸和復制，產生新的突變基因，A正確；誘變寡核苷酸引物的延伸需要消耗四種脫氧核苷酸，B錯誤；突變基因的合成以正常基因的單鏈為模板，C正確；延伸過程中遵循堿基互補配對原則，該過程需要將脫氧核苷酸連接起來，所以需要DNA聚合酶的催化，D正確。
2.基因定點突變技術通過改變基因特定位點的核苷酸來改變蛋白質的氨基酸序列，常用于研究某個氨基酸對蛋白質的影響，其原理是利用人工合成的誘變寡核苷酸引物和多種酶來合成突變基因，過程如圖所示。下列分析錯誤的是( )
A.基因定點突變的原理是使基因發生堿基對的替換
B.誘變寡核苷酸引物的延伸需要消耗四種核糖核苷酸
C.突變基因的合成是以正常基因的單鏈作為模板的
D.延伸過程遵循堿基互補配對原則，且需要DNA聚合酶的催化
B
C
3.新型冠狀病毒借助表面的刺突蛋白（S蛋白）的受體結合區域（RBD）與人體細胞表面的ACE2受體結合而感染細胞。科學家設計了一種自然界中不存在的蛋白質LCB1，其可與S蛋白的RBD更為緊密地結合，以干擾新型冠狀病毒的感染。下列有關說法錯誤的是( )
A.LCB1結構的設計可參考S蛋白的RBD和人體細胞ACE2受體的結構進行
B.LCB1的生產可通過直接改造人的某些基因來實現
C.LCB1的基本組成單位中可能含有自然界不存在的氨基酸
D.LCB1的設計和合成也遵循中心法則
解析：S蛋白的RBD可與ACE2受體結合，人工合成的LCB1可與S蛋白的RBD結合，故LCB1的結構可以依據S蛋白的RBD和人體細胞ACE2受體的結構進行設計，A正確；由題意可知，LCB1的結構可能與ACE2受體的結構相似，且設計LCB1屬于蛋白質工程，故LCB1的生產可通過直接改造人的某些基因（如ACE2受體基因）來實現，B正確；LCB1是人工設計并合成的一種自然界不存在的蛋白質，但合成蛋白質所需的氨基酸是自然界存在的，C錯誤；LCB1的設計和合成屬于蛋白質工程，蛋白質工程遵循中心法則，D正確。

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