蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用 【知識(shí)精講架構(gòu)+備課精研精梳】 高二生物 課件（人教版2019選擇性必修3）

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用第3章基因工程從社會(huì)中來(lái)

上面幾幅圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。

最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過(guò)改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

那么，科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？一、蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。

蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程。1.基礎(chǔ):蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系2.操作方法及對(duì)象:改造或合成基因3.結(jié)果:改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)4.目的:以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求5.地位:6.理論和技術(shù)：分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)

將一種生物的____轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它__________________，進(jìn)而表現(xiàn)出________二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的實(shí)質(zhì)：基因本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)新的性狀②基因工程的局限性：_______________________________原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)2.

蛋白質(zhì)工程的崛起:③天然蛋白質(zhì)是生物長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要；

如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計(jì)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。①理論和技術(shù)條件:___________、晶體學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展。分子生物學(xué)實(shí)例：賴氨酸含量低合成時(shí)需：天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。濃度影響酶活性蘇氨酸(352位）異亮氨酸產(chǎn)量提高天冬酰胺(104位)異亮氨酸你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？

人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國(guó)際合作科研項(xiàng)目。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動(dòng)兩項(xiàng)重大國(guó)際合作項(xiàng)目：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是由美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開(kāi)了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。

“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃。它的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)?；难芯?，解析肝臟蛋白質(zhì)在生理、病理過(guò)程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃取得的成果有力推動(dòng)了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國(guó)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃啟動(dòng)。三、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：

根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。2.改造蛋白質(zhì)的方法：改造或合成基因5.天然蛋白質(zhì)合成過(guò)程：按照中心法則進(jìn)行基因表達(dá)形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)形式生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯3.蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：通過(guò)改造或合成基因來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)4.結(jié)果：生產(chǎn)出自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程的基本思路6.蛋白質(zhì)工程思路：逆中心法則

從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)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(zhì)。三、蛋白質(zhì)工程的基本原理項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對(duì)象操作起點(diǎn)操作水平操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→找到并改變對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定可生產(chǎn)自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，即天然蛋白質(zhì)。通過(guò)改造或合成基因來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因

工程。②蛋白質(zhì)工程離不開(kāi)基因工程，其包含基因工程基本操作。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因基因工程與蛋白質(zhì)工程的比較課堂小結(jié)蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫(xiě)出來(lái)。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）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）則：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸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(kù)中獲取目的基因。對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等。蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用如何辨別一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程二看蛋白質(zhì)一看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程方法思考異想天開(kāi)

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

理論上講可以，但目前還沒(méi)有真正成功的例子。利用改造后的動(dòng)物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來(lái)的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計(jì)并獲得了一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長(zhǎng)期深入的研究。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.研發(fā)速效胰島素類似物天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20-29位氨基酸組成推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

通過(guò)改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過(guò)這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。

小鼠單克隆抗體會(huì)使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低3.改造抗體—降低人對(duì)小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)醫(yī)學(xué)問(wèn)題:解決辦法:四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用4.其他應(yīng)用①改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶；②改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量；③設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲(chóng)害的效果增強(qiáng)；

如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)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(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價(jià)值。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)5.面臨的困難：蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程；主要原因：

蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜由計(jì)算機(jī)建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用6.前景展望：

科學(xué)家要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會(huì)給人類帶來(lái)更多的福祉。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用思考為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳；到社會(huì)中去

酶用作工業(yè)催化劑，比無(wú)機(jī)催化劑具有更大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。由于酶促反應(yīng)能在常溫、常壓和中性pH條件下進(jìn)行，因此可以節(jié)省大量的能源和設(shè)備投資；生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)造成嚴(yán)重的污染，符合環(huán)境保護(hù)的要求；生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單、效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)成本低。因此，酶制劑在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備、優(yōu)良菌種以及開(kāi)發(fā)新型酶制劑，我國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)保持了較快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，品種越來(lái)越豐富，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷提升。2016年，我國(guó)工業(yè)酶制劑年產(chǎn)量達(dá)120萬(wàn)噸，年增長(zhǎng)率保持在10%左右。在全球范圍內(nèi)，我國(guó)酶制劑的市場(chǎng)份額已占到了30%左右，我國(guó)進(jìn)入酶制劑生產(chǎn)大國(guó)的行列。在酶制劑產(chǎn)業(yè)中，蛋白質(zhì)工程被廣泛用于開(kāi)發(fā)酶的新品種或改進(jìn)酶的性能，如提高酶的熱穩(wěn)定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測(cè)（P96）1.蛋白質(zhì)工程可以說(shuō)是基因工程的延伸。判斷下列相關(guān)表述是否正確。(1)基因工程需要在分子水平對(duì)基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對(duì)基因進(jìn)行操作。()(2)蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。()(3)蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。()××√練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測(cè)（P96）2、蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是()A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求D練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測(cè)（P96）3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是()A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D、蛋白質(zhì)A2023/2/5二、拓展應(yīng)用（P96）練習(xí)與應(yīng)用T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇?在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么?如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作?這項(xiàng)工作屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是基因的堿基序列發(fā)生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，還有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此它的一些基本特性需要重新明確，包括它能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等；需要建立規(guī)模化生產(chǎn)該酶的技術(shù)體系，評(píng)估生產(chǎn)成本等。復(fù)習(xí)與提高1.(1)①應(yīng)選擇用相同的限制酶或切割能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割質(zhì)粒和含有目的基因的DNA片段;②注意限制酶的切割位點(diǎn)不能位于目的基因的內(nèi)部，以防破壞目的基因;③限制酶也不能破壞質(zhì)粒的啟動(dòng)子、終止子、標(biāo)記基因、復(fù)制原點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。(2)加入DNA連接酶。復(fù)習(xí)與提高(3)該質(zhì)粒便于進(jìn)行雙重篩選。標(biāo)記基因Amp基因可用于檢測(cè)質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，一般只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。由于LacZ基因的效應(yīng)，這些生長(zhǎng)的菌落可能出現(xiàn)兩種顏色：含有空質(zhì)粒（沒(méi)有連接目的基因的質(zhì)粒）的大腸桿菌菌落呈藍(lán)色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。（4)含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。因?yàn)槟康幕?/p>