1.4蛋白质工程的崛起

生物精华课件：蛋白质工程的崛起
1.4 蛋白质工程的崛起
怎样让一种生物的性状在另一种生物中表达？
在种内可以用常规的杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了,则应采用什幺技术？
杂交育种
基因工程思考生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生的，它的结构和性能不能完全满足人类生产生活的需要。

例如：干扰素是动物体内的一种蛋白质是一种抗病毒抗肿瘤的药物，但在体外保存相当困难。

于是我们要对现有的蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。

这样人们由开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。

你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什幺关系？我国科学家承担了什幺任务？
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域中的一项重大的科学命题。

2001 年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。

之后，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项是有中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”。

“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织／器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有16 个国家和地区的80 多个实验室报名参加。

它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治。

1.4 蛋白质工程的崛起编制：杜翠华审核：温信梅黄婷婷使用日期：11月25日一、学习目标1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。

2.简述蛋白质工程的原理。

3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。

二、重要知识再现1、基因工程的实质是将一种生物的转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的，进而表现出。

其缺点是在原则上只能生产，而天然蛋白质的符合的需要，却不一定完全符合的需要。

2.蛋白质工程的实例（1）干扰素的体外保存①具体问题：②解决的措施：（2）富含赖氨酸的玉米新品种培育①具体问题：②解决的措施：5、蛋白质工程的目标——是根据人们对的特定需求，对进行分子设计。

6、要对蛋白质的结构进行设计改造通过改造完成。

7、蛋白质工程的重点在于对改造，改造的对象是序列8、对基因进行改造的蛋白质可以下去，而直接改造蛋白质却下去,且蛋白质的空间结构比基因，对基因进行改造比对蛋白质直接改造要，难度要小。

9、天然蛋白质合成的过程是按照进行：基因一表达( 和 )一形成的多肽链——形成具有的蛋白质，行使。

10、蛋白质工程的基本途径是从出发→设计→推测应有的→找到相对应的（基因）。

其流程图如下：11、蛋白质工程的概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的规律及其与生物的关系作为基础，通过或，对进行改造，或制造一种，以满足人类的和的需求。

蛋白质工程是在的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域。

12、蛋白质工程的实质：。

13、蛋白质工程的进展向人们展示出诱人的前景，如：通过对胰岛素的改造，使其成为一种，再如：将蛋白质工程应用与微电子方面，制成，具有、、等优点。

14、蛋白质工程难度很大主要是目前科学家对大多数蛋白质的不够。

三、习题训练1、基因工程的实质是A．基因重组 B．基因突变 C．产生新的蛋白质 D．产生新的基因2、蛋白质工程崛起的缘由不包括A．基因工程生产的蛋白质是自然界已存在的蛋白质B ．基因工程生产的蛋白质不一定完全符合人类的需要C ．蛋白质工程可使科学家扬名世界D ．蛋白质工程可以生产完全符合人类需要的蛋白质3、科学家将β一干扰素基因进行定点突变导人大肠杆菌体内表达，使干扰素第l7位的半胱氨酸变成丝氨酸，结果大大提高了β一干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。

1.4蛋白质工程的崛起1.4 蛋白质工程的崛起█[目标与重难点]1知识目标、举例说出蛋白质工程崛起的缘由。

2能力目标、简述蛋白质工程的基本原理及基本途径。

3情感目标、尝试运用逆向思维分析和解决问题。

[教学重点和难点]1、教学重点——（1）为什么要开展蛋白质工程的研究？（2）蛋白质工程的原理2、教学难点——蛋白质工程的原理█[教学关键句段]一、蛋白质工程崛起的缘由：1、基因工程的实质：将一种生物的转移到另一处生物体内，后者产生它本不能产的，从而产生新性状。

2．蛋白质工程目的：生产符合人们生活需要的并非自然界已存在的。

二．蛋白质工程基本原理1．目标：根据人们对功能的特定需求，对结构进行分析设计。

2．原理：基因改造。

3．过程：预期蛋白质功能→设计结构→推测应有序列→找到对应的序列(基因)。

三、蛋白质工程的进展和前景例如：科学家通过对的改造，已使其成为速效型药品；用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有、和的特点，因此有极为广阔的发展前景。

