1.4蛋白质工程
课件14：1.4 蛋白质工程的崛起
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。
前提： 原理： 目的：
了解蛋白质的结构和功能 改造基因（基因修饰或基因合成） 定向改造或制造蛋白质
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？
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
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？
1、基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质； 2、改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； 3、改造基因比改造蛋白质更容易操作。
蛋白质工程的崛起
目标
开展蛋白质工程的研究的缘由 蛋白质工程的原理 蛋白质工程的进展与前景
一、蛋白质工程崛起的缘由
1 基因工程的实际： 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。
蛋白质一级结构是理解蛋白质结构、作用机制以 及与其同源蛋白质生理功能的必要基础 。
蛋白质的二级结构
蛋白质二级结构:指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方 式。二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角。
蛋白质的三级结构
蛋白质分子处于它的天然折 叠状态的三维构象。三级结 构是在二级结构的基础上进 一步盘绕，折叠形成的。
20-21版：1.4 蛋白质工程的崛起（步步高）
1.4 蛋白质工程的崛起一、蛋白质工程崛起的缘由1．崛起缘由(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，后者可以产生它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：基因工程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。
2．实例(1)干扰素(半胱氨酸)――→改造干扰素(丝氨酸)体外很难保存 体外－70 ℃下可以保存半年(2)提高玉米赖氨酸含量天冬氨酸激酶(第352位的苏氨酸)――→改造天冬氨酸激酶(异亮氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位的天冬酰胺)――→改造二氢吡啶二羧酸合成酶(异亮氨酸) 改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。
(1)为延长干扰素保存时间，需要替换氨基酸，为提高玉米中赖氨酸含量，需要在蛋白质中加入赖氨酸( )(2)基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，它符合特定物种生存的需要却不一定符合人类的需要( )(3)提高玉米赖氨酸含量是利用了基因重组的原理( )(4)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质( )答案 (1)× (2)√ (3)× (4)√二、蛋白质工程的基本原理、进展和前景1．蛋白质工程的基本原理(1)概念：蛋白质工程又被称为第二代基因工程， 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。
(2)目标：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。
2．蛋白质工程的基本流程预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。
3．蛋白质工程的进展和前景(1)进展①医药方面：科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。
②电子方面：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。
1.4蛋白质工程
据图回答： （1）过程①酶作用的部位是 键，此过程只 发生在非结合区DNA，过程②酶作用的部位是 键。 （2）①、②两过程利用了酶的 特性。
（3）若将得到的DNA片段用于构建重组质粒，需要 过程③的测序结果与 酶的识别序列 进行对比，已确定选用何种酶。 （4）如果复合体中的蛋白质为RNA酶聚合，则其识 别、结合DNA序列位基因的 。
1.4 蛋白质工程的崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
任务：阅读教材第26页第二段
问题：
1、基因工程的实质是什么？ 2、基因工程的不足是什么？ 3、天然蛋白质的不足是什么？
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、基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。 下列叙述不正确的是 A.常用相同的限制性内切酶处理目的基因和质粒 B.DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工 具酶 C.可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入 了重组质粒 D.导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达
3、生物分子间的特异性结合的性质广泛用于生 命科学研究。以下实例为体外处理“蛋白质-DNA 复合体”获得DNA片段信息的过程图。
三、蛋白质工程的进展和前景
1.进展
2.前景
胰岛素速效型药品
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 3.现状 蛋白质工程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。
1、天然的玫瑰没有蓝色花，这是由于缺少控制蓝色 色素合成的基因B，而开蓝色花的矮牵牛中存在序列 已知的基因B。现用基因工程技术培育蓝玫瑰，下列 操作正确的是 A．提取矮牵牛蓝色花的mRNA，经逆转录获得互补的 DNA，再扩增基因B B．利用B与质粒连接后导入玫瑰细 胞 D．将基因B直接导入大肠杆菌，然后感染并转入玫 瑰细胞
1.4蛋白质工程的崛起
A.氨基酸结构 C.肽链结构
B.蛋白质空间结构 D.基因结构
5．下列关于蛋白质工程的进展和应用前景的叙述中，
不正确的是( B )
A.通过对基因结构的定点突变实现玉米赖氨酸合成 的关键酶结构的改变属于蛋白质工程 B.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内，使大肠 杆菌生产人的胰岛素的技术属于蛋白质工程 C.对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点 入手 D.通过对基因结构的改造生产出自然界中从未存在 的蛋白质种类目前还很少
一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程的应用
（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。
2、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。
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 。 蛋白质工程是在基因工程的基础上， 延伸出来的第二代基因工程。
经典例题
1.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
2.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
C、肽链结构
D、基因结构
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。
原创11：1.4 蛋白质工程的崛起
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)?
