蛋白質工程的原理和應用【 知識精講+ 能力提升 】 高二生物 （人教版2019選擇性3）

你見過用細菌畫畫嗎？而且是帶色彩的！為什么這些細菌會發(fā)出不同顏色的熒光？因為在它們的體內導入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現的熒光蛋白是綠色熒光蛋白改造黃色熒光蛋白及其他顏色的熒光蛋白這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。這個團塊就是長在患兒肝臟上的腫瘤如何改造蛋白質？第3章第4節(jié)人教版選擇性必修3目錄CONTENTS蛋白質工程的基本原理2/蛋白質工程崛起的緣由1/蛋白質工程的應用3/01蛋白質工程崛起的緣由一蛋白質工程崛起的緣由1.基因工程的實質將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀?？瓜x棉Bt抗蟲蛋白蘇云金桿菌體外導入載體棉花細胞的DNA不進行切割重組DNADNA連接酶限制酶只能生產自然界中已存在的蛋白質一蛋白質工程崛起的緣由1.基因工程的實質將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。2.基因工程的不足基因工程原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質這些天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的它們的結構和功能符合特定物種生存的需要不一定完全符合人類生產和生活的需要一蛋白質工程崛起的緣由玉米中賴氨酸的含量比較低舉例：天冬氨酸賴氨酸天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶抑制（很難提高）怎么解決這個問題？一蛋白質工程崛起的緣由天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶第352位:蘇氨酸異亮氨酸變成第104位:天冬酰胺異亮氨酸變成就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。02蛋白質工程的基本原理二蛋白質工程的基本原理1.蛋白質工程的概念：蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。二蛋白質工程的基本原理1.蛋白質工程的概念：蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。蛋白質工程的目標：根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。蛋白質工程的實質：通過改造或合成基因，來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質。它是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學科的綜合科技工程。問:為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？二蛋白質工程的基本原理1.蛋白質工程的概念：蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。蛋白質工程的目標：根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。蛋白質工程的實質：通過改造或合成基因，來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質。它是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學科的綜合科技工程。問:為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？①蛋白質的高級結構十分復雜，直接改造難度大；②蛋白質是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質；③基因可以遺傳，蛋白質無法遺傳；二蛋白質工程的基本原理2.天然蛋白質合成的過程：目的基因轉錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質（三維結構）行使生物功能二蛋白質工程的基本原理2.天然蛋白質合成的過程：目的基因轉錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質（三維結構）行使生物功能3.蛋白質工程的基本思路：預期功能設計推測改造或合成蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜?？茖W家要設計出更加符合人類需要的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。二蛋白質工程的基本原理2.天然蛋白質合成的過程：目的基因轉錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質（三維結構）行使生物功能3.蛋白質工程的基本思路：預期功能設計推測改造或合成①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質通過具體實例來熟悉蛋白質工程基本思路的應用①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質資料分析：在正常人體內，血液中胰島素的含量通常在進食后30-60分鐘就達到高峰，而目前使用的基因工程生產的胰島素制劑，注射120分鐘才出現高峰?？茖W家研究發(fā)現，胰島素分子容易聚合成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后往往需要經歷一個逐漸解聚為單體的過程。胰島素六聚體胰島素單體①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質資料分析：在正常人體內，血液中胰島素的含量通常在進食后30-60分鐘就達到高峰，而目前使用的基因工程生產的胰島素制劑，注射120分鐘才出現高峰?？茖W家研究發(fā)現，胰島素分子容易聚合成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后往往需要經歷一個逐漸解聚為單體的過程。預期蛋白質的功能：科學家希望對胰島素進行改造，從而降低它的聚合作用并得到速效胰島素類似物產品。胰島素六聚體胰島素單體①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質利用X射線晶體衍射，核磁共振等技術手段，充分了解胰島素的空間結構。①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質利用X射線晶體衍射，核磁共振等技術手段，充分了解胰島素的空間結構。研究發(fā)現，調換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸，或者將B28脯氨酸替換為天冬氨酸，可以保持天然胰島素的主要構象，同時能降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集，大大增加了吸收速率。B28脯氨酸B29賴氨酸如何設計？①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質研究發(fā)現，調換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸，或者將B28脯氨酸替換為天冬氨酸，可以保持天然胰島素的主要構象，同時能降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集，大大增加了吸收速率。B28脯氨酸B29賴氨酸如何設計？B28賴氨酸B29脯氨酸①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNAmRNA①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNAmRNA由于人胰島素B鏈基因較短，按照設計好的編碼序列進行化學合成，是獲取這種突變型目的基因的首選方法。翻譯翻譯轉錄天然胰島素對應的部分基因：改造后應得到的基因序列：轉錄由于人胰島素B鏈基因較短，按照設計好的編碼序列進行化學合成，是獲取這種突變型目的基因的首選方法。天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNAmRNA翻譯翻譯轉錄天然胰島素對應的部分基因：改造后應得到的基因序列：轉錄由于人胰島素B鏈基因較短，按照設計好的編碼序列進行化學合成，是獲取這種突變型目的基因的首選方法。待突變位點常規(guī)下游引物突變上游引物進行PCR產物作為下一輪PCR的大引物天然胰島素對應的部分基因：待突變位點常規(guī)下游引物突變上游引物進行PCR產物作為下一輪PCR的大引物進行PCR待突變位點下游大引物常規(guī)上游引物天然胰島素對應的部分基因：待突變位點常規(guī)下游引物突變上游引物進行PCR產物作為下一輪PCR的大引物進行PCR待突變位點下游大引物常規(guī)上游引物進行PCR天然胰島素對應的部分基因：待突變位點PCR合成的人胰島素突變基因①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質獲得所需蛋白質：酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNA翻譯改造后得到的基因序列：轉錄①預期蛋白質的功能②設計預期的蛋白質結構③推測應有的氨基酸序列④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質目前，科學家已通過改造胰島素基因實現了對相應氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與B29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合，由此研發(fā)出的速效胰島素類似物產品已經在臨床上廣泛應用。03蛋白質工程的應用三蛋白質工程的應用天然蛋白質易形成二聚體或六聚體預期結構改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或將它與B29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設計結構改變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1、醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物三蛋白質工程的應用天然干擾素不易保存預期結構改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能延長保存時間設計結構氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年1、醫(yī)藥工業(yè)方面（2）延長干擾素體外保存時間三蛋白質工程的應用通過改造基因，將小鼠抗體上結合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應的強度就會減低很多。1、醫(yī)藥工業(yè)方面（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應3、農業(yè)方面三蛋白質工程的應用2、其他工業(yè)方面蛋白質工程被廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質的作用，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)化生產需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。（1）改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產量。（2）利用蛋白質工程的思路設計優(yōu)良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。項目蛋白質工程基因工程操作對象操作起點操作水平操作流程結果實質聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→找到并改變對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質目的基因的篩選與獲取→構建基因表達載體→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定可生產自然界沒有的蛋白質生產自然界已有的蛋白質通過改造或合成基因來定向改造現有蛋白質或制造新的蛋白質將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀①蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程；②蛋白質工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。預期蛋白質功能目的基因小結：蛋白質工程和基因工程的比較練習與應用一、概念檢測1.蛋白質工程可以說是基因工程的延伸。判斷下列相關表述是否正確。（1）基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質工程不需要對基因進行操作。（）（2）蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列。（）（3）蛋白質工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。（）xx√練習與應用2.蛋白質工程是在深入了解蛋白質分子的結構與功能關系的基礎上進行的，它最終要達到