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32

第3章

基因工程第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用情景視頻二:從社會中來

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?yàn)樵谒鼈兊捏w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)域有著重要應(yīng)用。

用細(xì)菌“畫畫”（視頻）問題1:科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能發(fā)出綠色熒光？基因工程技術(shù)使細(xì)菌表達(dá)了熒光蛋白。問題2:科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造讓細(xì)菌能發(fā)出黃色熒光？情景視頻一:從社會中來

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?yàn)樵谒鼈兊捏w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)域有著重要應(yīng)用。

用細(xì)菌“畫畫”（視頻）

科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。問題2:科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造讓細(xì)菌能發(fā)出黃色熒光？問題3:這種對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的技術(shù)與基因工程技術(shù)一樣嗎？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（一）基因工程的實(shí)質(zhì)和不足：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新性狀?；蚬こ痰娜毕菰瓌t上只能產(chǎn)生自然界已存在的蛋白質(zhì)(天然蛋白)天然蛋白的缺陷有時(shí)不完全符合人類生產(chǎn)和生活需要蛋白質(zhì)工程對天然蛋白進(jìn)行改造，產(chǎn)生更符合人類需要的蛋白質(zhì)問題4:什么是蛋白質(zhì)工程呢？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)和生活的需求操作對象：結(jié)果：與基因工程的關(guān)系：理論和技術(shù)：基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)（二）蛋白質(zhì)工程概念：賴氨酸合成調(diào)控達(dá)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倍一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（三）實(shí)例：對天然酶的改造問題5:蛋白質(zhì)工程是怎樣進(jìn)行的呢？3、溫故天然蛋白質(zhì)合成的過程。構(gòu)建出蛋白質(zhì)工程的基本思路。2、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)工程的目標(biāo)、實(shí)質(zhì)、結(jié)果。合作探究一：請同學(xué)們自主閱讀教材P94，小組合作思考討論完成問題。

二、蛋白質(zhì)工程的基本原理4、如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？二、蛋白質(zhì)工程的基本原理目標(biāo)實(shí)質(zhì)結(jié)果根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。通過改造或合成基因，來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。生產(chǎn)出自然界沒有的蛋白質(zhì)。問題5: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；（一）實(shí)質(zhì)、目標(biāo)和結(jié)果：二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（二）天然蛋白質(zhì)合成過程：基因mRNA轉(zhuǎn)錄翻譯具有特定氨基酸序列的多肽鏈具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能盤曲折疊按照中心法則進(jìn)行二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（三）蛋白質(zhì)工程的基本設(shè)計(jì)思路：①預(yù)期的蛋白質(zhì)功能②設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))思路逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用思考.討論二、蛋白質(zhì)工程的基本原理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問題6: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。查密碼子表得知：推知mRNA序列為：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）。GCUUGGAAAGAAUUU蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用思考.討論二、蛋白質(zhì)工程的基本原理丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸查密碼子表得知：推知mRNA序列為：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）。GCUUGGAAAGAAUUU共

種可能序列32脫氧核苷酸序列GCTTGGAAAGAATTTCGAACCTTTCTTAAA共

種可能序列32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(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。學(xué)科交叉蛋白質(zhì)工程經(jīng)常要借助計(jì)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)，分析晶體結(jié)構(gòu)；用到基因的定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換。蛋白質(zhì)工程的基本原理二蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用思考.討論二、蛋白質(zhì)工程的基本原理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問題7: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？根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對蛋白質(zhì)的改造可分為三類：（1）大改：設(shè)計(jì)并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)（2）中改：在蛋白質(zhì)分子中替換某一個肽段或某一個特定的結(jié)構(gòu)域。（3）小改：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基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(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。學(xué)科交叉是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進(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)工程基因工程三、蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較問題8:如何確定一個操作過程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？速效胰島素天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造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折疊預(yù)期功能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位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三醫(yī)藥工業(yè)方面1.實(shí)例一：研發(fā)速效胰島素類似物實(shí)例二：延長干擾素體外保存時(shí)間天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年β-干擾素氨基酸序列蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三醫(yī)藥工業(yè)方面實(shí)例三：降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)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(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會減低很多。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三醫(yī)藥工業(yè)方面其它工業(yè)方面改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶，如適應(yīng)范圍更廣的枯草桿菌蛋白酶農(nóng)業(yè)方面改造某些參與調(diào)控光合作用的酶設(shè)計(jì)微生物農(nóng)藥蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三(1)面臨的問題：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用(2)前景展望：要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。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。⑴基因工程需要在分子水平對基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進(jìn)行操作。（

）⑵蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。（

）⑶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3.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象是（）A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D.蛋白質(zhì)概念檢測練習(xí)與應(yīng)用

T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對相關(guān)基因進(jìn)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(xiàng)工作屬于什么工程的范疇？在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么？