干扰素干扰素
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回顾： 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 。
基因工程 的成果
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。
定向改造或生产人类所 需的蛋白质 生产自然界没有的蛋 白质
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。因为对现有蛋白质的改造或制造 新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。
三.蛋白质工程的应用
丙糖磷酸异构酶
工业生产上
异亮氨酸
天门冬酰胺
天门冬酰胺 酵母菌 苏氨酸
热稳定性 提高50％
一、蛋白质工程崛起的缘由
改造
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存 玉米中赖氨酸含量比较低
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年 玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶 （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 （异亮氨酸）
解决： 改变蛋白质的结构
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 （104位的天冬酰胺）
（半胱氨酸：UGU；丝氨酸：UCU）
基因定点诱变技术的示意图
基因定点诱变技术的理解(苏教版) 项目 内容 脱氧核苷酸 ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶 含突变顺序的ＤＮＡ分子片段
原料 条 酶 件 引物 能量 操作方法 结果 适应范围
ＡＴＰ
ＰＣＲ法 后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子 空间结构完全清楚的蛋白质
DNA合成 基因 氨基酸序列 mRNA 转录 翻译 分子设计 蛋白质 预期功能 生物功能
DNA
多肽链
折叠
三维结构
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 白质的二维结构和三维晶体结构; （ 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。
2．原理 (1)结构分析 ①前提条件：了解蛋白质的结构和功能的关系。 ②了解蛋白质结构的方法 X射线晶体衍射法 核磁共振法 DNA和蛋白质测序技术 (2)结构预测与设计：构建蛋白质 空间结构 模型。
(3)基因工程：对 基因 键技术。
进行改造，是蛋白质工程的关
(4)蛋白质纯化： 纯化 蛋白质， 测定和分析其结构和功能。 (5)功能分析：分析蛋白质的 生物学 和 化学 特性。
二.蛋白质工程概述
1.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。
(1)前提： (2)途径：
(3)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
一.蛋白质工程崛起的缘由
—相关资料：
1.干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干 扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素 的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十 分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β -干扰素量很 多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。 2.玉米中的赖氨酸含量比较低,原因是合成赖氨酸的 两个关键酶----天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成 酶的活性,受细胞内的赖氨酸浓度的影响较大,当赖氨 酸的浓度达到一定量时,就会抑制这两种酶的活性. 科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸的产量上面临 什么样的问题？如何解决这些问题？
对蛋白质进行改造
大改
中改 小改
设计、制造出自然界不存在的 全新蛋白质 替代某一个肽段或一个 特定的结构域
核心技术
改造某个活性单位的一个或几 个氨基酸残基（定点诱变技术）
-----半胱氨酸----干扰素 体外很难保存
？如何改造
------丝氨酸------干扰素（改） 体外可以保存半年
问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改 造后的该部分序列吗？
操作起点
操作核心 过程
基因表达载体
获取目的基因→ 构建表达载体→ 导入受体细胞→ 目的基因的检测与表达 定向改造生物的遗传特 性，获得人类所需的生 物类型或生物产品 生产自然界中已有的蛋 白质
基因
预期蛋白质功能→ 设计蛋白质结构→ 推测氨基酸序列→ 推测核苷酸序列→
合成DNA →表达出蛋白质
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
目标
结果
思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较
比较 相 发生的 同 过程 点 结果 基因定点诱变 基因突变 DNA复制过程中
产生新基因，从而产生新性状
不 同 点
场所 手段 方向
生物体外 PCR技术 定向改造
生物体内
物理化学方法
不定向性
5.基因工程与蛋白质工程的区别
项目 基因工程 目的基因 蛋白质工程 预期的蛋白质功能
问题1：
蛋白质功能 不能满足需求
-----半胱氨酸----干扰素 体外很难保存
？如何改造
------丝氨酸------干扰素（改） 体外可以保存半年
问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？ (你认为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？能否说出你的理 由？)
答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对 天然蛋白质改造，主要原因如下： （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。 （基因改造—可遗传； 蛋白质改造—不可遗传） （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、蛋白质工程原理 ----------中心法则的逆推
天然蛋白质的合成途径： ①蛋白质工程的途径：
预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测 基因 表达（转录和翻译） 形成氨基酸序列的多肽 应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列酸 链 形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能
②蛋白质工程的流程：
