3.4 蛋白质工程的应用-课件--2023-2024学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

从社会中来 左图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。细菌能够发出荧光，是因为在它们体内导入了荧光蛋白基因。最早被发现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。 3.4 蛋白质工程的原理和应用 蛋白质空间结构 蛋白质空间结构 蛋白质工程 优质食物蛋白 上个星期我们已经学习了基因工程的基本操作程序，隔了一个周末大家还记得基因工程操作的基本步骤吗？回忆一下，四个步骤，首先是。。。。 基因工程是指按照人们的愿望，通过________等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做__________技术。 转基因 重组DNA 基因工程 基因工程不足： 原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。 天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的 符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合 的需要。 天然蛋白质的不足: 结构和功能 人类生产和生活 一、蛋白质工程崛起的缘由 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 比如，干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗 的感染和癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，可以保存半年。 病毒 蛋白质工程 为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？ 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； mRNA:UGU-UCU 预期功能 生物功能 设计 推测 改造或合成 行使 折叠 目的基因 转录 mRNA 翻译 蛋白质 （三维结构） 多肽链 蛋白质工程的基本设计思路： PCR技术 二、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程：是指以蛋白质分子的 及其 的关系作为基础，通过 或 ，对现有蛋白质进行 ，或 ，以满足人类生产和生活的需求。也就是说，蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的 ，是包含多学科的综合科技工程领域。 结构规律 生物功能 基因改造 基因合成 改造 制造一种新的蛋白质 第二代基因工程 实例1：蛋白质工程的基本思路 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 ——用绿色荧光蛋白改造出黄色荧光蛋白 让荧光蛋白发黄色荧光 设计黄色荧光蛋白的结构 推测黄色荧光蛋白的氨基酸序列 找到并改变绿色荧光蛋白基因的脱氧核苷酸序列或合成新的基因 获得黄色荧光蛋白 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 蛋白质工程与基因工程的区别与联系 比较项目 基因工程 蛋白质工程 区 别 起点 过程 实质 结果 联系 生产自然界中已存在的蛋白质 生产自然界中非天然的蛋白质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品 改造或制造人类所需要的蛋白质 预期的蛋白质功能 目的基因 获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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 ①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。 蛋白质工程与基因工程的比较 是否合成新的基因 蛋白质工程 是否对原有基因进行改造 是 否 是 否 蛋白质工程 基因工程 二看蛋白质 一看基因 是否为天然蛋白质 是 否 蛋白质工程 基因工程 基因工程还是或蛋白质工程辨别 应用 实例 医药工业方面 其他工业方面 农业方面 教材P95 改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物 改造干扰素基因，延长保存时间 生产人鼠嵌合抗体，降低了诱发人体免疫反应的强度 改进酶的性能或开发新的工业用酶 改造某些参与调控光合作用的酶 设计优良微生物农药 三、蛋白质工程的应用 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子 主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究 蛋白质食品的工厂化生产想象图 异想天开 面临的问题：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。 前景展望：要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。 课堂小结 蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的局限性 蛋白质工程的应用 速效胰岛素类似物的设计 医药工业方面的其他应用 天然蛋白质不能完全满足生产生活需求 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的基本思路 蛋白质工程的改造必须通过改造或合成基因完成 蛋白质工程基本思路的应用 蛋白质工程在工业、农业方面的应用 一、概念检测 1. 蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。 （1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（ ） （2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 （ ） （3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 （ ） x x √ 2. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是 （ ） A. 分析蛋白质的三维结构 B. 研究蛋白质的氨基酸组成 C. 获取编码蛋白质的基因序列信息 D. 改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求 D 3. 水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第 47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ） A.基因 B.氨基酸　　C.多肽链 D.蛋白质 A T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？ 这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。 二、拓展应用 FormatFactory : www.pcfreetime.com FormatFactory : www.pcfreetime.com $$