3.4蛋白质工程的原理和应用课件2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

情境导入 用细菌“画”的画 情境导入 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? 如何解决这一问题?单纯的基因工程可以么? 蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的实际: 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,进而表现出新性状。 基因工程的不足: 在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 天然蛋白质的不足: 天然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。 情境导入 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? 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构,并利用计算机进行辅助设计,在此基础上采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基因正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸,从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。 蛋白质工程崛起的缘由 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构,并利用计算机进行辅助设计,在此基础上采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基因正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸,从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。 绿色荧光蛋白结构 绿色荧光蛋白功能 相互关系 晶体学、分子生物学和计算机技术等 掌握 改造绿色荧光蛋白基因 黄色荧光蛋白功能 表达 依据 蛋白质工程崛起的缘由 蛋白质工程 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,以满足人类生产和生活的需求。 途径 目的 蛋白质工程是第二代基因工程 是包含多学科的综合科技工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用 蛋白质工程崛起的缘由 玉米中赖氨酸的含量比较低,原因是赖氨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。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性,所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸,就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 实例1: 蛋白质工程的基本原理 【自主学习】自主阅读课本P94相关内容,完成以下任务: 1、思考蛋白质工程的操作对象是基因还是蛋白质并解释原因。 2、总结蛋白质工程的原理与步骤。 预期功能 生物功能 设计 蛋白质 (三维结构) 推测 改造或合成 转录 翻译 折叠 行使 目的基因 mRNA 多肽链 基本思路 蛋白质工程的基本原理 实质:通过改造或合成基因,定向改造或生产人类所需的蛋白质。 借助计算机 构建蛋白质三维结构图: 制备蛋白质晶体: 碱基的替换: 通过X射线衍射技术 基因的定点突变技术 2 蛋白质工程操作程序的基本思路和基因工程有什么不一样? 思考 基因工程是遵循中心法则,DNA mRNA 蛋白质 折叠产生功能,基本上是生产出自然界已有的蛋白质。 蛋白质工程是按照以下思路进行的:确定蛋白质的功能 蛋白质应有的高级结构 蛋白质应具备的折叠状态 应有的氨基酸序列 应有的碱基排列,创造出自然界不存在的蛋白质。 蛋白质工程的基本原理 比较项目 蛋白质工程 基因工程 区别 过程 实质 结果 联系 从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因 获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取 基因表达载体的构建 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的新的生物类型和生物产品 创造出自然界不存在的蛋白质 生产出自然界已有的蛋白质 ①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 ②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的基本原理 【实例2】天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在,需要经历长时间才能解离为单体,见效慢。科学研究发现,胰岛素 链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域,若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸,可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改