1、改造酶结构，提高酶的热稳定性和催化活性
2、生物制药——鼠—人嵌合抗体
制药领域上
可变区
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 。
基因工程 的成果
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。
定向改造或生产人类所 需的蛋白质 生产自然界没有的蛋 白质
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。因为对现有蛋白质的改造或制造 新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。
三.蛋白质工程的应用
丙糖磷酸异构酶
工业生产上
异亮氨酸
天门冬酰胺
天门冬酰胺 酵母菌 苏氨酸
热稳定性 提高50％
一、蛋白质工程崛起的缘由
改造
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存 玉米中赖氨酸含量比较低
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年 玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶 （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 （异亮氨酸）
解决： 改变蛋白质的结构
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 （104位的天冬酰胺）
（半胱氨酸：UGU；丝氨酸：UCU）
基因定点诱变技术的示意图
基因定点诱变技术的理解(苏教版) 项目 内容 脱氧核苷酸 ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶 含突变顺序的ＤＮＡ分子片段
原料 条 酶 件 引物 能量 操作方法 结果 适应范围
ＡＴＰ
ＰＣＲ法 后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子 空间结构完全清楚的蛋白质
DNA合成 基因 氨基酸序列 mRNA 转录 翻译 分子设计 蛋白质 预期功能 生物功能
DNA
多肽链
折叠
三维结构
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 白质的二维结构和三维晶体结构; （ 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。
2．原理 (1)结构分析 ①前提条件：了解蛋白质的结构和功能的关系。 ②了解蛋白质结构的方法 X射线晶体衍射法 核磁共振法 DNA和蛋白质测序技术 (2)结构预测与设计：构建蛋白质 空间结构 模型。
(3)基因工程：对 基因 键技术。
进行改造，是蛋白质工程的关
(4)蛋白质纯化： 纯化 蛋白质， 测定和分析其结构和功能。 (5)功能分析：分析蛋白质的 生物学 和 化学 特性。
二.蛋白质工程概述
1.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。
(1)前提： (2)途径：
(3)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
一.蛋白质工程崛起的缘由
—相关资料：
1.干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干 扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素 的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十 分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β -干扰素量很 多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。 2.玉米中的赖氨酸含量比较低,原因是合成赖氨酸的 两个关键酶----天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成 酶的活性,受细胞内的赖氨酸浓度的影响较大,当赖氨 酸的浓度达到一定量时,就会抑制这两种酶的活性. 科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸的产量上面临 什么样的问题？如何解决这些问题？
对蛋白质进行改造
大改
中改 小改
设计、制造出自然界不存在的 全新蛋白质 替代某一个肽段或一个 特定的结构域
核心技术
改造某个活性单位的一个或几 个氨基酸残基（定点诱变技术）
-----半胱氨酸----干扰素 体外很难保存
？如何改造
------丝氨酸------干扰素（改） 体外可以保存半年
问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改 造后的该部分序列吗？
操作起点
操作核心 过程
基因表达载体
获取目的基因→ 构建表达载体→ 导入受体细胞→ 目的基因的检测与表达 定向改造生物的遗传特 性，获得人类所需的生 物类型或生物产品 生产自然界中已有的蛋 白质
基因
预期蛋白质功能→ 设计蛋白质结构→ 推测氨基酸序列→ 推测核苷酸序列→
合成DNA →表达出蛋白质
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
目标
结果
思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较
比较 相 发生的 同 过程 点 结果 基因定点诱变 基因突变 DNA复制过程中
产生新基因，从而产生新性状
不 同 点
场所 手段 方向
生物体外 PCR技术 定向改造
生物体内
物理化学方法
不定向性
5.基因工程与蛋白质工程的区别
项目 基因工程 目的基因 蛋白质工程 预期的蛋白质功能
问题1：
蛋白质功能 不能满足需求
-----半胱氨酸----干扰素 体外很难保存
？如何改造
------丝氨酸------干扰素（改） 体外可以保存半年
问题2：如何对天然蛋白质的结构进行改造？ (你认为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？能否说出你的理 由？)
答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对 天然蛋白质改造，主要原因如下： （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。 （基因改造—可遗传； 蛋白质改造—不可遗传） （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、蛋白质工程原理 ----------中心法则的逆推
天然蛋白质的合成途径： ①蛋白质工程的途径：
预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测 基因 表达（转录和翻译） 形成氨基酸序列的多肽 应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列酸 链 形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能
②蛋白质工程的流程：
1、改造酶结构，提高酶的热稳定性和催化活性
2、生物制药——鼠—人嵌合抗体
制药领域上
可变区