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

淄博烧烤 小饼烤炉加蘸料，灵魂烧烤三件套 世界糖尿病患者情况 联合国世界卫生组织（WHO）数据显示，全世界大约有4.22亿人患糖尿病，而每年都有150万人死亡的原因与糖尿病息息相关。预计将在2023年二型糖尿病人数或突破1.4亿，2030年或达到1.7亿。 同时，还有很多人属于糖尿病前期，如果不及时预防，控制血糖，很可能发展为真正的糖尿病患者。 胰岛素 蛋白质工程的原理和应用 3 蛋白质工程崛起的缘由 【资料1】1921年，加拿大外科医生班廷采用结扎胰管的技术，成功分离出有活性的胰岛素，成功治疗了一位14岁糖尿病患者。最初临床上应用的胰岛素产品是从动物胰脏中提取，每一瓶胰岛素注射液背后都是成吨的动物组织，工业化生产中，1000克动物胰腺最多仅可以提纯出100-200毫克的胰岛素。猪胰岛素与人的最为接近，但依然存在1-4个氨基酸的不同，因此容易发生免疫反应和过敏反应，反复发生高血糖和低血糖，容易出现胰岛素抵抗。 问题1：胰岛素在应用时有何缺陷？你觉得可以怎么解决？ 第一代胰岛素——动物胰岛素 蛋白质工程崛起的缘由 【资料2】1958年，由中国科学院上海生物化学研究所、上海有机化学研究所和北京大学生物系组成的联合协作组开始探索用化学方法合成牛胰岛素。1965年，协作组完成了结晶牛胰岛素的全化学合成。经过鉴定，这种人工合成的结晶牛胰岛素在结构、生物活性、物理化学性质上都与天然的牛胰岛素完全一致。中国科学家依靠集体的智慧和力量，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。 第一代胰岛素——动物胰岛素 蛋白质工程崛起的缘由 【资料3】20世纪80年代，人们通过基因工程将携带人胰岛素基因的质粒导入大肠杆菌或酵母菌表达，生产人胰岛素基因重组。人胰岛素制剂的氨基酸序列与人体自身胰岛素完全一致，并具有良好的二级和三级结构。用过动物胰岛素发生过敏反应或产生胰岛素抵抗的病人换为人胰岛素后，很少发生过敏反应，胰岛素抵抗很快缓解。但是短效、患者依从性差，低血糖风险高。 问题2：结合前面所学基因工程内容，基因工程的实质是什么？ 活动1：写出利用基因工程大量生产胰岛素的简要过程。 第二代胰岛素——人胰岛素 蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的实质 将一种生物的基因转移到另一种生物的体内，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。 人胰岛素合成过程？ 蛋白质工程崛起的缘由 1982年第一个基因工程药物：重组人胰岛素 重组人胰岛素存在问题：容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，延缓了疗效。 蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。 天然蛋白质的不足：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。 蛋白质工程崛起的缘由 如何突破人胰岛素局限性？ 降低低血糖风险 注射时间更灵活方便，无需等待30分钟 能够长时间有效，每日一次注射即可满足要求 改造蛋白质 分子生物学、晶体学以及计算机技术迅猛发展 蛋白质工程的基本原理 【资料4】20世纪90年代，随着科学家对胰岛素的结构和成分的研究越来越深入，发现可以通过对肽链的修饰改变胰岛素的生物学和理化特征，进而研发出较传统人胰岛素更能贴合人体需要的胰岛素类似物，因能直接紧邻餐前食用，也称为餐食胰岛素或速效胰岛素。 问题3：如何大批量生产第三代胰岛素？将基因工程产生的蛋白质一个一个进行改造？ 问题4：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呢？ 第三代胰岛素——胰岛素类似物 蛋白质工程的基本原理 天然胰岛素制剂合成的过程 中心法则 转录 DNA RNA 翻译 肽链 逆转录 复制 复制 折叠等 具有空间结构的蛋白质 表达生物特有的功能或性状 【资料5】研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用，形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成，就有可能降低胰岛素分子间的作用力。目前，科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出速效胰岛素类似物。 蛋白质工程的基本原理 研发速效胰岛素类似物 蛋白质工程崛起的基本原理 问题5：怎样得出替换氨基酸后的胰岛素B链基因序列？ 问题6：得到改造的胰岛素B链基因序列是唯一的吗？ 问题7：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？ 活动2：请结合所学中心法则的有关知识，画出生产速效胰岛素的流程图。 蛋白质工程崛起的基本原理 研发速效胰岛素类似物 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 预期功能 降低胰岛素的聚