14《蛋白质工程的崛起》课件讲义(新人教-选修3)

二、蛋白质工程的基本原理
1、目标：根据人们对 蛋白质 功能的特定需求， 结构 对蛋白质的 进行分子设计。
2、原理：改造基因（基因 修饰 或基因 合成 ） 。 3、流程： 预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质 →推测应有 的 氨基酸 序列→找到对应的 脱氧核苷酸 序 列。
蛋白质工程的主要步骤通常包括：
练习检测
8、T4溶菌酶的稳定性大大提高的根本原因是 （ A） A．控制T4溶菌酶合成的基因的一个位点发生 突变 B．控制T4溶菌酶合成的mRNA上的密码子发 生变化 C．T4溶菌酶中一个氨基酸发生了替换 D．T4溶菌酶中的第3位氨基酸由异亮氨酸变 为半胱氨酸
练习检测
9、下列不属于蛋白质工程成果的是（ D ） A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性 B．生产出鼠—人嵌合抗体 C．将t—PA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨 酰胺 D．蛋白质酶洗衣粉容易洗掉或除奶渍、血渍
（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。
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
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。
蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造
三、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程
DNA合成 基因 分子设计 预期功能 生物功能 蛋白质 氨基酸序 列多肽链 三维结构 mRNA DNA 折叠 转录 翻译

蛋白质工程就是按照以下思路进行得:
确定蛋白质得功能→蛋白质应有得高级结构 →蛋白质应具备得折叠状态→应有得氨基酸 序列→应有得碱基排列,可以创造自然界不存 在得蛋白质
蛋白质得结构
蛋白质得一级结构
蛋白质得结构
蛋白质得二级结构
胰岛素得三级结构
蛋白质得结构
蛋白质得结构
血红蛋白分子就 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ是由二个由 141个氨基酸残 基组成得α亚基 和二个由146个 氨基酸残基组成 得β亚基按特定 得接触和排列组 成得一个球状蛋 白质分子,每个亚 基中各有一个含 亚铁离子得血红 素辅基。
“人类肝脏蛋白质组计划”就是国际上第一 个人类组织／器官得蛋白质组计划,由我国贺福 初院士牵头,这就是中国科学家第一次领衔得重 大国际科研协作计划,总部设在北京,目前有16个 国家和地区得80多个实验室报名参加。她得科 学目标就是揭示并确认肝脏得蛋白质,为重大肝 病预防、诊断、治疗和新药研发得突破提供重 要得科学基础。
高二生物选修三蛋白质工程的崛起 课件
专题1 基因工程 课题4 蛋白质工程得崛起
思考
怎样让一种生物得性状在另一种生物中 表达？
杂交育种
在种内可以用常规得杂交育种得办法实现,但要 使有生殖隔离得种间生物实现基因交流,就显 得力不从心了,则应采用什么技术？
基因工程
生物产生得天然蛋白质就是在长期进化过 程中产生得,她得结构和性能不能完全满足 人类生产生活得需要。
人类蛋白质组计划得深入研究将就是对蛋白 质工程得有力推动和理论支持。
Ø 蛋白质工程就就是在对蛋白质得化学、晶体学、 动力学等结构与功能认识得基础上,对蛋白质 人工改造与合成得产品。
Ø “后基因组时代”将就是“蛋白质组学时代”, 即从对基因信息得研究转向对蛋白质信息得研 究,包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白 质相互关系和作用。

3、关于生物体内存在的天然蛋白质，下 列说法不正确的是（ D ） A．是生物在长期进化过程中形成的 B．它们的结构和功能符合特定物种生存 的需要 C．构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的 有20种 D．一定完全符合人类生产和生活的需要
4、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说 法不正确的是（ C ） A．科学家通过对胰岛素的改造，已使其成 为速效药品 B．生物和材料科学家正积极探索将蛋白质 工程应用于微电子方面 C．蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正 被大力推广应用 D．蛋白质工程是一项难度很大的工程，目 前成功的例子不多Βιβλιοθήκη 三、蛋白质工程的进展和前景
1、进展 对胰岛素的改造，使其成为速效型药品 2、前景诱人： 探索将蛋白质工程应用于微电子方面。 用蛋白质工程制造的电子元件具 有体积小、耗电少和效率高的特点。
3、难度很大
主要是目前科学家对大多数蛋 白质的高级结构的了解还很不够。
小结
1、蛋白质工程崛起的缘由
2、蛋白质工程的原理 3、蛋白质工程的进展和前景
4、蛋白质工程的概念 P27
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，以满足人类对生 产和生活的需求。
5、基因工程与蛋白质工程的区别 基因工程 蛋白质工程
将目的基因从供体 通 过 改 造 基 因 ， 实质 转移到受体细胞,并 定 向 改 造 天 然 蛋 创新 重组 白 在受体细胞中表达 质 或 创 造 自 然 界
练习检测
1 ．蛋白质工程中直接需要进行操作 的对象是（ Ｄ ）
Ａ.氨基酸结构 C．肽链结构
B.蛋白质空间结构 D．基因结构
2、关于基因工程和蛋白质工程的说法正 确的是（ A ） A．都是分子水平上的操作 B．基因工程就是改造基因的分子结构 C.蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构 D.基因工程能产生自然界根本不存在的基 因，蛋白质工程能产生自然界已存在的 蛋白质

