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

蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)工程優(yōu)質(zhì)食物蛋白3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.結(jié)合生產(chǎn)、生活的需求和基因工程的局限性，說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（生命觀念、社會責(zé)任）。2.通過回顧中心法則概述蛋白質(zhì)工程的基本原理（科學(xué)思維）。3.聯(lián)系生活實際與基因工程的基本知識，嘗試通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)，根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計改造某一蛋白質(zhì)的設(shè)計流程（科學(xué)思維、社會責(zé)任）。學(xué)習(xí)重難點教學(xué)重點：蛋白質(zhì)工程的基本原理；依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程。教學(xué)難點：蛋白質(zhì)工程的基本原理；依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程。從社會中來你見過用細(xì)菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫”的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因為它們的體內(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(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用?？茖W(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計和改造的呢?綠色熒光蛋白如何改造成黃色熒光蛋白？蛋白質(zhì)工程的概念對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。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。①基礎(chǔ)：②手段：③結(jié)果：④目的：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律與生物功能關(guān)系回顧舊知種類蛋白質(zhì)氨基酸多肽脫水縮合盤曲折疊C、H、O、N等元素組成21種（13+8）結(jié)構(gòu)通式氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序、肽鏈的空間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)多樣性功能結(jié)構(gòu)成分催化（酶）運(yùn)輸功能免疫調(diào)節(jié)功能多樣性生命活動的主要承擔(dān)者CCOOHHH2NR基本單位蛋白質(zhì)工程的概念對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。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。①基礎(chǔ)：②手段：③結(jié)果：④目的：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律與生物功能關(guān)系改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)滿足人類生產(chǎn)和生活需求蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的，又叫作第二代基因工程。PART01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由●基因工程的局限性●舉例：提高玉米中賴氨酸含量蛋白質(zhì)工程崛起的緣由為什么要進(jìn)行蛋白質(zhì)工程的研究呢？天然蛋白質(zhì)不能滿足人類需求?；蚬こ叹哂芯窒扌裕罕举|(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以生產(chǎn)它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新性狀。只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。例如：將蘇云金桿菌的Bt基因轉(zhuǎn)移到棉花細(xì)胞內(nèi)，使棉花產(chǎn)生Bt毒蛋白，進(jìn)而表現(xiàn)出抗蟲特性。天然的蛋白質(zhì)是生物長期進(jìn)化過程中形成的，結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。例如：天然玉米中的賴氨酸含量較低。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程手段：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。將賴氨酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏?，提高賴氨酸的含量，提高營養(yǎng)價值。例如：蛋白質(zhì)A和蛋白質(zhì)B均由8個氨基酸單體組成蛋白質(zhì)A：蛋白質(zhì)B：那么蛋白質(zhì)B的賴氨酸含量多，可以對應(yīng)找到編碼蛋白質(zhì)B的基因作為目的基因?qū)胗衩字?。表示賴氨酸蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程手段：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。玉米中賴氨酸合成受兩種關(guān)鍵酶：天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶影響，改造這兩種酶，使賴氨酸含量提高。天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量達(dá)到一定濃度（－）（－）天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量提高第352位蘇氨酸變成異亮氨酸第104位天冬酰胺變成異亮氨酸↑5倍↑2倍改造前改造后PART02蛋白質(zhì)工程的基本原理●蛋白質(zhì)工程的基本思路●蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的基本原理目標(biāo)：根據(jù)對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改造。直接對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造？蛋白質(zhì)功能執(zhí)行依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，改造難度大且不能遺傳。對決定蛋白結(jié)構(gòu)的基因改造？任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造。合成和改造脫氧核苷酸序列比較容易。改造基因可以遺傳給下一代。

對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改造最終必須通過改造或合成基因來完成?；仡櫯f知轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)DNA復(fù)制RNA逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制中心法則TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻譯轉(zhuǎn)錄天然的蛋白質(zhì)合成過程時按照中心法則來進(jìn)行的：形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能蛋白質(zhì)工程的基本思路蛋白質(zhì)工程與天然蛋白質(zhì)的合成方向相反：TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻譯轉(zhuǎn)錄形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能預(yù)期的蛋白質(zhì)新功能設(shè)計預(yù)期的新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列推測應(yīng)有的脫氧核苷酸序列合成新基因或改變原來脫氧核苷酸序列轉(zhuǎn)錄出新的mRNA序列翻譯出新的蛋白質(zhì)行使蛋白質(zhì)預(yù)期功能蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用

某一段多肽鏈的一段氨基酸序列是：…………丙氨酸色氨酸賴氨酸谷氨酸氨苯丙酸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。查找氨基酸和密碼子對照表，可知：丙氨酸的密碼子有GCU、GCC、GCA和GCG，色氨酸的密碼子是UGG，賴氨酸的密碼子有AAA和AAG，谷氨酸的密碼子有GAA和GAG，苯丙氨酸的密碼子有UUU和UUC。這一段氨基酸序列對應(yīng)的密碼子（mRNA序列）可以是：GCUUGGAAAGAAUUU，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，可以推出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列是：-CGAACCTTTCTTAAA-

-GCTTGGAAAGAATTT-蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用

某一段多肽鏈的一段氨基酸序列是：…………丙氨酸色氨酸賴氨酸谷氨酸氨苯丙酸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？確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因，或應(yīng)用基因定點突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等進(jìn)而改造基因。學(xué)科交叉蛋白質(zhì)工程經(jīng)常要借助計算機(jī)來建立蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型；要制備蛋白質(zhì)晶體，然后通過X射線衍射技術(shù)，分析晶體的結(jié)構(gòu)；要用到基因的定點突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換。PART03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用●蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用實例●蛋白質(zhì)工程的發(fā)展前景蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用研發(fā)速效胰島素類似物背景：天然胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后要經(jīng)歷逐漸解離為單體的過程，這一定程度上延緩了療效。原理：人胰島素由A鏈和B鏈構(gòu)成，其中B鏈的第20~29位氨基酸是胰島素分子相互作用形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，改變這個區(qū)域氨基酸的組成就有可能降低胰島素分子間的作用力。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用改造：預(yù)期胰島素新功能：起效迅速，不形成多聚體設(shè)計胰島素結(jié)構(gòu)：B鏈第28位脯氨酸替換為天冬氨酸

B28……Pro…………Asp…………CCT…………GGA…………GAT…………CTA……基因定點突變技術(shù)改變原來脫氧核苷酸序列轉(zhuǎn)錄出新的mRNA序列……GAU……翻譯出新的肽鏈……Asp……行使蛋白質(zhì)預(yù)期功能脯氨酸對應(yīng)密碼子：CCU、CCC、CCA、CCG天冬氨酸對應(yīng)密碼子：GAU、GAC研發(fā)速效胰島素類似物蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用延長干擾素的保存時間背景：干擾素是抗病毒特效藥，但是在體外保存相當(dāng)困難。改造：將干擾素分子的一個半胱氨酸變成絲氨酸，在-70℃條件下可以保存半年。降低鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)——人鼠嵌合抗體原理：將小鼠抗原的可變區(qū)與人抗體的恒定區(qū)“拼接”，使改造后的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)強(qiáng)度降低很多。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，提高光合作用效率，增加糧食產(chǎn)量；例如：利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，從中篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高這種酶的使用價值。工業(yè)方面的應(yīng)用農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用設(shè)計優(yōu)良