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

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。01概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。02舉例說明依據(jù)人類需要對(duì)原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過程。03自然界中的細(xì)菌本身有顏色，但是不會(huì)發(fā)出熒光。想一想：如何讓細(xì)菌能發(fā)出熒光？熒光蛋白基因細(xì)菌熒光蛋白導(dǎo)入熒光蛋白基因表達(dá)基因工程：基因工程實(shí)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(jìn)而表現(xiàn)出新性狀。自然界中存在的熒光蛋白只有綠色熒光蛋白，能否通過基因工程，獲得黃色熒光蛋白呢？不能基因工程不足：原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)是生物在長期進(jìn)化過程中形成的，它們的

符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合

的需要。天然蛋白質(zhì)的不足:結(jié)構(gòu)和功能人類生產(chǎn)和生活對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的“蛋白質(zhì)工程”開始崛起！一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的

及其與

的關(guān)系作為基礎(chǔ)，

通過

，來改造

，或制造

，以滿足

的需求。結(jié)構(gòu)規(guī)律生物功能改造或合成基因現(xiàn)有蛋白質(zhì)一種新的蛋白質(zhì)人類生產(chǎn)和生活蛋白質(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。2.目標(biāo)：根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。思考：為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無法遺傳；3.蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象：基因！閱讀教材P94，回答問題：1.天然蛋白質(zhì)合成過程是按照什么法則進(jìn)行的？具體過程？2.蛋白質(zhì)工程的基本思路？二、蛋白質(zhì)工程的基本原理天然蛋白質(zhì)合成過程：按照

進(jìn)行基因表達(dá)形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能轉(zhuǎn)錄、翻譯蛋白質(zhì)工程如何進(jìn)行？中心法則盤曲折疊1.天然蛋白質(zhì)的合成過程二、蛋白質(zhì)工程的基本原理2.蛋白質(zhì)工程的基本思路借助計(jì)算機(jī)構(gòu)建蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖:制備蛋白質(zhì)晶體，堿基的替換：然后通過X射線衍射技術(shù)，分析晶體結(jié)構(gòu)基因的定點(diǎn)突變技術(shù)目的基因蛋白質(zhì)工程與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反：2.蛋白質(zhì)工程的基本思路從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)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(zhì)?！镁G色熒光蛋白改造出黃色熒光蛋白讓熒光蛋白發(fā)黃色熒光設(shè)計(jì)黃色熒光蛋白的結(jié)構(gòu)推測黃色熒光蛋白的氨基酸序列找到并改變綠色熒光蛋白基因的脫氧核苷酸序列或合成新的基因獲得黃色熒光蛋白①蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？

基因工程是遵循中心法則，DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。思

考：

從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)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(zhì)。②蛋白質(zhì)工程的基本思路：【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(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。密碼子表

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）。推知mRNA序列為：共

種可能序列32GCUUGGAAAGAAUUU其中1種mRNA序列：脫氧核苷酸序列:GCTTGGAAAGAATTTCGAACCTTTCTTAAA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？可以人工合成目的基因?qū)虻母脑?基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。（1）從生物體中分離純化目的蛋白；（2）測定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地

了解蛋白質(zhì)的二維結(jié)構(gòu)和三維晶體結(jié)構(gòu);（4）設(shè)計(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對(duì)其活性與功能的影響；（5）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造方案，如點(diǎn)突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實(shí)際使用。資料---蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括：自主學(xué)習(xí)自主閱讀課本P95相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)蛋白質(zhì)工程可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域，有哪些案例。Autonomouslearning

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)域一定程度上會(huì)延緩療效1.醫(yī)藥工業(yè)方面（1）實(shí)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(yù)期功能降低胰島素的聚合作用天然胰島素有什么缺陷？改造它的目的是？改造的思路是？三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）實(shí)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(yù)期結(jié)構(gòu)改造

或合成B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測氨基酸序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合預(yù)期功能1.醫(yī)藥工業(yè)方面（2）實(shí)例2：延長干擾素體外保存時(shí)間干擾素（半胱氨酸）干擾素（絲氨酸）改造UGU、UGCAGU、AGCDNAmRNATGT(或C)ACA(或G)

AGT(或C)TCA(或G)

對(duì)編碼干擾素分子的基因進(jìn)行改造時(shí)，利用什么技術(shù)進(jìn)行堿基的替換？基因定點(diǎn)突變技術(shù)

干擾素是人或動(dòng)物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒的感染和癌癥。但在體外保存相當(dāng)困難。如果將其分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，那么在零下70℃的條件下，可以保存半年。

干擾素是人或動(dòng)物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒的感染和癌癥。但在體外保存相當(dāng)困難。如果將其分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，那么在零下70℃的條件下，可以保存半年。天然干擾素不易保存改造新干擾素基因預(yù)期功能延長保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸推測序列預(yù)期結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄mRNA折疊翻譯多肽鏈行使功能在-70℃下可以保存半年（2）實(shí)例2：延長干擾素體外保存時(shí)間（3）實(shí)例3：降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)解決辦法：通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。存在問題：小鼠單克隆抗體會(huì)使人產(chǎn)生免疫反應(yīng)（4）實(shí)例4：提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性第3位上的異亮氨酸半胱氨酸與第97位的半胱氨酸形成-s-s-2.其他工業(yè)方面——廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶例如：

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(jià)值。3.農(nóng)業(yè)方面（1）科學(xué)家正在嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）科學(xué)家利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥（如蘇云金桿菌-Bt殺蟲蛋白）伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程

蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。目前對(duì)其了解還很不夠，還需探索。

要設(shè)計(jì)出更符合人類需要的蛋白質(zhì)還需不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會(huì)給人帶來更多的福祉。①

面臨的問題★②難度大的原因前景展望４.蛋白質(zhì)工程面臨的問題比較項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程相同操作對(duì)象操作水平區(qū)別操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)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(zhì)目的基因的篩選與獲取→基因表達(dá)載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定通過改造或合成基因定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的新的生物類型和生物產(chǎn)品創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)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基因DNA分子水平是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程思考：如何判斷一個(gè)操作過程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？蛋白質(zhì)工程的概念：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。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由：基因原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)，這些天然蛋白質(zhì)是生物在長期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符號(hào)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。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理：預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)方面；2.其他工業(yè)方面；3.農(nóng)業(yè)方面。1.蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸。判斷下列相關(guān)表述是否正確。（1）基因工程需要在分子水平對(duì)基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對(duì)基因進(jìn)行操作。

（

）（2）蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。

（

）（3）蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。

（

）2.蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是（）A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求D3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)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(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是（）A.基因B.氨基酸

C.多肽鏈D.蛋白質(zhì)A4.下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請(qǐng)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