高三生物蛋白质工程的崛起

目的基因导入受体 细胞并表达
对现有蛋白质进行 改造，对创造新的 蛋白质还未成功
已被广泛应用
基因工程原则上只能生产自然界已存在蛋白质。 天然蛋白质不一定完全符合人类的需要。 生产符合人们需要的并非自然界已存在蛋白质。
对天然的蛋白质进行改造，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？
3.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
4.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预期蛋白质功能
④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A.①②③④
B.④②①③
C.③①④②
D.③④①②
退 出
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。
三、蛋白质工程的进展和前景
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 空间结构了解很少。
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 B.蛋白质空间结构
1.4 蛋白质工程的崛起
“超级植物”
1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来
你已经知道了基因工程可应用于动植物遗 传育种、人类疾病预防和生态环境保护。
除了这些应用之外，基因工程在其他领域 还有哪些应用吗？
1.理解蛋白质工程与基因工程的关系。 2.描述蛋白质工程的基本原理。 3.举例阐述蛋白质工程的应用和发展。
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。

高中生物选修14蛋白质工程的崛起
精品
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 b、天然蛋白质不一定完全符合人类 生产和生活的需要
2 蛋白质工程的目的： 生产符合人们生活需要的、自然界中没有 的蛋白质
例如：
干扰素（半胱氨酸） 改造
蛋白质改造工程的实例：
3．胰岛素改造 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。
蛋白质改造工程的实例：
4．治癌酶的改造
癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细 胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受 化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒 （HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构 类似物磷酸化而使这些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成， 杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。 从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近 有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。
ห้องสมุดไป่ตู้
三、蛋白质工程的进展与前景
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空 间结构了解很少。
比较基因工程和蛋白质工程：
基因工程
蛋白质工程
相同点 都要改造基因，都属于分子水平
产生新的 基因型，无新基因 基因（型）
产生的蛋白质

1.4 蛋白质工程的崛起
天然蛋白质的合成过程
复制
DNA
转录 逆转录
复制
RNA 翻译
肽链
折叠 等
表达生物特有 的功能或性状
具有空间ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 构的蛋白质
遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
蛋白质工程崛起的缘由
例如：
满足人类 生产和生 活的需要?
干扰素（半胱氨酸） 改造 干扰素（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
血红蛋白质的四级结构
2、蛋白质工程的原理：基因改造 3、基本途径：
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
第程 蛋
二的 白
代 基
基 础
质 工
因上 程
工， 是
程 。
延 伸
在 基
出因
来工
的
找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
4.蛋白质的改造可分为三类：
大改：制造出自然界中不存在的全新蛋白质 中改：在蛋白质分子中替代某一个肽段或一
个特定的结构域 小改：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
你知道人类蛋白质组计 划吗？它与蛋白质工程有什 么关系？我国科学家承担了 什么任务？
你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白 质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？
• 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程 学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护 等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制 剂的生产和应用两方面组成的。
玉米中赖氨酸含量比较低
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶
改造
（352位的苏氨酸）
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 二氢吡啶二羧酸合成酶

蛋白质工程崛起的缘由
活动：阅读P26
满足人类 生产和生 活的需要
满足人类生产和 生活的需要
蛋白质工程崛起的缘由
学生活动
阅读课本 思考分析 从以下几方面总结
基因工程 的实质
基因工程 的不足
天然蛋白 质的不足
蛋白质工程
崛起的缘由
蛋白质工 程的目的
蛋白质工程的基本原理
基本原理
思考感悟 对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分 子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？
基础知识巩固
【尝试解答】 (1)根据氨基酸序列反推mRNA上密码子序列，再反推DNA上脱氧核苷酸序列。 其DNA碱基序列为：
(2)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
基础知识巩固
二、下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下面的问题。
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则 内容的是________。(填写数字) (2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①________；②________；③________；④________； ⑤________。 (3)蛋白质工程的目的是___________________，通过________实现。 (4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是________的。
应用于微电子方面、制 作电子元件具有体积小 、耗电少和效率高的特 点
前景 进展 现状
胰岛素速效型药品
目前成功的例子不多 ，原因是对蛋白质的 高级结构了解不够。 要设计出更加符合人 类需求的蛋白质还需 经过艰辛的探索
基础知识巩固
一、 某多肽链的一段氨基酸序列是：…—甲硫氨酸—色氨酸—苯丙氨酸—色 氨酸—…(氨基酸及对应的密码子为：甲硫氨酸AUG，色氨酸UGG，苯丙氨 酸UUU、UUC） (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。 (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)?

