蛋白質工程的原理和應用課件-2023-2024學年高二下學期生物人教版（2019）選擇性必修3

第四節(jié)：蛋白質工程的原理和應用【從社會中來】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，是因為它們體內導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生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。那么，科學家是怎樣對蛋白質分子進行設計和改造的呢？對蛋白質分子的設計和改造是通過蛋白質工程來實現(xiàn)的2蛋白質工程崛起的緣由（1）.基因工程的實質及不足①實質：基因工程是將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，使后者可以產生它原本不能產生的蛋白質，進而表現(xiàn)出新性狀。②不足：基因工程原則上只能生產自然界中已存在（天然）的蛋白質?；蛑亟M1.蛋白質工程定義

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(xiàn)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。（2）.天然蛋白質的不足天然蛋白質是生物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，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。3.實例：提高玉米賴氨酸含量賴氨酸合成調控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賴氨酸含量抑制提高提高限制提高提高5倍提高2倍例如，干擾素是動物體內的一種蛋白質，可以用于治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當困難。如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么在-70°C的條件下，可以保存（1）.蛋白質工程的目標：根據(jù)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。（2）.改造蛋白質的實質：改造或合成基因（3）.天然蛋白質合成過程：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構的蛋白質行使生物功能轉錄、翻譯原因:①基因決定蛋白質，改造了基因即對蛋白質進行了改造，且基因改造可以遺傳下去，而對蛋白質直接改造無法遺傳；②對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。3、蛋白質工程的基本原理目的基因轉錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質（三維結構）行使生物功能（4）.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1.醫(yī)藥工業(yè)方面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四、蛋白質工程的應用定點突（誘）變實例2.延長干擾素體外保存時間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℃下可以保存半年基因融合實例3.改造抗體——降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應醫(yī)學問題：小鼠單克隆抗體會使人體產生免疫反應，從而導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。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。2.

其他工業(yè)方面枯草桿菌蛋白酶枯草桿菌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。(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。3.

農業(yè)工業(yè)方面伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥(2)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。3.

農業(yè)工業(yè)方面(1)面臨的問題：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。(2)前景展望：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。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質工程將會給人類帶來更多的福祉。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(xiàn)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。

①基礎：___________________________________

②操作對象：___________________________

③目的：______________________________________________________________________

④地位：___________________________________

⑤理論和技術：_____________________________蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系改造現(xiàn)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在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程基因分子生物學、晶體學和計算機技術1.蛋白質工程定義蛋白質工程與基因工程的區(qū)別與聯(lián)系比較項目基因工程蛋白質工程區(qū)別起點過程實質

結果聯(lián)系生產自然界中已存在的蛋白質生產自然界中非天然的蛋白質定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類所需要的生物類型或生物產品改造或制造人類所需要的蛋白質預期的蛋白質功能目的基因獲取目的基因→構建表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定預期蛋白質功能→設計預期蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→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→獲得所需要的蛋白質①都在生物體外對基因進行操作；②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是否合成新的基因蛋白質工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質工程基因工程看蛋白質看基因是否為天然蛋白質是否蛋白質工程基因工程如何確定一個操作過程是基因工程技術還是蛋白質工程技術？蛋白質工程與基因工程的區(qū)別與聯(lián)系一、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√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，它最終要達到的目的是（）A.分析蛋白質的三維結構

B.研究蛋白質的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質或制造新的蛋白質，滿足人類的需求D3.水蛭素是一種蛋白質，可用于預防和治療血栓。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AT4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構進行了研究。然后以此為依據(jù)對相關基因進行改造，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溶菌酶空間結構發(fā)生改變的根本原因是什么？如果要將該研究成果應用到生產實