蛋白質(zhì)工程蘇教選修

蛋白質(zhì)工程蘇教選修第1頁(yè)/共55頁(yè)學(xué)習(xí)導(dǎo)航1.簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程的概念及基本原理。（重點(diǎn)）2.舉例說(shuō)出蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用和發(fā)展。3.鼠—人嵌合抗體。（難點(diǎn)）4.蛋白質(zhì)的定點(diǎn)誘變過(guò)程。（難點(diǎn)）第2頁(yè)/共55頁(yè)新知初探思維啟動(dòng)一、蛋白質(zhì)工程的概述1.概念：指通過(guò)_____________與生物化學(xué)等技術(shù)了解蛋白質(zhì)的_______________，并借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、基因定點(diǎn)誘變和____________技術(shù)改造基因，以_______改造天然蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然界__________蛋白質(zhì)的技術(shù)。_____________是蛋白質(zhì)工物理化學(xué)結(jié)構(gòu)與功能重組DNA定向基因工程不存在的第3頁(yè)/共55頁(yè)程中的關(guān)鍵技術(shù)，因此，蛋白質(zhì)工程又被稱(chēng)為_(kāi)__________________。2.實(shí)施蛋白質(zhì)工程的前提條件：了解蛋白質(zhì)的________和_______的關(guān)系，應(yīng)用X射線晶體衍射法，可以測(cè)定蛋白質(zhì)的__________結(jié)構(gòu)，利用_________法可以了解其構(gòu)象。第二代基因工程結(jié)構(gòu)功能三維空間核磁共振第4頁(yè)/共55頁(yè)3.根據(jù)蛋白質(zhì)被改造部位的多少,可以將對(duì)蛋白質(zhì)的改造分成______、______、______。_______________________是改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一。(1)“大改”是指根據(jù)氨基酸的性質(zhì)和特點(diǎn),設(shè)計(jì)并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì),使之具有特定的______________、空間結(jié)構(gòu)和_____________。大改中改小改基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)氨基酸序列預(yù)期功能第5頁(yè)/共55頁(yè)(2)“中改”是指在蛋白質(zhì)分子中_______某一個(gè)肽段或一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域。(3)“小改”是指通過(guò)基因工程中的_______

_________技術(shù)，有目的地改造蛋白質(zhì)分子中____________的1個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基，以改善蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能。替代定點(diǎn)誘變某活性部位第6頁(yè)/共55頁(yè)想一想1．對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，是直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？提示：通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。第7頁(yè)/共55頁(yè)二、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.蛋白質(zhì)工程可通過(guò)改造酶的結(jié)構(gòu)，有目的地提高酶的_________性，如在蛋白質(zhì)分子中引入________可以顯著提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性.2.科學(xué)家發(fā)明的利用鼠源雜交瘤抗體來(lái)處理癌細(xì)胞的方法，對(duì)癌細(xì)胞有一定的殺傷力，但決這一問(wèn)題,科學(xué)家又對(duì)該抗體進(jìn)行了改造,也有導(dǎo)致機(jī)體高度過(guò)敏的副作用。為了解生產(chǎn)熱穩(wěn)定二硫鍵第8頁(yè)/共55頁(yè)出效果良好的__________________。3.我國(guó)科學(xué)家為蛋白質(zhì)工程的理論和技術(shù)發(fā)展做出的積極貢獻(xiàn)，最著名的是完成了____________________的人工合成。4.蛋白質(zhì)工程使我們不僅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白質(zhì)，而且能在____________上對(duì)基因和蛋白質(zhì)進(jìn)行再設(shè)計(jì)和改造,進(jìn)而創(chuàng)造出自然界不存在的基因和蛋白質(zhì)。鼠—人嵌合抗體結(jié)晶牛胰島素分子水平第9頁(yè)/共55頁(yè)想一想2．一般的藻類(lèi)植物僅能生活在40℃以下的水環(huán)境中，但也有少數(shù)種類(lèi)的藻類(lèi)植物可以生活在80℃以上的溫泉中。若從酶的角度考慮，其主要原因是什么？提示：溫泉藻類(lèi)植物體內(nèi)酶的肽鏈中某些氨基酸與一般藻類(lèi)植物的不同，導(dǎo)致了酶的熱穩(wěn)定性的差異。第10頁(yè)/共55頁(yè)要點(diǎn)突破講練互動(dòng)要點(diǎn)突破要點(diǎn)一蛋白質(zhì)工程的概念和原理1.對(duì)概念的理解(1)首先了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。(2)其次是設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)。第11頁(yè)/共55頁(yè)(3)實(shí)質(zhì)是改造基因。

