《3.4 蛋白質工程的原理和應用》教學課件2

3.4蛋白質工程的原理和應用細菌畫右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“西畫”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?通過蛋白質工程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，以滿足人類的生產和生活的需求。一、蛋白質工程基礎：結構規(guī)律及其與生物功能的關系操作：改造或合成基因目的：改造現(xiàn)有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。地位：基因工程基礎上延伸出來的第2代基因工程理論和技術：分子生物學、晶體學和計算機技術蛋白質工程概念的內涵2、基因工程的不足基因工程在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。3、天然蛋白的不足天然蛋白質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。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(xiàn)出新的性狀。二、蛋白質工程崛起的緣由賴氨酸合成達到一定濃度兩種酶的活性賴氨酸的含量天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+調控抑制抑制352位的蘇氨酸變成異亮氨酸提高5倍104位的天冬酰胺變成異亮氨酸提高2倍提高玉米中賴氨酸的含量比較低，賴氨酸合成中兩種酶的氨基酸被替換，就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。4.實例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分子設計。2.蛋白質工程的方法必須通過改造或合成基因來完成3.天然蛋白質的合成過程遵循中心法則DNA（基因）轉錄mRNA翻譯蛋白質基因→表達（轉錄和翻譯）→形成氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級結構的蛋白質→行使生物功能三、蛋白質工程的基本原理7.蛋白質工程與正常基因表達對比6.蛋白質工程的結果：生產出自然界沒有的蛋白質預期的蛋白質功能設計預期的蛋白質結構推測應有的氨基酸序列找到并改變或合成新的基因獲得所需要的蛋白質5.蛋白質工程的實質：

通過改造或合成基因，定向改造現(xiàn)有蛋白質，或制造新的蛋白質DNA合成分子設計轉錄翻譯折疊基因DNAmRNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質三維結構預期功能生物功能4.蛋白質工程的基本思路項目蛋白質工程基因工程對象起點水平流程結果實質聯(lián)系基因基因預期蛋白質功能目的基因DNA分子水平DNA分子水平可生產自然界已有的蛋白質可生產自然界沒的蛋白質預期蛋白質功能→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，其包含基因工程基本操作;將一種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(xiàn)出新的性狀通過改造或合成基因來定向改造現(xiàn)有蛋白質或制造新的蛋白質8.蛋白質工程與基因工程的比較如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質工程？看基因看蛋白質是否合成新的基因是否為天然蛋白質蛋白質工程蛋白質工程蛋白質工程基因工程基因工程是否對原有基因進行改造是是是否否否思考：

某多肽鏈的一段氨基酸序列是:……丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸……討論1：

怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請把相應的堿基序列寫出來。然后根據(jù)密碼子推出mRNA序列為GCU(或C,或A，或G)UGGAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，先經(jīng)查出相應氨酸酸密碼子: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)再根據(jù)堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列為CGA(或G,或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)思考：某多肽鏈的一段氨基酸序列是:……丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸……討論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?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來進行堿基的替換、增添等。學科交叉蛋白質工程經(jīng)常要借助計算機來建立蛋白質的三維結構模型;要制備蛋白質晶體，然后通過X射線衍射技術，分析晶體結構;要用到基因的定點突變技術來進行堿基的替換。1.在醫(yī)藥工業(yè)方面的應用（1）研發(fā)速效胰島素類似物:科學家通過改造_____________使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了______________發(fā)出速效胰島素類似物。胰島素基因胰島素的聚合四、蛋白質工程的應用（2）提高干擾素的保存期:將干擾素分子上的一個_________變成________,提高了千擾素的保存時間。半胱氨酸絲氨酸（3）改造抗體:將小鼠單克隆抗體上_______________“嫁接”到人的抗體上，降低了誘發(fā)人體免疫反應的強度。結合抗原的區(qū)域利用蛋白質工程改造參與_____________的酶，以提高植物光合作用的效率。2.在其他工業(yè)和農業(yè)方面的應用（1）改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶:利用蛋白質工程獲得蛋白酶的多種_________。突變體（2）改造某些重要的酶:調控光合作用（3）改造微生物____________，使它防治病蟲害的效果增強。蛋白的結構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。蛋白質工程是一項難度很大的工程五、蛋白質工程的現(xiàn)狀與前景異想天開：

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產人類所需要的蛋白質食品呢?理論上可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產人類需要的蛋白質，但這些蛋白質往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來的、自然界中不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對大多數(shù)蛋白質的高級結構和蛋白質在生物體內如何行使功能了解得還不夠，很難設計出一個全新的而又具有功能的蛋白質。即使設計并獲得了一個全新的蛋白質，它的生理生化特性、用它生產的蛋白質食品的安全性等都需要長期深人的研究。1.下列關于蛋白質工程的說法，錯誤的是（）A.蛋白質工程能定向改造蛋白質的分子結構，使之更加符合人類的需要B.蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子結構C.蛋白質工程能產生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質分子D.蛋白質工程與基因工程密不可分，又稱為第二代基因工程B課堂練習課堂練習2.蛋白質工程中需要直接進行操作的對象是（）A.氨基酸結構B.蛋白質空間結構C.肽鏈結構D.基因結構D3.蛋白質工程在設計蛋白質結構時依據(jù)的是（）A.基因功能B.蛋白質功能C.氨基酸序列D.mRNA密碼子序列B4.目前科學家們通過蛋白質工程制造出了藍色熒光蛋白、黃色熒光蛋白等。采用蛋白質工程技術制造出藍色熒光蛋白的過程的正確順序是（）①推測藍色熒光蛋白的氨基酸序列和確定相對應的脫氧核苷酸序列②根據(jù)預期的藍色熒光蛋白的功能設計其結構③合成藍色熒光蛋白基因④表達出藍色熒光蛋白A.①②③④B.②①③④C.②③①④D.④②①③B課堂練習5.科學家為提高玉米中賴氨酸的含量，計劃將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變?yōu)楫惲涟彼?，將二氫吡啶羧酸合成酶中?04位的天冬酰胺變?yōu)楫惲涟彼帷榇?，下列操作正確的是（）A.直接改造這兩種酶的空間結構B.對指導這兩種酶合成的mRNA進行改造C.利用誘變育種技術促使控制這兩種酶合成的基因突變D.利用基因工程技術，對控制這兩種酶合成的基因進行改造D課堂練習6.下圖為蛋白質工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：（1）代表蛋白質工程操作思路的過程是_______；代表中心法則內容的是________。(填