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
基因工程和蛋白质工程的比较
基因工程
蛋白质工程
区别 场所 核心 起点 结果
联系
生物体外
生物体内
基因
基因
目的基因
生产自然界已 存在的蛋白质
6、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，其结果产生的蛋白质是（Ｄ）
A．氨基酸种类增多 B．氨基酸种类减少 C．仍为天然存在蛋白质 D．可合成天然不存在蛋
白质
7、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
（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。
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，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）
思考：
天然蛋白质如何合成？
遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
DNA转录
RNA翻译 肽链折叠等
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
3．蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是( Ｄ)

在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以 应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业 生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工 业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生 产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机 溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多 数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工 业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高 蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶 的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于 重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。
果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性提 高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存稳定 性高很多。
Ø “后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”， 即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研 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。
Ø 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、 动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质 人工改造与合成，最终获得商业化的产品。
二、蛋白质工程பைடு நூலகம்基本原理
（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；
一、蛋白质工程崛起的缘由
通过基因工程能够大规模生产生物体内微量 存在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状， 得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。 然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现， 这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进 行产业化开发往往不合意，需要加以改造。1983年 Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需 要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以 后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要 组成部分。

三、蛋白质工程的概念
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， 以满足人类对生产和生活的需求。
蛋白质工程的实质：是对编码蛋白质的基因进行改造
四、蛋白质工程的进展和前景
进展 胰岛素速效型药品
前景 现状
制作电子元件 蛋白质的功能主要依赖于其正确而又极 其复杂的高级结构，目前科学家对大多
中心法则
复制 DNA 转录 RNA 翻译 蛋白质
逆转录
二、蛋白质工程的基本原理
目的 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。
原理 改造基因(基因 修饰 或基因 合成 )。
途径 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。
高中生物 蛋白质工程的崛起课件 新人教版选修
1.4 蛋白质工程的崛起
一、蛋白质工程崛起的理由
l基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质。
l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。
实例1：生产单体速效胰岛素
随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。
后时到被会 分间血才 液堆 解原能中积。因在进的：入胰皮胰血岛下岛，液 素素， 又要注而 会经射过且 不到进 断较人入 地长体 以，天某G酶改一是根…天天由天酶…改以，是 某由天高4 C蛋以然多工造、对据-然然酶然工-造蛋以对多酶然中蛋丙丙U白 满 的 肽 程 基 蛋 编 人 的 的 制 的 程 基 白 满 编肽 制 的 生白(氨氨C质足干的通因白码们干干剂干就因质足码 的剂干物质/酸酸A分人扰一常(质蛋对扰扰的扰是(分人蛋 一的扰工/基--基G蛋色色子类素段是工白蛋素素生素指子类白 段生素程)因因白U氨氨的对在氨用程质白在在产在将的对质 氨产在的G质酸酸结生体基工崛的质体体和体酶结生的 基和体G崛工--A赖赖构产外酸程起基外外应外所构产基 酸应外或或起A程氨氨规和保序菌的因保保用保具规和因 序用保基基A的的(酸酸律生存列生理进存存两存有律生进列两存因因G特崛--及活相是产由行相相方相的及活行 是方相)甲甲A定起其的当：酶改当当面当生其的改 ：面当U硫硫需课G))与需困制造困困组困物与需造 组困。氨氨。求U件生求难剂难难成难催生求成难U酸酸，新U物。。，。。的。化物。的。--对苯苯(人C功重。作功。蛋丙丙)教能点用能白氨氨版的在，的质酸酸选关于借关的--修……系对助系作已工作为存程为进基酶学基行础的的础分，合手，子通理段通设过充，过计基分应基。因利用因修用于修饰。生饰或产或基、基因生因合活合成、成，医，对疗对现诊现有断有蛋和蛋白 环 白质境质进保进行护行改等改造方造或面或制的制造一造一门一种科种新学新的技的蛋术蛋白。白质质 如果把胰岛素B链由B28脯氨酸-B29赖氨 如由酶G如 四酶C果酶工果、工U把 制 程 将蛋 程(C胰剂就其 白通/A岛的是分 质常/G素生指子 工是)U产将上 程用BG链和酶的 的工G由A应所一 进程AB用具个 展菌A2(8两有半和生G脯方的胱 前产)A氨面生氨 景酶U酸G组物酸 制-UB成催变 剂U2U的化成 ，9赖(C。作丝 重氨)用氨 点酸，酸 在改借， 于为助那 对B工么 已28程在 存赖学酶—氨的的7酸0手合℃-B段理的29，充条脯应分件氨用利下酸于用，就生。可可产以避、保免生存胰活半岛、年素医。分疗子诊形断成和聚环合境体保以护保等证方其面效的能一的门及科时学发技挥术。。