(4)最后合成出自然界不存在的蛋白質(zhì)。2.技術(shù)與原理(1)基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的原理是基因突變。(2)重組DNA技術(shù)的原理是基因重組。(3)最基本的原理是中心法則的逆推。第12頁(yè)/共55頁(yè)3.蛋白質(zhì)工程的過(guò)程：第13頁(yè)/共55頁(yè)4.蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較基因工程蛋白質(zhì)工程操作環(huán)境

(場(chǎng)所)生物體外生物體外操作核心基因基因操作起點(diǎn)目的基因預(yù)期的蛋白質(zhì)功能基本過(guò)程剪切→拼接→導(dǎo)入→表達(dá)確定蛋白質(zhì)功能→應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)→應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基序列→改造的蛋白質(zhì)第14頁(yè)/共55頁(yè)基因工程蛋白質(zhì)工程實(shí)質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類(lèi)所需的生物類(lèi)型或生物產(chǎn)品(基因的異體表達(dá))定向改造或生產(chǎn)人類(lèi)所需的蛋白質(zhì)結(jié)果生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)第15頁(yè)/共55頁(yè)特別提醒(1)因?yàn)榛蚩刂频鞍踪|(zhì)合成，蛋白質(zhì)工程對(duì)蛋白質(zhì)的改造或合成都是通過(guò)基因工程對(duì)相應(yīng)基因的改造實(shí)現(xiàn)的，所以蛋白質(zhì)工程又稱(chēng)為第二代基因工程。(2)基因工程中的目的基因一般為自然界存在的基因，而蛋白質(zhì)工程中的目的基因不一定是天然存在的。第16頁(yè)/共55頁(yè)例1(2012·陜西安康高二檢測(cè))某多肽鏈的一段氨基酸序列是：…—甲硫氨酸—色氨酸—苯丙氨酸—色氨酸—…(氨基酸及對(duì)應(yīng)的密碼子為：甲硫氨酸AUG，色氨酸UGG，苯丙氨酸UUU、UUC)(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)。(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(DNA)?第17頁(yè)/共55頁(yè)【思路點(diǎn)撥】本題考查蛋白質(zhì)工程的原理及實(shí)例，解答本題應(yīng)突破以下幾點(diǎn)：①首先設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)氨基酸序列。②找到對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列。③根據(jù)DNA（基因）脫氧核苷酸序列進(jìn)行人工合成或進(jìn)行基因改造。第18頁(yè)/共55頁(yè)【解析】由氨基酸序列知，翻譯該蛋白質(zhì)的mRNA上的堿基序列為…—AUGUGGUUCUGG—…或…—AUGUGGUUUUGG—…。第19頁(yè)/共55頁(yè)由mRNA上堿基序列知，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA的DNA堿基序列為：第20頁(yè)/共55頁(yè)【答案】

(1)根據(jù)氨基酸序列反推mRNA密碼子序列，再反推DNA上堿基序列。其DNA堿基序列為：第21頁(yè)/共55頁(yè)(2)確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)人類(lèi)的需要改造它,通過(guò)人工合成的方法,或從基因庫(kù)中獲取。第22頁(yè)/共55頁(yè)變式訓(xùn)練1.蛋白質(zhì)工程中需要直接進(jìn)行操作的對(duì)象是(

