3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課件-高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

第三章

基因工程第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用從社會中來

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(xué)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。思考：科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的

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)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。基礎(chǔ)操作對象目的蛋白質(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，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。蛋白質(zhì)工程結(jié)果011.基因工程的實質(zhì)及不足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不足：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。基因重組一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由2.天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)是生物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。

如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。實例：提高玉米賴氨酸含量玉米賴氨酸含量較低天冬氨酸激酶352位的蘇氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶104位的天冬酰胺玉米賴氨酸含量提高數(shù)倍天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）如何改造？如何改造？如何對天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行改造?你認為是直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)?請說出你的理由。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

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1.蛋白質(zhì)工程的目標：2.改造蛋白質(zhì)的方法：

通過

來完成改造或合成基因①蛋白質(zhì)是由基因決定的，改造基因即改造了蛋白質(zhì)②基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳；思考：為什么對蛋白質(zhì)的改造要從基因著手？3.天然蛋白質(zhì)合成過程：按照中心法則進行基因表達形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能轉(zhuǎn)錄、翻譯預(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)或合成新的基因獲得所需蛋白質(zhì)預(yù)期功能生物功能設(shè)計推測改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))4.蛋白質(zhì)工程的基本思路預(yù)期功能生物功能設(shè)計推測改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))【思?考討論】蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸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?！?丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列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。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）GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G）UUU(或C)mRNA序列共

種可能序列32脫氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列共

種可能序列321.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。查密碼子表mRNA序列脫氧核苷酸序列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？合成目的基因：①人工合成②從基因文庫中獲取等改造目的基因：①常用基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。3.經(jīng)過蛋白質(zhì)工程改造后是否形成了新物種？經(jīng)過蛋白質(zhì)工程改造后只是改變生物的性狀，沒有形成新物種(1)蛋白質(zhì)工程以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ)（）(2)基因工程遵循中心法則，而蛋白質(zhì)工程不遵循()(3)基因工程在分子水平對基因進行操作，蛋白質(zhì)工程在分子水平對蛋白質(zhì)進行操作（）

及時練：習(xí)題鞏固下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：(1)寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容：①______；②______；③______；④______；⑤__________。轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測改造或合成習(xí)題鞏固下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：(2)蛋白質(zhì)工程的目的是_______________________________

___________________________，通過____________________來實現(xiàn)(3)從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是______

的。根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，基改造或合成基因相反對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計1.醫(yī)藥工業(yè)方面二、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）研發(fā)速效胰島素類似物1.醫(yī)藥工業(yè)方面二、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素B鏈28脯氨酸B鏈29賴氨酸易形成二聚體或六聚體延緩療效速效胰島素類似物B鏈28天冬氨酸B鏈29賴氨酸B鏈28賴氨酸B鏈29脯氨酸抑制胰島素聚合加快療效1.醫(yī)藥工業(yè)方面二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素B鏈28脯氨酸B鏈29賴氨酸速效胰島素類似物B鏈28天冬氨酸B鏈29賴氨酸B鏈28賴氨酸B鏈29脯氨酸如何實現(xiàn)？改造胰島素基因表達定點突（誘）變(2)延長干擾素體外保存時間天然干擾素不易保存干擾素保存時間延長定點突（誘）變?nèi)绾胃脑欤繉⒏蓴_素分子的一個半胱氨酸換成絲氨酸如何實現(xiàn)？改造干擾素合成基因表達(3)降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)醫(yī)療問題：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：將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（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。鼠抗體人抗體恒定區(qū)恒定區(qū)可變區(qū)可變區(qū)嵌合抗體對人體的不良反應(yīng)減少制備人鼠嵌合抗體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(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。2.其他工業(yè)方面的應(yīng)用改造某些參與調(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；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；3.在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程——難度大蛋白質(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。三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)3.現(xiàn)階段蛋白質(zhì)工程存在的困難

項目蛋白質(zhì)工程基因工程

區(qū)別操作對象

操作水平

結(jié)果

實質(zhì)通過定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)

通過定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)

應(yīng)用生產(chǎn)自然界中沒有的

的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)

基因DNA分子水平農(nóng)藥、醫(yī)藥工業(yè)及其他工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動植物、藥品生產(chǎn)等領(lǐng)域

改造或合成基因轉(zhuǎn)基因技術(shù)四、蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較聯(lián)系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)工程離不開

，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

，改造后的基因要表達出相應(yīng)的蛋白質(zhì)，同樣需要將改造或合成的基因?qū)?/p>

。

基因工程基因表達載體受體細胞左右(3)便于進行雙重篩選①標記基因AmpR基因可用于檢測質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長。②由于LacZ基因效應(yīng)，生長的菌落可能出現(xiàn)兩種顏色：含有空質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈藍色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。根據(jù)這種生長差異性，可以篩選出含有目的基因的大腸桿菌。白色；目的基因的插入，破壞了LacZ基因的結(jié)構(gòu)（4）2.（1）逆轉(zhuǎn)錄病毒是載體，能將外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和Kf4導(dǎo)入小鼠成纖維細胞。（2）設(shè)置對照組。將轉(zhuǎn)入外源基因和沒有轉(zhuǎn)入外源基因的細胞分別培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)條件相同。如果只有轉(zhuǎn)入外源基因的細胞轉(zhuǎn)化成了iPS細胞，就可以證明iPS細胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用（3）依次去掉1個基因，將其他3個基因轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細胞中，然后通過與轉(zhuǎn)入4個基因的小鼠成纖維細胞的誘導(dǎo)情況進行比較，來推測缺失的那個基因?qū)φT導(dǎo)iPS細胞的影響，進而判斷每個基因作用的相對大小。（4）