挠｜～折～扣。②用在同
➢ “后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即 从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究， 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。
➢ 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、 动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质 人工改造与合成，最终获得商业化的产品。
形不方便：行动～｜边远山区，交通～。②动不适宜（做某事）：他不愿意说，我也～再问｜他有些不情愿，又～马上回绝。③形指缺钱用：你如果一时手
头～，我可以先垫上。 【不辨菽麦】分不清豆子和麦子，形容缺乏实际知识。 【不…不…】……①用在意思相同或相近的词或词素的前面，表示否定（稍强
调）：～干～净｜～明～白｜～清～楚｜～偏～倚｜～慌～忙｜～痛～痒｜～知～觉｜～言～语｜～声～响｜～理～睬｜～闻～问｜～依～饶｜～屈～
的脊椎动物，基本特点是靠母体的乳腺分泌乳汁哺育初生幼体。除最低等的单孔类是卵生的以外，其他哺乳动物全是胎生的。 【哺养】动喂养。 【哺育】动
①喂养：～婴儿。②比喻培养：祖国和人民～了我们。
【堡】堡子（多用于地名）：吴～（在陕西）｜柴沟～（在河北）。
Hale Waihona Puke 【堡子】?名①围有土；短信群发 短信群发 ；墙的城镇或乡村。②泛指村庄。 【不】副①用在动词、形容词和其他副词前面表示否定：～
亢】既不自卑，也不高傲，形容待人态度得体，分寸恰当。也说不亢不卑。 【不比】动比不上；不同于：虽然我们条件～他们，但我们一定能按时完成任
务｜海南～塞北，一年四季树木葱茏，花果飘香。 【不必】副表示事理上或情理上不需要：～去得太早｜慢慢商议，～着急。 【不变价格】计算或比较各年
工、农业产品总产值时，用某一时期的产品的平均价格作为固定的计算尺度，这种平均价格叫不变价格。也叫比较价格、可比价格或固定价格。 【不便】①

三、蛋白质工程的进展和前景
蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的 一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质 结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研 究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭 新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药 方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开 创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的 蛋白质的新时期。
3．胰岛素改造
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。
4．治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞， 特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学 药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV） 胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物 磷酸化而使这些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀 死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。 从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近 有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。 蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了 几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制 造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种 强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以 和任何重大的生物研究方法相提并论。
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。