答案：B
[共研探究]
1．蛋白质工程的进展和前景
(1)前景诱人：采用蛋白质工程方法制成的电子元件，
具有 体积小 、 耗电少 和 效率高 的特点；
通过对胰岛素的改造，使其成为 速效型
药品。
(2)难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白
质
高级结构 的了解还很不够。
2．如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过 程，请据图回答有关问题：
三、蛋白质工程的进展和前景阅读教材P28 三、蛋白质工程的进展和前景 阅读教材 1．进展：如科学家通过对胰岛素 的改造，已使其成 为速效型药品。 2．前景：用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体
积 小 、耗电 少 和效率 高 的特点。
3．面临困难：因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确 的 高级结构 ，这种高级结构十分复杂，而目前科学家对 大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。
1．概念：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。
2．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。
3．途径：从预期的蛋白质功能出发→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)。
答案：C
3．下列关于基因工程与蛋白质工程的比较，正确的是( ) A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因 进行操作 B．基因工程合成的是天然的蛋白质，蛋白质工程合成的不一定 是天然存在的蛋白质 C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平操作 D．蛋白质工程是基因工程的基础，基因工程是蛋白质工程的延 伸

异想天开
能不能根据人类需要的蛋白质 的结构，设计相应的基因，导入合 适的细菌中，让细菌生产人类所需 要的蛋白质食品呢？
理论上是可行的，但目前还没 有真正成功的例子。
三、蛋白质工程的进展和前景
1、蛋白质工程的进展：
（1）对胰岛素的改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和 六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从 而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这 是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用 蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚 合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素 已通过临床实验。
3、蛋白质工程的前景：
蛋白质工程与基因工程的关系：
项目 基因工程 蛋白质工程 预期的蛋白质功能 定向改造或生产人 类所需要的蛋白质 生产自然界已存在 的蛋白质 操作起点 目的基因 实现基因的异体 实质 表达 生产自然界没有的 结果 蛋白质 基本流程 联系
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。
试回顾总结基因工程的丰硕成果
植物方面
提高植物的抗虫、抗病、抗逆性 改良植物的品质
动物方面
提高动物生长速度 改善畜产品的品质 用转基因动物生产药物 用转基因动物作器官移植的供体
研制药物 基因治疗
基因工程的局限性：
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。
1、从预期的蛋白质功能出发 2、设计预期的蛋白质结构 3、推测应有的氨基酸序列 4、找到相应的脱氧核苷酸序列 （基因）
基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每个稍 有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家M· 史密 斯（1932－2000）发明定点突变法之前，突变株的产生必须经由 自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变， 突变株必须在生物性状上有所改变，才能确定有突变发生，但除 非用分子生物方法或遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变 位置。也就是说，这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变 法却是有目的的，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基 因片段上进行随意或设计好的突变，也就是说，这种突变是预先 设定好的，所以也有人将该法称为“反遗传法”。 有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破 的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几 乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。

解除赖氨酸对酶活性的限制
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程与基因工程的不同
• 基因工程是遵循中心法则，从DNA→ mRNA→蛋白质→折叠产生功能，生产出自然界已有 的蛋白质。
• 蛋白质工程是：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高 级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序 列→应有的碱基排列，创造自然界不存在的蛋白质。
旁栏思考题
你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有人类基因组计划之后，生命科学乃至 自然科学领域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，该组织正式提出启动了两项重大国际合作 行动：一项是由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”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。
（2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难 度要小得多。
• 讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：
• …—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯 丙氨酸—… （1） 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相
应的碱基序列写出来。有多少种？
• （2） 确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造 目的基因（DNA）？
mRNA序列为： GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）
脱氧核苷酸序列： CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）
16种
确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的 需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中 获取。
“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、治疗和新药研发的突破提 供重要的科学基础。

二、蛋白质工Biblioteka 的基本原理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、原理：改造基因（基因 修饰 或基因 合成 ）。
3.蛋白质工程的直接操作的对象是 基因 。
改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且 这种改造可以遗传下去
4、流程：
分子
DNA合成
设计
转录
翻译
折叠
中心法则
1.4 蛋白质工程的崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程的实质： 将一种生物的基因 转移到另 一种生物体内，使后者产生本不能产生的 蛋白质 ， 进而表现出新的 性状 。
2、基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在 的 蛋白质。
3、天然蛋白质的不足： 天然蛋白质是生物在长期 进化 过程中形成的， 它们的 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。 4、蛋白质工程的目的： 生产符合人类生产和生活的需要的 蛋白质 。
代基因工程
练习检测
• 4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（Ａ ） • A、蛋白质工程以基因工程为基础 • B、蛋白质工程就是酶工程的延伸 • C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改
造 • D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质
练习检测
• 5、蛋白质工程的基本流程正确的是（Ｃ ） • ①蛋白质分子结构设计②DNA合成③预期蛋
蛋白质工程流程图
预期 功能 生物 功能
5．基本途径： 中心法则的逆推
预期蛋白质功能→设计 预期的蛋白质结构→推测 应有的氨基酸序列→找到对应的 脱氧核苷酸 序列 →修饰（合成）基因 →合成蛋白质。
三、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，以满足人类对 生产和生活的需求。

