A3-2演示文稿制作：蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

1.蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用2.蛋白質(zhì)工程的實際應(yīng)用

你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(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，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

那么，科學家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？用細菌“畫”的畫一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程是指以

及其與

作為基礎(chǔ),通過

或

,來改造

,或

蛋白質(zhì),以滿足

。蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律生物功能的關(guān)系改造合成基因現(xiàn)有蛋白質(zhì)制造一種新的人類生產(chǎn)和生活的需求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手段：基因修飾或基因合成；③改造對象：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因的結(jié)構(gòu)；④產(chǎn)物：改造的蛋白質(zhì)、新的蛋白質(zhì)。2.基因工程的實質(zhì)及缺陷（1）實質(zhì)：基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新性狀。（2）缺陷：原則上，基因工程只能產(chǎn)生自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程的崛起主要是由于工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。（1）天然蛋白質(zhì)的缺陷：天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，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。（2）蛋白質(zhì)工程的目的：生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活需要的非天然蛋白質(zhì)。理論和技術(shù)條件:分子生物學、晶體學以及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達生物特有的功能或性狀天然蛋白質(zhì)的合成過程與性狀表達：蛋白質(zhì)只有具有一定空間結(jié)構(gòu)，才能表達特有性狀或具有特定功能血紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)細胞內(nèi)賴氨酸的濃度達到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶104位的天冬酰胺變成異亮氨酸抑制提高提高限制提高5倍提高2倍【實例】對天然酶的改造一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由賴氨酸含量1.蛋白質(zhì)工程的目標：

根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造。2.改造蛋白質(zhì)的方法：改造或合成基因二、蛋白質(zhì)工程的基本原理基因決定蛋白質(zhì)預(yù)期功能生物功能設(shè)計推測改造或合成目的基因轉(zhuǎn)錄翻譯mRNA多肽鏈行使蛋白質(zhì)（三維結(jié)構(gòu)）折疊二、蛋白質(zhì)工程的基本原理預(yù)期功能生物功能分子設(shè)計折疊DNA合成翻譯轉(zhuǎn)錄基因DNA蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)氨基酸序列mRNA①預(yù)期蛋白質(zhì)功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列⑤合成新基因⑥獲得所需要的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程。改造后相應(yīng)基因的表達仍舊需要借助基因工程來實現(xiàn)。逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反討論：1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。1.對天然的蛋白質(zhì)進行改造，為什么不是直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)的？①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)；②蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳；二、蛋白質(zhì)工程的基本原理2.某多肽鏈的一段氨基酸序列是：二、蛋白質(zhì)工程的基本原理查密碼子表得知：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）二、蛋白質(zhì)工程的基本原理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中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。拓展延伸:根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對蛋白質(zhì)改造可分三類：（1）大改：設(shè)計并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)（2）中改：在蛋白質(zhì)分子中替換某一個肽段或某一個特定的結(jié)構(gòu)域。（3）大改：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基比較項目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別過程實質(zhì)結(jié)果聯(lián)系從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(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)目的基因的篩選與獲取→基因表達載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的新的生物類型和生物產(chǎn)品創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)①蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程②基因工程中所利用的某些酶可以通過蛋白質(zhì)工程進行修飾、改造研發(fā)速效胰島素類似物提高干擾素的保存期改造抗體改造酶（工業(yè)、農(nóng)業(yè)）01020304三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用行使功能設(shè)計結(jié)構(gòu)①實例1：研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素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mRNA折疊預(yù)期功能降低胰島素的聚合作用改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合轉(zhuǎn)錄三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用天然干擾素（體外保存困難）改造后的干擾素（-70℃可保存半年）半胱氨酸絲氨酸②實例2：延長干擾素體外保存時間三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用醫(yī)學問題：小鼠單克隆抗體會使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低解決辦法：通過改造基因，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)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強度就會減低很多。③實例3：制備人鼠嵌合抗體三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用在工業(yè)方面的應(yīng)用突變體在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用（1）嘗試改造某些調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使其防治病蟲害的效果增強。廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）改進酶的性能，從而提高其使用價值。如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的_________，從中篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程。主要原因：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。由計算機建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型前景展望：

科學家要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。四、蛋白質(zhì)工程的困難三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產(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)計出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(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)計出一個全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計并獲得了一個全新的蛋白質(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期深入的研究。1.蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸，

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基因進行操作，

蛋白質(zhì)工程不需要對基因進行操作。()(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。()××√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)上進行的，它最終要達到的目的是()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D3.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。在這項替換研究中，目前可行的直接操作對象是()A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D.蛋白質(zhì)A4.T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進行了研究。然后以此為依據(jù)對相關(guān)基因進行改造，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二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項工作屬于什么工程的范疇?在該實例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因