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

第三章 第4节 蛋白质工程的原理和应用 1 1 蛋白质工程崛起缘由 2 蛋白质工程的基本原理 目 录 一、蛋白质工程的原理和应用 3 蛋白质工程的应用 从社会中来 你见过用细菌画画吗? 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,在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为略氨酸,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。 ①基础: ②操作手段及对象: ③结果: ④目的: ⑤困难: 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 改造或合成基因 改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质 获得满足人类生产和生活需求的蛋白质 蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构,而蛋白质的高级结构十分复杂。 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,是涉及多学科的综合科技工程。 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。 (1)概念: (2)特点: 蛋白质工程崛起缘由 一 (1)实质: 基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内,使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质,进而表现出新性状。 (2)不足: 基因工程原则上只能生产自然界中已存在(天然)的蛋白质。 1.基因工程的实质及不足 天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的,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。 破坏鳞翅目昆虫的消化系统 杀死棉铃虫 苏云金芽孢杆菌 产生 Bt基因 伴胞晶体蛋白 (Bt抗虫蛋白) 表达 破坏鳞翅目昆虫的消化系统 杀死棉铃虫 导入 抗虫棉 培育 目的基因 核DNA 赖氨酸合成 调控 达到一定浓度 两种酶的活性 352位的苏氨酸变成异亮氨酸 二氢吡啶二羧酸合成酶 天冬氨酸激酶 + 104位的天冬酰胺变成异亮氨酸 赖氨酸含量 抑制 提高 提高 限制 提高 提高5倍 提高2倍 2.实例:提高玉米赖氨酸含量 蛋白质工程是怎样进行的呢?基本原理是什么? 过渡 蛋白质工程的基本原理 二 (1)蛋白质工程的目标: 根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。 (2)改造蛋白质的方法: 改造或合成基因 (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,而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也是无法遗传的。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作,难度要小得多。 为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质? 1.基因工程的目标和方法 思考: 按照中心法则进行 基因 表达 形成具有特定氨基酸序列的多肽链 形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能 2.天然蛋白质合成过程 转录 翻译 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。 逆中心法则,与天然蛋白质合成的过程相反 3.蛋白质工程的基本思路 蛋白质工程的基本思路 预期的蛋白质功能 设计 预期的蛋白质结构 应有的氨基酸序列 推测 改造或合成 转录 翻译 生物功能 行使 DNA mRNA 蛋白质工程基本思路的应用 思考•讨论 1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。 提示: 查密码子表得知: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) 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) GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA(或G)TTT(或C) mRNA序列为: DNA序列为: 某多肽链的一段氨基酸序列是: 丙氨酸 …… …… 色氨酸 赖氨酸 苯丙 氨酸 蛋白质工程基本思路的应用 思考•讨论 2.确定目的基因的碱基序列后,怎样才能合成或改造目的基因? 确定目的基因的碱基序列后,可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 提示: 天然蛋白质 改造蛋白质 蛋白质工程已有哪些实际的应用呢? 过渡 蛋白质工程的应用 三 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 预期结构 改造 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置 新胰岛素基因 转录 mRNA 折叠 预期功能 行使功能 降低胰岛素的聚合作用 设计结构 改变B链第20~29位氨基酸组成 推测序列 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