█【课堂流程】1、回顾已学习过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知识。

中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图所示。

遗传信息的流动方向那么，既然蛋白质的功能是由DNA决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造DNA。

所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。

（结合课本中插图）2、原理：中心法则的逆推天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达（转录和翻译）→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能；而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发一设计预期的蛋白质结构一推测应有的氨基酸序列一找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（如图3一l一3所示）。

蛋白质工程是先按照人们的意愿创造出满足人们需求的新基因，然后表达出具有不同功能的蛋白质。

3、蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用4、蛋白质工程的概念蛋白质工程是指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,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。

第4节蛋白质工程的崛起(1课时)【学习目标】1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由2.简述蛋白质工程的原理3.通过讨论、进展追踪等活动，提高收集资料、处理资料、撰写专题综述报告的能力。

【基础知识】1、基因通过控制细胞中的合成，进而控制生物的性状，蛋白质的功能决定于，而蛋白质的结构最终决定于蛋白质分子中氨基酸的。

2、基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它本不能产生的蛋白质，从而获得新的性状，但基因工程原则上是（能/不能）生产非天然蛋白质。

蛋白质工程崛起的缘由就是运用基因工程或直接从生物组织中获取的蛋白质分子分子的结构和功能3、蛋白质工程就是：通过，对现有蛋白质进行改造或制造出一种新的蛋白质（非天然蛋白），实现对蛋白质结构的定向改造。

蛋白质工程以为基础，是基因工程的延伸、发展。

4、蛋白质工程的应用如：①通过改造酶的结构，有目的地提高蛋白质的热稳定性；②合成嵌合抗体；③改变蛋白质的活性。

活动一设计生产干扰素的思路资料1：干扰素（免疫活性蛋白），它是一种糖蛋白，具有抗病毒、抗肿瘤的功能。

传统的干扰素生产方法是从人体血液中的白细胞内提取的，每300ml血液只能提取出1mg 干扰素，产量低，价格昂贵。

那么现在是如何实现干扰素的大量生产的呢？思考1：如何实现干扰素的大量生产？资料2：干扰素在体外不易保存，如果将其分子中的一个半胱氨酸转化为丝氨酸，则可在-70℃条件下保存半年。

思考2：如何进行干扰素分子中氨基酸的改造？活动二了解蛋白质工程的一般过程1．蛋白质工程的基本原理和目标：蛋白质工程的原理：蛋白质工程的目标：2．结合对蛋白质工程的流程图（教材P.27）的理解，完成课本“讨论”。

【巩固练习】1．以下关于蛋白质工程的说法正确的是：A. 蛋白质工程以基因工程为基础B. 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造C. 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质D. 蛋白质工程的实质是改造蛋白质2．蛋白质工程的基本流程正确的是：①设计蛋白质分子结构②DNA合成③预期蛋白质功能④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A.①→②→③→④B.④→②→①→③C.③→④→①→②D.③→①→④→②3．下列关于蛋白质工程的说法错误的是A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构C．蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程4．（多选）下列物质中，可应用蛋白质工程按人的意愿定向改造的是A．磷脂分子B．白细胞介素-2 C．胰岛素D．甲状腺激素5．下图是利用定点突变技术获取所需蛋白质的过程示意图。

基因工程 1.4 蛋白质工程的崛起胰岛素蛋白质分子的空间结构一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。

二、蛋白质工程1．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分子设计.2．蛋白质工程技术流程：从预期蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）.3．概念：指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，通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。

也就是说，蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域。

三、蛋白质工程的进展和前景目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。

自主思考蛋白质工程的直接操作对象是基因还是蛋白质？提示：基因。

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1、4蛋白质工程的崛起课标要求1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。

2.简述蛋白质工程的原理。

能力要求.尝试运用逆向思维分析和解决问题。

知识网络体系基因工程的实质：蛋白质工程崛起缘由基因工程原则上只能生产自然界原有的蛋白质蛋白质工程的目的：目标蛋白质工程的基本原理原理：过程：蛋白质工程的进展和前景重难热点归纳1）蛋白质工程与基因工程的区别：蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定向地改造天然的蛋白质，甚至创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。