1.4蛋白质工程的崛起
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。
高中生物选修3优质学案4：1.4 蛋白质工程的崛起
1.4 蛋白质工程的崛起【本节重难点】重点：1.为什么要开展蛋白质工程的研究2.蛋白质工程的原理难点：1.蛋白质工程的原理【知识精讲】教材梳理知识点一蛋白质工程的概念：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。
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。
说明：对本概念的理解应从以下几个方面理解：1.蛋白质工程的基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系2.蛋白质工程的改造对象：改造蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。
3.蛋白质工程的产物：产生新的蛋白质。
知识点二蛋白质工程的原理：蛋白质工程的目标——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。
其基本途径是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）。
其流程图如下：知识点三蛋白质工程的实例：①.干扰素是动物体内的一种蛋白质，可治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难，通过蛋白质工程改造蛋白质后可在－70℃条件下，保存半年。
②.玉米体内赖氨酸的含量比较低，关键是玉米体内天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶浓度达到一定量时，就会抑制这两种酶的活性，从而影响赖氨酸含量的提高，经过蛋白质工程改造这两种酶后，分别使赖氨酸的含量提高了5倍和2倍。
说明：对该部分知识的学习不能局限于这两个例子，更重要的是从中学习蛋白质工程的原理和蛋白质工程的基本途径。
知识点四蛋白质工程的进展和前景：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，使其成为一种速效性药品，再如：将蛋白质工程应用与微电子方面，制成电子元件，具有体积小、耗电少、效率高等优点。
但是由于蛋白质发挥功能必须依赖于它的高级结构（空间结构），这是相当复杂的，所以，目前成功的例子还不多，还需要人们的努力。
高中生物同步课件：1.4 蛋白质工程的崛起(新人教版选修3)
②氨基酸序列(多肽链)
栏目 导引
专题1
基因工程
变式训练 (2012· 江苏启东中学高二检测)下列关于基因工 程和蛋白质工程的说法正确的是( 类需要的蛋白质，所以二者没有区别 ) A．蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人
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
(4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出 其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA 合成仪合成出新的胰岛素基因。
栏目 导引
专题1
基因工程
互动探究 (1)结合本题分析：蛋白质工程直接操作的对
象是什么？
(2)比较分析：本题构建形成的胰岛素基因与 人体内的胰岛素基因相同吗？
【提示】
(1)基因。
(2)不同，由于遗传密码的简并性(一个氨基酸 可有多个密码子对应)，因此经反转录形成的 DNA不再是原来的DNA。
肽链→产生具有高级结构的蛋白质→行使生
物功能，而蛋白质工程正好与之相反。
栏目 导引
专题1
基因工程
【答案】
(1)蛋白质分子的结构规律及其与
生物功能的关系
(2)DNA mRNA
基因修饰
多肽链
基因合成
存在
(3)预期蛋白质功能
设计预期的蛋白质结构 找到相对应的脱氧
推测应有的氨基酸序列 核苷酸序列 不存在
(4)①分子设计
蛋白质 产生的_________，进而表现出新的性状。
2.基因工程的不足：原则上只能生产 自然界已存在 ________________的蛋白质。
栏目 导引
专题1
基因工程
二、蛋白质工程的基本原理
1..蛋白质工程的目标
【高中生物】1、4蛋白质工程的崛起
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
DNA合成
基因DNA
答案 （1）G↓A A T T C C T T A A↑G （2）人工合成 （3）①用特定的限制性核酸内切酶切割质粒，使其出现一个有黏性末端的切口；用同种限制性核酸内切酶切割目的基因，产生相同的黏性末端；将切下的目的基因片段插入到 质粒的切口处，再加入适量的DNA连接酶，使质粒与目的基因结合成重组质粒 ②受体细胞通过转录、翻译合成相应的蛋白质，即人的生长激素 （4）分子设计 具有一定氨基酸序列的多肽链
（3）下图是将人类的生长激素基因导入细菌B细胞内制 造“工程菌”的示意图，所用的载体为质粒A。已知细 菌B内不含质粒A，也不含质粒A上的基因，质粒A导入细 菌B后，其上的基因能得到表达。请回答下列问题：
①简述重组质粒的主要过程
。 ②导入细菌B细胞的目的基因成功表达的标志是 。 （4）假如预期到某种酶的功能，要设计相应的基 因，下列图示中： ①是 ；②是 。