时
栏
(2)不足：在原则上只能生产自然界已存在的_蛋__白__质___。
目
开 关
(3)天然蛋白质的不足
天然蛋白质的 _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。
第五页，共25页。
学习(xuéxí)·探究区
2．对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行 操作，还是通过对基因的操作来实现？
性状水平)的操作
D．基因工程完全不同于蛋白质工程
第十七页，共25页。
学习(xuéxí)·探究区
解析 蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基
因工程，是从分子水平对蛋白质进行改造设计，直接对相应的
基因进行修饰加工甚至人工进行基因合成，从而对现有蛋白质
本 课
进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活需
本
(1)前景诱人：此技术制成的电子元件，具有__体__积_小____、
课 时
_耗__电__少___和效率高的特点；通过对胰岛素的改造，使其
栏 目
成为速效型药品。
开 关
(2) 难 度 很 大 ： 主 要 是 目 前 科 学 家 对 大 多 数 蛋 白 质 的
_高__级__(g__ā_o_jí的)结了构解还很不够。
第十六页，共25页。
学习(xuéxí)·探究区
【活学活用】
2．基因工程与蛋白质工程的区别是
()
A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程
本
不对基因进行操作
课
时
B．基因工程合成的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程
栏
目
合成的可以不是天然存在的蛋白质

定向改造生物的遗
传特性,以获得人类 所需的生物类型或
生物产品(基因的异 体表达)
生产自然界已有的 蛋白质
蛋白质工程
基因工程
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。因为对
现有的蛋白质改造或制造新的蛋白
质,必须通过基因修饰或基因合成实 现
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当堂检测
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1.科学家想提高玉米中赖氨酸含量,计划将天冬氨酸激酶的第 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 位的天冬酰 胺变成异亮氨酸,这样就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别 提高 5 倍和 2 倍。下列对蛋白质的改造,操作正确的是( )。 A.直接通过分子水平改造蛋白质 B.直接改造相应的 mRNA C.对相应的基因进行操作 D.重新合成新的基因 解析:对蛋白质进行改造,最终通过改造基因来完成。 答案:C
1.4 蛋白质工程的崛起
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课前预习导学
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目标导航
学习目标
重点难点
重点:
1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的基本原理。 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。
1.为什么要开展蛋白质工程的研 究? 2.蛋白质工程的基本原理。 难点:
蛋白质工程的基本原理。
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预习导引
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迁移与应用 下列有关蛋白质工程和基因工程的说法正确的是( )。 A.蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质,所 以二者没有区别 B.基因工程是蛋白质工程的关键技术 C.通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍然是天然的蛋白质 D.蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质的 解析:蛋白质工程是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。其中,基因工程是关键技术,是蛋白质工程的基础, 因为对蛋白质结构的改造是通过改造基因而实现的,所以蛋白质工程 是在基因水平上改造蛋白质,改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质。 答案:B

前景诱人
蛋白质 工程现状
蛋白质工程目前的现状：成功的例子不 多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依 赖于正确的空间结构，而科学家目前对大 多数蛋白质的高级结构了解很少。
比较基因工程和蛋白质工程
项目
基因工程
操作起点
目的基因
操作核心
基因表达载体
获取目的基因→
重组 过程
构建表达载体→ 导入受体细胞→
目的基因的检测与表达
议
1）为什么不能对天然蛋白质进行改造，从而实现改造蛋白质的 目的？ ①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白 质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白 质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗 传的。 ②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得 多。 2)若某蛋白质的一段氨基酸序列是：…丙氨酸—色氨酸—赖氨酸 —甲硫氨酸—苯丙氨酸…，则根据预期的蛋白质所设计的基因中 碱基序列是唯一的吗？为什么？
知识回顾
思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生 物的身上表达，常用的方法有哪些？ 1、在种内可以用什么方法？
杂交育种
2、在种间可以用什么方法？
基因工程育种
新知 基因工程的实质是什么？ 将一种生物的基因转移到另一种生物体内， 后者可以产生它本来不能产生的蛋白质，进 而表现出新的性状。
基因工程产生的蛋白质是否完全 符合人类生产和生活的需要？
评
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，后者产生它本不能 产的 蛋白，质进而表现 出 新的性状 。
一、蛋白质工程崛起的缘由
2.基因工程的局限性：
a、基因工程在原则上只能生产自然 界已存在的蛋白质