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（2019）选择性必修3

第4节 蛋白质工程的原理和应用 第3章 基因工程 从社会中来 你见过用细菌画画吗？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。 思考：科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。 科学家用几种不同颜色的细菌和真菌绘制了一副珊瑚的图景。紫色的部分是粘质沙雷菌，粉红色带点黄绿的部分是金红色葡萄球菌，白色的部分是热带念珠菌，灰色的部分是肺炎克雷伯菌。 绿色荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）最早是由下村修等人在1962年在一种学名Aequorea victoria的水母中发现，其基因所产生的蛋白质，在蓝色波长范围的光线激发下，会发出绿色荧光。 1992-1994年的2年间，马丁·查尔菲博士一直致力于在体外克隆绿色荧光蛋白的编码基因，并先后将其成功表达在了原核模式生物大肠杆菌及秀丽隐杆线虫中，并最终获得了带有绿色荧光蛋白标记的神经元的转基因秀丽隐杆线虫。 带有GFP标记的秀丽隐杆线虫神经元结构。如图所示依次为秀丽隐杆线虫的头部神经节、背神经索、腹神经索及尾部神经节结构。 1994年，钱永健开始了对绿色荧光蛋白（GFP）改造进行研究，通过基因突变的方法，让原本发出柔弱绿光的蛋白发光变得更明亮、更持续。此后，钱永健制出了多种蛋白，有的荧光强，有的呈现黄、蓝、红色，有的可激活、可变色，世界上使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。 钱永健实验室荧光细菌画 2008年，瑞典皇家科学院将当年诺贝尔化学奖分别授予日本科学家下村修（左一）、美国科学家马丁·查尔菲（中）和美籍华裔科学家钱永健（左三）。 1. 概念：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。它是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程。 ①基础： ②操作手段及对象： ③结果： ④目的： 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 一、蛋白质工程的概念 蛋白质工程理论和技术：分子生物学、晶体学和计算机技术（了解） 晶体学：又称结晶学，是一门以确定固体中原子（或离子）排列方式为目的的实验科学。 X射线晶体学是确定生物大分子，尤其是蛋白质和核酸（如DNA、RNA）构象的主要方法，通过研究生物大分子的晶体结构，利用X射线分析方法得到了生物大分子的空间模型。 X射线晶体学是确定生物大分子，尤其是蛋白质和核酸(如DNA、RNA)构象的主要方法。DNA分子的双螺旋结构就是通过晶体学实验数据发现的。1958年，科学家(Kendrew, J.C. et al.)首次通过研究生物大分子的晶体结构，利用X射线分析方法得到了肌红蛋白分子的空间模型(Nature 181, 662–666)。 如今，研究人员已建立起了蛋白质数据库(Protein Data Bank，PDB)，将已测明的蛋白质和其他生物大分子的结构供人们免费查询。利用蛋白质三维结构分析软件RasMol，还可对数据进行可视化。 电子晶体学应用在某些蛋白质，如膜蛋白(membrane protein)和病毒壳体蛋白(viral capsid)结构的研究中。 01 1. 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，使后者可以产生它原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的蛋白质 （天然蛋白质）。 基因重组 二、蛋白质工程崛起的缘由 2. 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。 玉米中赖氨酸含量较低，经人工改造两种关键酶—天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 二、蛋白质工程崛起的缘由 3. 实例 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。 前体物质 天