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、蛋白质工程的基本原理
蛋白质的功能是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。基因 工程中合成的蛋白质只能是天然存在的蛋白 质，蛋白质工程则可以合成自然界本来不存 在的蛋白质。
1.4蛋白质工程
2、上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋 白基因的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基 因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋 白含量提高30多倍。“转基因动物”是指 ( B ) A. 提供基因的动物 B. 基因组中增加外源基因的动物 C. 能产生白蛋白的动物 D. 能表达基因信息的动物
1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循 环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。 2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提 纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有 稳定的生物活性。 3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同 时，转基因动物又可无限繁殖。
获取目的基因例 （如血清蛋白基因） 将胚胎送入 母体动物 发育成转 基因动物
课堂练习：
2、蛋白质工程的基本流程正确的是：( D ) 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→④ B. ④→②→①→③ C. ③→④→①→② D. ③→①→④→②
体外很难保存
改造
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）
改造
玉米中赖氨酸含量可提高数倍 天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
改造
蛋白质工程流程图：
DNA合成
基因 氨基酸序列 ຫໍສະໝຸດ NA 转录 mRNA翻译 多肽链 折叠
2
前提： 原理： 目的：
了解蛋白质的结构和功能 改造基因（基因修饰或基因合成）
定向改造或制造蛋白质
比较基因工程和蛋白质工程： 基因工程 相同点 产生新的 产生的蛋白质 联系 蛋白质工程
课件13：1.4 蛋白质工程的崛起
归纳小结
比较基因工程和蛋白质工程：
基因工程
蛋白质工程
相同点 实质
产生的蛋白质 联系
都属于分子水平的操作， 都是对基因的操作
基因重组
改造基因
天然存在的
自然界不存在的
蛋白质工程以基因工程为基础， 是基因工程的应用和延伸
课堂练习：
1、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
怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷 酸序列？写出相应的碱基序列。
三、蛋白质工程的进展和前景
应用于电子方面
改造胰岛素 ——特效药品
蛋白质工程 ——制造电子元件。
优点：体积小、 耗电少、效率高。
你想创造一种具有什么功能的蛋白质？
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？
浓度 影响
苏氨酸 异亮氨酸
产量提高
天冬酰胺
异亮氨酸
蛋白质的结构
国际人类蛋白质组计划？
2001年，国际人类蛋白质组组织成 立。 启动两项国际合作行动： 1、人类肝脏蛋白质组计划； 2、人类血浆蛋白质组计划。
蛋白质工程所进行的操作，是直接对蛋白质分 子进行操作还是对基因进行操作？
二、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程：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。
基因 DNA
DNA合成
蛋白质工程
转录
mRNA
1.4蛋白质工程的崛起5
4.原理 中心法则的逆推
分子
DNA合成
设计
基因
氨基酸序
蛋白质
DNA
mRNA
列多肽链
三维结构
转录
翻译
折叠
图1-29蛋白质工程流程图 生物 预期
功能 功能
四、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（手段），以满足人类的生产和生 活的需求（目的）。
❖ A．①②③④ B．④②①③
❖ C．③①④② D．③④①②
❖ 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
基因工程的基本步骤（如基因改造时需要工具酶，
需构建表达载体、导入受体细胞等）
五、蛋白质工程的进展和前景
1.进展 胰岛素速效型药品
2.前景 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
3.现状
蛋白质工程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。
一、蛋白质工程崛起的缘由
活动1:阅读P26.
回答:为什么要进行蛋白质工程?