)A．氨基酸結(jié)構(gòu)B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)C．肽鏈結(jié)構(gòu)D．基因結(jié)構(gòu)第23頁(yè)/共55頁(yè)解析：選D。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)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類(lèi)的生產(chǎn)和生活的需求。其目標(biāo)是根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)第24頁(yè)/共55頁(yè)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，但因?yàn)榛驔Q定蛋白質(zhì)，因此對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，歸根到底還需要對(duì)相應(yīng)的基因進(jìn)行操作，按要求進(jìn)行修飾、加工、改造，使之能控制合成人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)。第25頁(yè)/共55頁(yè)要點(diǎn)二定點(diǎn)誘變技術(shù)和非定點(diǎn)誘變技術(shù)1.定點(diǎn)誘變技術(shù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容條件原料脫氧核苷酸酶DNA聚合酶和DNA連接酶引物含突變順序的DNA分子片段能量ATP操作方法PCR技術(shù)結(jié)果后代中半數(shù)為誘變的DNA分子適用范圍空間結(jié)構(gòu)完全清楚的蛋白質(zhì)第26頁(yè)/共55頁(yè)(1)適用對(duì)象：蛋白質(zhì)分子中的活性部位。(2)特點(diǎn)：有目的性和針對(duì)性。(3)常用操作方法：PCR技術(shù)是目前常用的方法之一。(4)具體操作過(guò)程：人工合成帶有突變位點(diǎn)的引物→通過(guò)PCR技術(shù)擴(kuò)增獲得定點(diǎn)突變的基因→通過(guò)基因工程的方法，將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→在受體細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄和翻譯合成所需的蛋白質(zhì)。第27頁(yè)/共55頁(yè)(5)結(jié)果：完成對(duì)蛋白質(zhì)分子的“小改”。即通過(guò)定點(diǎn)誘變技術(shù)在蛋白質(zhì)肽鏈中引入替代氨基酸，從而改變其結(jié)構(gòu)，有目的地改造蛋白質(zhì)的功能。第28頁(yè)/共55頁(yè)特別提醒(1)誘變部位是實(shí)驗(yàn)者事先設(shè)計(jì)的，突變完全在人為控制條件下進(jìn)行。(2)獲得所需的突變表現(xiàn)型比例很高，且無(wú)分離現(xiàn)象。(3)生物體沒(méi)有別的基因突變，能夠保留生物的特性。第29頁(yè)/共55頁(yè)2.非定點(diǎn)誘變技術(shù)(1)適用對(duì)象：對(duì)于不能預(yù)先確定誘變位點(diǎn)的蛋白質(zhì)。(2)特點(diǎn)：突變位點(diǎn)多，會(huì)產(chǎn)生出意想不到的改造效果。第30頁(yè)/共55頁(yè)例2葡萄糖異構(gòu)酶在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，為提高其熱穩(wěn)定性，科學(xué)家在確定第138位甘氨酸為目標(biāo)氨基酸后，對(duì)葡萄糖異構(gòu)酶基因進(jìn)行體外定點(diǎn)誘變，以脯氨酸138替代甘氨酸138,含突變體的重組質(zhì)粒在大腸桿菌中表達(dá),結(jié)果突變型葡萄糖異構(gòu)酶比野生型的最適反應(yīng)溫度提高10～12℃,酶的熱穩(wěn)定性得到了提高。請(qǐng)根據(jù)以下圖示分析回答問(wèn)題：第31頁(yè)/共55頁(yè)第32頁(yè)/共55頁(yè)(1)對(duì)葡萄糖異構(gòu)酶進(jìn)行定點(diǎn)誘變的過(guò)程體現(xiàn)了________和________兩種現(xiàn)代生物技術(shù)的綜合運(yùn)用。(2)1的名稱(chēng)叫________；其組成包括目的基因、終止子、標(biāo)記基因、復(fù)制原點(diǎn)和________。(3)人工合成的引物的特點(diǎn)是________，與________酶發(fā)揮生理作用有關(guān)。第33頁(yè)/共55頁(yè)(4)工業(yè)生產(chǎn)上為了充分利用葡萄糖異構(gòu)酶,常采用________技術(shù)。使用此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是①________________________________②__________________________________。(5)與正常基因相比，經(jīng)過(guò)定點(diǎn)突變后的基因中發(fā)生了兩對(duì)堿基的________，后代中能夠合成目的蛋白質(zhì)的細(xì)胞占總數(shù)的______。第34頁(yè)/共55頁(yè)【思路點(diǎn)撥】本題考查“小改”的原理及實(shí)例，解答本題應(yīng)突破以下幾點(diǎn)：①對(duì)葡萄糖異構(gòu)酶進(jìn)行定點(diǎn)誘變，屬于蛋白質(zhì)工程，其實(shí)質(zhì)是對(duì)控制蛋白質(zhì)合成的基因進(jìn)行改造。②基因表達(dá)載體的結(jié)構(gòu)組成和各部分結(jié)構(gòu)的功能是突破所有基因表達(dá)載體知識(shí)的要點(diǎn)。③圖示比較前后兩種基因的堿基對(duì)的排列順序，發(fā)現(xiàn)變化的特點(diǎn)。根據(jù)半保留復(fù)制推測(cè)子代DNA變異情況。第35頁(yè)/共55頁(yè)【解析】

(1)本題通過(guò)對(duì)基因的結(jié)構(gòu)的定點(diǎn)誘變實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的改造，所以是基因工程和蛋白質(zhì)工程的綜合應(yīng)用。(2)1是由質(zhì)粒和插入的正常基因組成，所以是重組質(zhì)粒也是基因表達(dá)載體。(3)引物體現(xiàn)了PCR技術(shù)，引物本身是DNA聚合酶進(jìn)行延伸的基礎(chǔ)，且引物上含有突變基因。第36頁(yè)/共55頁(yè)(4)固定化酶具有能夠反復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，可大大降低生產(chǎn)成本，提高酶的利用率。(5)正常蛋白質(zhì)的甘氨酸的密碼子是GGU，突變蛋白的脯氨酸的密碼子是CCU，說(shuō)明基因發(fā)生了兩個(gè)堿基的替換，形成的子代細(xì)胞中有一半合成正常蛋白質(zhì)，另一半合成突變蛋白質(zhì)。第37頁(yè)/共55頁(yè)【答案】

