蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用 高二生物新人教版選擇性必修三

你見過用細菌畫畫嗎?發(fā)出不同顏色熒光的細菌【思考】為什么這些細菌能夠發(fā)出熒光？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

，科學家通過

它，獲得了黃色熒光蛋白等。綠色熒光蛋白改造科學家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？第三章

基因工程第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用蛋白質(zhì)工程1.定義

指以

及其與

的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過

或

基因，來

蛋白質(zhì)，或

蛋白質(zhì)，以滿足

。蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律生物功能改造合成改造現(xiàn)有制造一種新的人類生產(chǎn)和生活的需求蛋白質(zhì)工程是在

的基礎(chǔ)上，延伸出來的

，是涉及多學科的綜合科技工程?；蚬こ痰诙蚬こ?.理論和技術(shù)條件

、

以及

的迅猛發(fā)展。分子生物學晶體學計算機技術(shù)一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的實質(zhì):基因工程是將

生物的

轉(zhuǎn)移到

生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的

，進而表現(xiàn)出新性狀?；蛞环N另一種蛋白質(zhì)2.基因工程的不足:基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中

的蛋白質(zhì)。已存在（天然）天然蛋白質(zhì)的缺陷它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。3.實例:達到一定濃度352位的蘇氨酸變成

.二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶賴氨酸合成調(diào)控+104位的天冬酰胺變成

.兩種酶的活性抑制提高賴氨酸含量限制提高5倍提高2倍異亮氨酸異亮氨酸提高二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標：

根據(jù)人們對蛋白質(zhì)

的特定需求，對蛋白質(zhì)的

進行設(shè)計改造。功能結(jié)構(gòu)【回顧】天然蛋白質(zhì)的合成過程與性狀表達：DNA轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯肽鏈盤曲折疊具有空間結(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。天然蛋白質(zhì)的合成是按照

進行的中心法則2.蛋白質(zhì)工程的方法：基因決定蛋白質(zhì)要對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，最終還必須通過

或

來完成。改造合成基因3.蛋白質(zhì)工程的思路：預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(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)或合成新的基因逆中心法則可創(chuàng)造出自然界不存在（非天然）的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程的直接操作對象是基因【思考】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；【思考】怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？查遺傳密碼子表；堿基互補原則【思考】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？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?！就卣寡由臁扛鶕?jù)蛋白質(zhì)的改造程度，對蛋白質(zhì)改造可分三類：①大改：設(shè)計并制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)。②中改：③小改：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。改造蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用實例1：研發(fā)速效胰島素類似物天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA預(yù)期功能降低胰島素的聚合作用改變B鏈第20～29位氨基酸組成有效抑制胰島素的聚合設(shè)計結(jié)構(gòu)推測序列或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置多肽鏈翻譯預(yù)期結(jié)構(gòu)折疊行使功能由此研發(fā)出的速效胰島素類似物產(chǎn)品已經(jīng)在臨床上廣泛應(yīng)用。在醫(yī)藥方面的應(yīng)用實例2：延長干擾素體外保存時間天然干擾素不易保存改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA預(yù)期功能延長保存時間氨基酸替換在-70℃下可以保存半年設(shè)計結(jié)構(gòu)推測序列多肽鏈翻譯預(yù)期結(jié)構(gòu)折疊行使功能實例3：改造抗體——降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)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)的強度就會降低很多。使人體的不良反應(yīng)減少三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用在工業(yè)方面的應(yīng)用廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶例：枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)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(zhì)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(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用①改造某些參與調(diào)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(chǎn)量；②設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，

使它防治病蟲害的效果增強；四、蛋白質(zhì)工程的困難蛋白質(zhì)工程是一項

的工程。難度很大主要原因：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。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。三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較項目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別操作對象操作水平操作流程結(jié)果實質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平從預(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生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過改造或合成基因，定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)基因重組，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蛋白質(zhì)工程在改造基因時需要與基因工程有關(guān)的工具酶，需要構(gòu)建基因表達載體；改造或合成的基因同樣需要導(dǎo)入受體細胞。是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程如何確定一個操作過程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？練習與應(yīng)用一、概念檢測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。()××√練習與應(yīng)用一、概念檢測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D練習與應(yīng)用一、概念檢測3.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)A二、拓展應(yīng)用1.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)榘腚装彼帷Ｓ谑?，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。(1)這項工作屬于什么工程的范疇?(2)在該實例中引起T4溶菌酶空間