蛋白質工程的原理和應用（教學課件） 高二下學期生物人教版（2019）選擇性必修3

第3章基因工程第4節(jié)蛋白質工程的原理和應用●1955年由英國科學家桑格(S.Sanger)首先確定牛胰島素

中氨基酸的組成和排列順序，桑格也因此榮獲1958年諾貝爾

化學獎。●從1958年開始，中國科學院上海生物化學研究所、中國科學

院上海有機化學研究所和北京大學化學系三個單位聯(lián)合，以

王應睞為首，組成一個協(xié)作組，在前人對胰島素結構和肽鏈

合成方法研究的基礎上，開始探索用化學方法合成胰島素。●在1965年9月17日完成了結晶牛胰島素的全合成?！窠?jīng)過嚴格鑒定，它的結構、生物活力、物理化學性質、結晶形狀都和天然的牛胰島素完全一樣。這是世界上第一個人工

合成的蛋白質。這項成果獲1982年中國自然科學一等獎。我們還在利用化學方法合成胰島素嗎?結晶牛胰島素發(fā)展小史01蛋白質工程崛起的緣由1.基因工程的優(yōu)勢及缺陷①優(yōu)勢：目的基因→

重組DNA

分子→受體細胞→定向改造生物遺傳特

性→獲得蛋白質產(chǎn)品②缺陷：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已經(jīng)存在的蛋白質。不

一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。理論和技術條件：分子生物學、晶體學以及計算機技術的迅猛發(fā)展。蛋白質具有復雜的空間結構，表達生物特有的功能和性狀。蛋白質的功能由基因決定，要制造出新的蛋白質就要改造基因第二代基因工程

呼之欲出!中心法則：纂翻譯蛋白質復

(

RNA制轉錄逆轉錄DNA2

.

蛋

白

質

工

程

概

念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(chǎn)和生活的需求。思考：1.對天然蛋白質分子進行改造，是以蛋白質分子為操作對象，還是基因?2.蛋白質工程中如何構建新基因?(1)怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?氨基酸序列

……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……mRNA

序列

GCU(或C或A或G)UGG

AAA(或G)GAA(或G)UUU

(或C)CGA(或G或T或C)ACC

TTT(或C)CTT(

或C)AAA(或G)脫氧核苷酸序列

GCT(

或C或A或G)TGGAAA(

或G)GAA

(

或G)TTT(

或C)32種可能序列思考

·討論苯丙

氨酸賴氨酸丙氨酸色氨酸谷氨酸(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

。舉例賴氨酸含量低合成時需：

天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。蘇氨酸(352位)產(chǎn)量提高異亮氨酸濃度影響酶活性天冬酰胺(104位)異亮氨酸02

蛋白質工程的基本原理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，最終通過改造或合成基因來完成。行使生物功能2020年AlphaFold

(源自Google的Deepmind團隊，曾設計過阿爾法狗)可實現(xiàn)精準預測蛋白質的三維結構形成具有特

定氨基酸序

列的多肽鏈轉錄、翻譯hing

D48-4nde'Itwillchangeeverything':DeepMind'sAImakesgigantic

leap

insolvingproteinstructuresGooglesdep

katningpogam

MDshapestransformbiobogy.sy2.

天然蛋白質合成過程：按照中心法則進行形成具有

高級結構的蛋白質基因表達mm思考：與中心法則的關系?天然蛋白質合成的過程按照中心法則進行，

而蛋白質工程的原理卻是中心法則的逆運用目的基因轉錄行使蛋白質(三維結構)預期功能生物功能設計推測

改造或合成折疊

翻譯多肽鏈

mRNA3.

蛋白質工程的基本思路1.對天然胰島素進行改造時，操作對象是胰島素還是胰島素基因?請說明理由。胰島素基因。天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，且這種改造可以遺傳下去。2.請從蛋白質角度對基因工程和蛋白質工程進行比較。3構建新的蛋血質模型是蛋質正程的聯(lián)鍵，痰中構建新的胰鼾素模型的莊要健據(jù)是造，線制造一種

新的蛋白質。4.對吞然蛋白質進行改造，應該直接對蛋白質分子進行操作，

是就通是

實現(xiàn)?5.圖解中從新的胰島素模型到薪的胰島素基因的基苯患路是行么?通過對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質改造。根據(jù)新的胰島素模型中氨基酸的序列，推測出其基因中的脫氧核苷酸序列，然后利用DNA合成儀來合成新的

胰島素基因。也還合作探究

蛋白質工程與基因工程的關系胰島素可以用于治療糖尿病，但是胰島素被注射到人

體后，會堆積在皮下，并且要經(jīng)過較長時間才能進入

血液中，而進入血液的胰島素又容易被分解，因此，治

療效果受到影響。如圖是用蛋白質工程設計速效胰

島素的生產(chǎn)過程，請據(jù)圖回答有關問題：新的胰島素在大腸桿菌或其他細胞中表達人工合成DNA新的胰島素基因高級結構計算機設計

及作圖新的胰島素模型生化制備與重折疊

胰島素結晶X射線晶體衍射(1)代表蛋白質工程操作思路的過程是④⑤;代表中心法則內容的是

①②③

。(填寫數(shù)字)(2)寫出圖中各數(shù)字代表的生物學過程的名稱或內容：①轉錄；②翻譯；③折疊；④推測；⑤改造合成。(3)蛋白質工程的目的是根據(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，通過基因改造或基因合成實現(xiàn)。(4)從圖中可以看出蛋白質工程的基本途徑與中心法則是相反的。習題鞏固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：蛋白質

—

預期功能

三維結構→

生物功能氨基酸序列

②

多肽鏈基因DNA

①⑤mRNA④③I.醫(yī)藥工業(yè)方面√速效胰島素類似物研發(fā)

√可長期保存的干擾素√人鼠嵌合抗體OAWTIVRVEILRNFYFINRLTGYLRNβ

-干擾素氨基酸序列(源自Genbank)三個半胱氨酸易發(fā)生二硫鍵錯配，將17位

半胱氨酸替換為絲氨酸，可提高穩(wěn)定性MSYNLLGFLQRSSNFCOQKLLWQLNGRLEYOLKDRMNFDIPEEIKQLQQF

QKEDAALNIY

EMLQNIFAIF

RQDSSSTGWN

ETIVENLLAN

VYHQINHLKT

VLEEKLEKED

FTRGKLMSSL

HLKRYYGRILHYLKAKEYSH速效胰島素(賴脯胰島素注射液，B28

脯氨酸與B29

賴氨酸交換位置)蛋白質工程的應用03對人體的不良反應減少改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶如：適應范圍更廣的枯草桿菌蛋白酶III.

農(nóng)業(yè)方面改造某些參與調控光合作用的酶，提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量設計微生物農(nóng)藥，改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強；

蛋白質食品的工廠化生產(chǎn)想象圖II.其它工業(yè)方面蛋白質工程——難度大蛋白質發(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。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