3.4 蛋白质工程的原理和应用-2023-2024学年下学期高二生物互动课堂优质课件（人教版2019选择性必修3）

选择性必修3 3.4 蛋白质工程的原理和应用 课堂活动1：结合必修2所学中心法则的有关知识，写出胰岛素的合成过程。 胰岛素基因　　　mRNA 胰岛素 转录 翻译 资料1： 1978年，科学家们利用基因工程技术，生产出首个与人胰岛素序列完全相同的胰岛素产品。1982年，第1种重组人胰岛素产品获得批准。人胰岛素逐渐取代动物胰岛素被应用于临床。 胰岛素的三级结构 胰岛素只有形成特定的空间结构，才能具有降血糖的功能。 结构与功能相适应 3 课堂活动1：结合必修2所学中心法则的有关知识，写出胰岛素的合成过程。 胰岛素基因　　　mRNA 特定氨基酸序列的多肽链 　　　 具有高级结构的蛋白质　　 行使生物功能 转录 翻译 折叠 资料1： 1978年，科学家们利用基因工程技术，生产出首个与人胰岛素序列完全相同的胰岛素产品。1982年，第1种重组人胰岛素产品获得批准。人胰岛素逐渐取代动物胰岛素被应用于临床。 胰岛素的三级结构 胰岛素只有形成特定的空间结构，才能具有降血糖的功能。 结构与功能相适应 4 一、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，进而表现出新的遗传特性。 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。 资料2： 天然胰岛素见效慢，是因为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，发挥作用。 胰岛素的分子结构示意图 → 空间结构 → 氨基酸序列 功能 见效慢 六聚体 取代基团使得电荷排斥，从而阻碍单体之间的聚合。 6 资料3： 科学研究发现，胰岛素B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，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。 胰岛素的分子结构示意图 脯氨酸 天冬氨酸 小组讨论：如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在? 六聚体 单体 方案1：直接改造胰岛素上的氨基酸 方案2：对胰岛素基因进行改造 如果你是科学家，这两种方案你会选择哪种？为什么？ 方案2，工艺简单，产量高 六聚体 单体 脯氨酸 天冬氨酸 如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在? 8 那么，我们需要对胰岛素基因进行怎样的改造？ 氨基酸序列 已知 新胰岛素基因 结构未知 改造 降低胰岛素的聚合作用 预期功能 空间结构 推测 脯氨酸 天冬氨酸 六聚体 单体 设计 如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在? 逆推 课堂活动2：推测胰岛素基因的结构需要作出什么改变？ 脯氨酸 天冬氨酸 六聚体 单体 氨基酸序列 已知 新胰岛素基因 结构未知 改造 降低胰岛素的聚合作用 预期功能 空间结构 推测 设计 逆推 10 六聚体 单体 脯氨酸 （CCC） 天冬氨酸(GAC) GGG CCC CCC CTG GAC GAC 基因 mRNA 氨基酸 速效胰岛素 脯氨酸 天冬氨酸 胰岛素 课堂活动3：请画出研发速效胰岛素的流程图。 脯氨酸 天冬氨酸 六聚体 单体 氨基酸序列 新胰岛素基因 改造 降低胰岛素的聚合作用 预期功能 三维结构 推测 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸 预期结构 转录 mRNA 折叠 行使 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚合 设计 功能 研发速效胰岛素类似物的流程图 总结蛋白质工程的原理 二、蛋白质工程的原理 由预期的蛋白质的功能出发，找到并改变相对应的基因或合成新的基因，即基因表达的逆推。 流程图 借助计算机 构建蛋白质三维结构图: 获得蛋白质晶体： 碱基的替换： 通过X射线衍射技术 基因的定点突变技术 分析晶体的结构： 晶体学技术 14 研发长效胰岛素类似物 氨基酸序列 新胰岛素基因 改造 沉淀形成六聚体 预期功能 三维结构 推测 甘氨酸取代A21位的天冬酰胺，B链的B31和32位添加两个精氨酸 预期结构 转录 mRNA 折叠 行使 翻译 多肽链 作用持续时间更长 设计 功能 更理想的胰岛素如何制备？ 三、蛋白质工程的应用 3.1 医药工业方面 3.2 其他工业方面 3.3 农业方面 玉米中赖氨酸的含量比较低。 赖氨酸 天冬氨酸激酶 （含量低） 二氢吡啶二羧酸合成酶 玉米 促进 促进 抑制 抑制 改造 后的 天冬氨酸激酶 异亮氨酸 （352位） 苏氨酸 （352位） 变为 异亮氨酸 （104位） 天冬酰胺 （104位） 改造后的二氢吡啶二羧酸合成酶 变为 玉米 赖氨酸 （含量提高5