蛋白质工程自诞生之日起，就与基因工程密不可分。

基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内，并在其中进行表达，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质。

蛋白质工程则更进一步。

它可以根据对分子预先设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对它所编码的蛋白质进行改造。

因此，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造的、具有了人类所需要的优点的蛋白质。

天然蛋白质都是通过漫长的进化过程而形成的，而蛋白质工程对天然蛋白质的改造，好比是在实验室里加快了进化的过程。

2）为什么要开展蛋白质工程的研究蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。

其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。

在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。

3）蛋白质工程的原理预期功能→蛋白质三维结构→氨基酸序列（多肽链）→基因→具有预期功能的蛋白质经典例题剖析1、蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）A、氨基酸结构B、蛋白质空间结构C、肽链结构D、基因结构【解析】蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产或或生活需要。

1.4蛋白质工程的崛起1．基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内,后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的,这就是基因工程的。

基因工程在原则上只能生产_______________的蛋白质.2．蛋白质工程的目标：是根据,对进行___设计.由于决定蛋白质，因此要对进行设计改造，还必须从基因入手.3.蛋白质工程概念：使指以__________________________________________为基础，通过_____或_______,对现有蛋白质_____ ___,或_____________,以满足人类生产和生活的需要.4.蛋白质工程是在__________的基础上,延伸出来的第______代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域.5．天然蛋白质合成的过程：是按照进行的；基因→表达（和）→形成→形成→行使生物功能；而蛋白质工程与之相反，它的基本途径是：从预期的出发→设计预期的→推测应有的序列→找到相对应的（）.6．蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于，这种十分复杂.7．蛋白质工程方法制成的电子原件的特点:_________________________________8．简述干扰素的改造流程：_____________________________________9．玉米中赖氨酸含量增加主要改造的酶是_______________和__________________,但真正的操作对象是_________________________基因和______________________基因10．查找半胱氨酸变为丝氨酸，其密码子如何变化_______变成______________，基因中该碱基序列___________变成______________11．合成DNA的方法:________________________例1.下列有关蛋白质工程的说法错误的有（ c ）项①蛋白质工程无需构建基因表达载体②通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍是天然的蛋白质③蛋白质工程需要用到限制酶和DNA连接酶④蛋白质工程是在蛋白质分子水平上改造蛋白质的．A. 1B. 2C. 3D. 4例2.科学家为提高玉米赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶的352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬氨酸变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍，下列对玉米性状改变最可行的方法是（b ）A. 直接改造蚕白质的空间结构，从而控制生物的性状B. 直接对相应的基因进行改造，通过控制酶的合成，从而控制生物的性状C. 直接通过对酶的合成的控制，从而控制生物的性状D. 直接改造相应的mRNA，从而控制生物的性状例3.蛋白质工程被称为第二代基因工程，目前已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段．如图为蛋白质工程的流程图（自右向左），请据图回答以下问题：（1）与基因工程相比较，蛋白质工程产物具备的特点是：________ ．（2）图中的步骤①和②分别为________ 、分子设计．（3）如果已知mRNA的碱基序列是﹣A﹣U﹣C﹣C﹣A﹣G﹣G﹣U﹣C﹣，要合成对应的DNA，需要的原料是四种________ ，所用的酶是________ ；合成DNA的对应碱基对序列是________ 、________ ．（4）由图可知，要改造蛋白质结构，最终是通过改造基因来实现的．请说明原因：________ ．（5）从以上流程图可以看出，蛋白质工程是以________ 为基础并延伸出来的包含多学科的综合科技工程领域．（1）可生产出自然界不存在的蛋白质（2）DNA合成（3）脱氧（核糖）核苷酸；反（逆）转录酶；﹣A﹣T﹣C﹣C﹣A﹣G﹣G﹣T﹣C；﹣T﹣A﹣G ﹣G﹣T﹣C﹣C﹣A﹣G﹣（4）改造基因的操作更容易，且改造后可以遗传（5）基因工程周六有红包，周日休息一天。