3.4 蛋白质工程原理和应用课件2022-2023学年高二下学期生物人教版选择性必修3

2023-05-24 第3章 基因工程 选择性必修3 生物技术与工程 新课讲解 你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。 最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 从社会中来 用细菌 “画”的画 新课讲解 蛋白质工程的概念 →是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。 蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。 目的：改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。 实现途径：改造基因或合成基因。 基础(依据)：结构生物学(蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系。 改造基因的方法：定点突（诱）变、基因融合和基因拼接。 3 新课讲解 一、蛋白质工程崛起的缘由 (一)基因工程的实质和不足： 1.实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质(但这种蛋白质自然界已存在)，进而表现出新的性状。 2.不足：基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质是生物长期在进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺） 天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸） 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 改造 改造 玉米中赖氨酸的含量较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶-----天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。 玉米中赖氨酸含量可提高数倍 玉米中赖氨酸含量比较低 新课讲解 (二)蛋白质工程崛起的缘由： 1.基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 2.蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。 而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。 分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。 思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？ 提示：应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下： 1.任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的，因为蛋白质不能复制。而基因(DNA)能进行复制，随细胞分裂而遗传下去。 2.对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。 新课讲解 二、蛋白质工程的基本原理 天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因表达(转录和翻译) →具有特定氨基酸序列的多肽链→折叠、卷曲盘旋形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。 1.蛋白质工程的基本思路： 设计预期的蛋白质结构(三维结构) 推测应有的氨基酸序列 改造基因或合成新的基因 预期蛋白质功能 生产所需要的蛋白质 思考讨论 某多肽链的一段氨基酸序列是： 思考： 1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应碱基序列写出来。 2.确定目的基因的碱基序列后，怎样合成或改造目的基因？ 丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：UGG 赖氨酸：AAA、AAG 谷氨酸：GAA、GAG 苯丙氨酸：UUU、UUC mRNA序列为：GCU UGG AAA GAA UUU DNA序列为： CGA ACC TTT CTT AAA GCT TGG AAA GAA TTT 共32种可能序列 2.确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 根据：每一个氨基酸有对应的密码子，及碱基互补配对原则。 7 新课讲解 项目 基因工程 蛋白质工程 区 别 过程 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测相应核苷酸序列→改造基因或合成新的基因→表达出新的蛋白质 结果 生产自然界中已有的蛋白质 生产自然界中没有的蛋白质 联系 蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程，二者都需要通过基因表达才能产生特定的蛋白质。 2.基因工程与蛋白质工程比