1）基因工程在原则上只能生产自然界已存 在的蛋白质。 2）天然蛋白质只是适应生物自身的需要， 但不一定完全符合人类生产和生活需要， 所以需要加以改造。
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的应用
17-18版：1.4 蛋白质工程的崛起（创新设计）
预习导学
课堂讲义
判断正误： (1)基因工程能生产自然界中不存在的蛋白质。( ) (2)蛋白质工程的主要目的是对现有蛋白质进行改造或生产新 的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要。( ) (3)蛋白质工程直接操作的对象是蛋白质。( ) (4)蛋白质工程的基本途径是：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→找到相应的脱 氧核苷酸序列。( )
定向改造生物的遗传特
性，以获得人类所需的 定向改造或生产人类所 生物类型或生物产品(基 需的蛋白质 因的异体表达)
生产自然界已存在的蛋 可以创造出自然界不存
白质
在的蛋白质
预习导学
课堂讲义
科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品，阅 读教材，结合资料完成下述分析。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：
预习导学
课堂讲义
【一题多变】 判断正误： (1)对蛋白质直接改造成功，也可遗传。( ) (2)改造了基因即对蛋白质进行了改造。( ) (3)蛋白质工程的实质是改造氨基酸。( ) (4)蛋白质工程的原理是中心法则。( ) 答案 (1)× (2)√ (3)× (4)×
预习导学
课堂讲义
二、蛋白质工程与基因工程比较
预习导学
课堂讲义
4．假如某科学家设计出某种蛋白质的空间结构，你能否设计 出利用大肠杆菌生产该蛋白质的流程？ 答案 蛋白质的空间结构→氨基酸序列→合成目的基因→ 构建基因表达载体→导入大肠杆菌→产生相应蛋白质。
预习导学
课堂讲义
1．下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问 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__________。
教学设计16：1.4 蛋白质工程的崛起
蛋白质工程的崛起设计思路新课一开始，可以带领学生回忆原有知识如蛋白质的生理功能，蛋白质的合成过程，基因与蛋白质的关系，在此基础上引导学生回顾基因工程操作步骤及成果：如大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物，烟草植物体内含有了某种药物蛋白……至此，人们实现了让一种生物的基因在另一种生物的表达，从而达到定向改造生物性状的目的。
但一个新问题出现了，生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的，它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。
为了加深这一点的认识，可调动学生从书中找实例（干扰素例子、工业用酶的例子）加以佐证。
于是要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。
这样人们又开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。
教学目标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。
重点难点1、教学重点：（1）开展蛋白质工程的缘由。
（2）蛋白质工程的原理。
2、教学难点：蛋白质工程的原理。
教学过程1．创设情景，引入对蛋白质工程崛起的学习。
师：什么是蛋白质？蛋白质有何作用？蛋白质是由什么控制的？生：蛋白质是生命活动的承担者和体现者，蛋白质是由基因决定的。
师：基因通过指导蛋白质的合成来控制性状，因此科学家通过将一种生物的基因在另一种生物中表达，从而达到定向改造生物性状的目的。
基因工程可以生产人类需要的药物，如胰岛素、干扰素等，我们吃的，使某些食品如番茄、土豆等农业中的抗虫棉、抗病毒烟草等，上述产品有些是常规方法难以生产或者生产成本高。
联系旧知识使学生回忆基因工程的有关内容。
引起学生对蛋白质工程的感性认识。
2．学习"蛋白质工程的崛起的缘由"师：基因工程的实质是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生它本身不能产生的蛋白质的性状。
但基因工程，人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。
1.4蛋白质工程
基因治疗曙光初照
基因治疗的途径： 基因治疗的途径：
体外基因治疗
1990年9月美国对腺苷酸脱氢 1990年 成功实例： 酶缺乏症4岁女童的治疗。 成功实例： 酶缺乏症4岁女童的治疗。患 者淋巴细胞体外转入目的基因 后回输入患者体内。 后回输入患者体内。
体内基因治疗（更简便） 体内基因治疗（更简便）
1、改造酶的结构 、
自然酶与工业用酶有什么区别? 自然酶与工业用酶有什么区别 自然酶 在常温常压中性环 境下起催化作用 工业用酶 在高温、 在高温、酸或碱性 环境下起催化作用
2、生物工程制药 、
鼠源杂交瘤抗体 导致机体 高度过敏 -人嵌合抗体 鼠-人嵌合抗体 副作用 明显减小
改造动物干扰素、 改造动物干扰素、猪胰岛素等
蛋白质工程
基因工程的 原则上只能产生自然界已存在的 局限： 局限： 蛋白质 蛋白质工程 根据人们对蛋白质的特定需 求，对蛋白质的结构进行分 的目标 子设计。 子设计。 基本 找出相应 预期的蛋 设计预期的 推测氨基 脱氧核苷 途径 白质功能 蛋白质结构 酸序列
1.4 蛋白质工程
R型细菌
S型菌的 DNA+DNA酶
只长R型菌
标记
侵染
搅拌
离心， 检测
5.萨克斯（德）实验 1864
黑暗中饥饿处理
一在 半暗 曝处 光放 ，置 目的一几：消耗掉叶 片中半遮小的的营养物质 光叶 片
