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三

第4节　蛋白质工程的原理和应用 第3章　基因工程 人教版高中生物 选择性必修3 学习目标 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的原理。 3.举例说明对现有蛋白质的编码基因进行改造，获得人类所需要的蛋白质的过程。 情境视频 细菌的艺术-微生物培养大赛 情境导入 科学家利用基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？ 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。 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。 ①基础：_______________________________________________ ②途经：___________________ ③操作对象：______ ④目的：_________________________________________________________________________ ⑤地位：__________________________________________________ ⑥理论和技术：_______________________________________________ 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，以满足人类生产和生活的需求 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 基因 分子生物学、晶体学和计算机技术(了解） 1.蛋白质工程 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。 2. 蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的实质及不足 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，使后者可以产生它本不能产生的蛋白质，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中已存在（天然）的蛋白质。 基因重组 天然蛋白质的缺陷 天然蛋白质是生物在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。 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。 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） 玉米中赖氨酸含量可提高数倍 玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 改造 改造 含量提高5倍 含量提高2倍 2. 蛋白质工程崛起的缘由 实例：提高玉米赖氨酸含量 为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ 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，最终通过改造或合成基因来完成。 (2)实质： 改造或合成基因（来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质） ①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； ②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； ③基因可以遗传，蛋白质无法遗传； (1)目标： 3. 蛋白质工程的基本原理 预期功能 预期结构 推测 氨基酸序列（多肽链） 改造或合成 目的基因 转录 mRNA 翻译 折叠 设计 行使 (3)基本思路 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 3. 蛋白质工程的基本原理 基因工程和蛋白质工程 任务 应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。 1.研究人员试图将人胰岛素B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？ 基因工程和蛋白质工程 任务 2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？并说明理由。 不唯一，因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因总的碱基序列有多种。 不同的生物密码子基本相同， 即共用一套密码子。 拓展延伸 基因工程和蛋白质工程 任务 3．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？ 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。 根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类： （1）大改： 设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质 （2）中改： 在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 （3）小改： 改造蛋白质分