(1)蛋白質(zhì)工程基因工程

(2)基因表達(dá)載體啟動(dòng)子

(3)含有突變序列DNA聚合(4)固定化酶提高了酶的利用率降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量

(5)替換1/2第38頁(yè)/共55頁(yè)變式訓(xùn)練2.下列關(guān)于基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的說(shuō)法，正確的是(

)A．對(duì)任何蛋白質(zhì)的改造都可以用基因定點(diǎn)誘變技術(shù)B．對(duì)于已知空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的改造可以采用基因定點(diǎn)誘變技術(shù)第39頁(yè)/共55頁(yè)C．基因定點(diǎn)誘變技術(shù)是蛋白質(zhì)工程中必須用到的技術(shù)D．采用基因定點(diǎn)誘變技術(shù)通?？梢愿淖兊鞍踪|(zhì)中多種氨基酸第40頁(yè)/共55頁(yè)解析：選B。基因定點(diǎn)誘變技術(shù)是“小改”時(shí)所用的一項(xiàng)技術(shù)，是有目的地改造蛋白質(zhì)分子中某活性部位的1個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基,是改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一。主要應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)已知的蛋白質(zhì)，對(duì)于空間結(jié)構(gòu)未知的蛋白質(zhì)用非定點(diǎn)誘變來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)的改造。第41頁(yè)/共55頁(yè)利用蛋白質(zhì)工程改造或者設(shè)計(jì)制造出的人工蛋白，在活性、穩(wěn)定性及抗原性等方面都優(yōu)于天然蛋白質(zhì)。1.提高酶的熱穩(wěn)定性(1)通過(guò)替換酶的幾種氨基酸，可以提高酶的熱穩(wěn)定性；(2)在蛋白質(zhì)分子中引入二硫鍵也可提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性。要點(diǎn)三蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用第42頁(yè)/共55頁(yè)2.改變蛋白質(zhì)的活性(1)組織纖溶酶原激活物(t—PA)專(zhuān)一激活人體內(nèi)的纖溶系統(tǒng)，保證血液循環(huán)的暢通。(2)t—PA進(jìn)入血漿后大部分與纖溶酶原激活劑抑制物形成復(fù)合物，并迅速失去活性。(3)利用蛋白質(zhì)工程將t—PA分子中的天冬酰胺替換為谷氨酰胺后，t—PA在血液循環(huán)中的停留時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)。第43頁(yè)/共55頁(yè)3.合成嵌合抗體(1)鼠源性的單克隆抗體對(duì)癌細(xì)胞具有一定的殺傷能力。(2)鼠源性的單克隆抗體會(huì)被人的免疫系統(tǒng)排斥，不能直接用于人體。(3)嵌合抗體由鼠單克隆抗體的可變區(qū)和人體抗體的恒定區(qū)組成，抗原性顯著下降，而抗體的特異識(shí)別功能沒(méi)有喪失，可用于臨床治療。第44頁(yè)/共55頁(yè)科學(xué)家對(duì)鼠源雜交瘤抗體進(jìn)行改造，生產(chǎn)出效果更好的鼠—人嵌合抗體，用于癌癥治療。如圖表示形成鼠—人嵌合抗體的過(guò)程，據(jù)圖回答：例3第45頁(yè)/共55頁(yè)(1)改造鼠源雜交瘤抗體，生產(chǎn)鼠—人嵌合抗體，屬于________(生物工程)的范疇。(2)圖示過(guò)程是根據(jù)預(yù)期的________，設(shè)計(jì)________，最終必須對(duì)________進(jìn)行操作，此操作中改變的是____________________________________________________________________________。第46頁(yè)/共55頁(yè)(3)經(jīng)過(guò)改造的鼠—人嵌合抗體，與鼠源雜交瘤抗體相比較，突出的優(yōu)點(diǎn)是______________________________________________________________________________________(從免疫角度考慮)。(4)上述過(guò)程中對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)難度最大的是_________________________________________________________________________。第47頁(yè)/共55頁(yè)【解析】

(1)通過(guò)圖示可知鼠—人嵌合抗體是通過(guò)人工設(shè)計(jì)而形成的特定功能蛋白質(zhì),其生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。(2)蛋白質(zhì)工程的流程：預(yù)期蛋白質(zhì)的功能→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→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)→通過(guò)基因工程操作