一半遮光 一半曝光
实验碘结蒸论汽：处光合理作用的产物有淀粉；光是光酒合精作用脱的色
必要条件
9、感受态细胞：Ca2+ 处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子
的生理状态
10、重组表达载体DNA分子溶于 缓冲液中与感受态细胞混合，在 一定温
促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化过程
度下
11、探针：含有目的基因的DNA分子片段上用放射性同位素等做标记
12、将目的基因导入受体细胞内，并在受体细胞内维持稳定和表达的过程，称
次还有 基因枪法（单子叶植物） 和 花粉管通道法 等。
将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞
多是 受精卵 。
繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少
将目的基因导入微生物细胞：原核生物作为受体细胞的原因是
，
最常用的原核细胞是 大肠杆菌 ，其转化方法是：先用钙离子处理细胞，使其
目的基因的获取 药用蛋白基因
基因表达载体的构建 药用蛋白基因+乳腺蛋白基因的启动子
将目的基因导入受体细胞 显微注射技术：注入受精卵中
目的基因检测与鉴定
结果：雌性转基因动物进入泌乳期 后通过分泌乳汁生产所需药物
3、乳腺生物反应器的优点？
1、产量高 2、质量好，因为乳腺组织有一整套全面对蛋白质 进行加工合成能力 3、产品成本低 4、从奶牛中提取产品，易提取1、获取目的基因的方法：基因、PCR扩增、ＤＮＡ合成仪化学方法人工
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DNA
RNA
翻译
肽链
表达生物特有 的功能或性状
具有空间结 构的蛋白质
遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
蛋白质工程的基本流程
DNA合成 基因 DNA 氨基酸序列 多肽链 mRNA 转录 翻译 折叠 分子设计 蛋白质 三维结构 预期功能 生物功能
ห้องสมุดไป่ตู้
探究
• 1、基因工程的实质和局限性是什么? • 2、蛋白质工程取得了哪些成果？ • 3、蛋白质工程的目标是什么？蛋白质结构 通过什么来完成？ • 4、天然蛋白质的合成过程怎样？ • 5、蛋白质工程的基本途径是什么？ • 6、什么是蛋白质工程 ？ • 7、蛋白质工程的进展
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
13、当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基 因工程多肽蛋白质类替代治疗剂，则基因工程药物与蛋 白质工程药物的区别是 （ ） A、都与天然产物完全相同 B、都与天然产物不相同 C、基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药 物与天然产物不相同 D、基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物 与天然产物完全相同
玉米中赖氨酸的含量比较低。
赖氨酸的合成机理：
天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶
负反馈调节
前体物质
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）
赖氨酸
改造
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
天然蛋白质的合成过程
复制
复制 转录 逆转录 折叠 等
11、蛋白质工程的基本操作程序正确是 （ ） ①蛋白质分子结构合成 ②DNA合成 ③mRNA合成 ④蛋白质的预期功能 ⑤根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列 A、①→②→③→④→⑤→① B、⑤→④→③→②→①→② C、④→①→⑤→②→③→① D、②→③→⑤→①→②→ ④ 12、下列各项与蛋白质结构多样性无关的是 （ ） A、氨基酸的种类、数目、排列顺序 B、构成蛋白质的多肽链的数目 C、构成蛋白质的肽链的空间结构 D、氨基酸至少含一个氨基和一个羧基
8、玉米是生产赖氨酸的好材料，可是产量低，需要改变 什么结构就能提高产量？ （ ） A、天冬氨酸激酶 B、二氢吡啶二羧合成酶 C、肽酶 D、A、B都是 9、天然蛋白质合成遵循的法则是 （ ） A、中心法则 B、转录 C、翻译 D、复制
10、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的分子结构，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、蛋白质工程又称为第二代基因工程
2、科学家将β干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌 表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果 大大提高β-干扰素的抗病性活性，并且提高了储存稳定 性，该生物技术为（ ） A、基因工程 B、蛋白质工程 C、基因突变 D、细胞工程 3、蛋白质工程的实质是 （ ） A、改变氨基酸结构 B、改造蛋白质结构 C、改变肽链结构 D、改造基因结构
4、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 5、干扰素经过改造可长期储存，从蛋白质水平上应 改变的是 （ ） A、光氨酸 B、精氨酸 C、谷氨酸 D、半光氨酸 6、蛋白质工程制造的蛋白质是 （ ） A、天然蛋白质 B、稀有蛋白质 C、自然界中不存在的蛋白质 D、血红蛋白质 7、蛋白质工程的基础是 （ ） A、基因工程 B、细胞工程 C、酶工程 D、发酵工程