3.4 蛋白质工程的原理和应用-【易备课】2023-2024学年高二生物同步教学精优课件（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 选修三 蛋白质工程崛起的缘由 1 蛋白质工程的基本原理 2 目录 蛋白质工程的应用 3 习题检测 4 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 一、学习目标 二、重难点 1.蛋白质工程的基本原理。 2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、 生产目标蛋白的过程。 3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、 生产目标蛋白的过程。 蛋白质工程崛起的缘由 1 问题探讨 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。 5 问题探讨 荧光蛋白发出的光穿透性极强，即使蛋白质位于小动物体内深处，其发出的光也可以穿透生物体外界看到。 在癌症研究过程中，荧光蛋白的出现使得科学家们能够观测到肿瘤细胞的具体活动，比如癌细胞的成长、入侵、转移和新生。 那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 6 问题探讨 绿色荧光蛋白结构 绿色荧光蛋白功能 相互关系 晶体学、分子生物学和计算机技术等 掌握 改造绿色荧光蛋白基因 黄色荧光蛋白功能 表达 依据 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基因正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。 7 蛋白质工程崛起的缘由 1 一、缘由 基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质(天然蛋白质) 天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要 需要对天然蛋白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质 8 蛋白质工程崛起的缘由 1 二、实例 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 9 习题巩固 你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？ 我国科学家承担了什么任务？ 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。 10 习题巩固 它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱、两图、三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图。“三库”则是建立符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。 11 蛋白质工程的基本原理 2 蛋白质工程的基本原理 2 一、蛋白质工程 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。 1.改造蛋白质的方法 改造或合成基因 2.蛋白质工程的基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 13 一、蛋白质工程 蛋白质工程是在基因工程的基础上， 延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。 对天然的蛋白质进行改造，为什么不是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的？ ①基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质； ②改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； ③改造基因比改造蛋白质更容易操作。 14 蛋白质工程的基本原理 2 二、基因工程的思路 基因 mRNA 转录 翻译 具有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 盘曲 折叠 按照中心法则进行 15 蛋白质工程的基本原理 2 三、蛋白质工程的思路 预期的蛋白质功能 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 获得所需蛋白质 创造出自然界不存在的蛋白质 16 三、蛋白质工程的思路 预期功能 生物功能 分子设计 折叠 DNA合成 翻译 转录 基因 DNA 蛋白质 结构 氨基酸 序列 mRNA 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 17 3 四、蛋白质工程的难点 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程是一项难度很大的工程。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 科学家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。 主要原因 蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构， 而蛋白质的高级结构是十分复杂、难度很大的工程。 前景展望 18 比较项目 蛋白质工程 基因工程 区别 过程 实质 结果 联系 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 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性， 以获得人类所需的 新的生物类型和生物产品 创造出自然界不存在的蛋白质 生产出自然界已有的蛋白质 ①蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程 ②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造 蛋白质工程与基因工程的区别和联系 19 如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？ 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 看蛋白质 看基因 是否为 天然蛋白质 是 否 蛋白质工程 基因工程 蛋白质工程与基因工程的区别和联系 20 习题巩固 某多肽链的一段氨基酸序列是： 1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？ 请把相应的碱基序列写出来。 每种氨基酸都有对应的密码子，通过查密码子表，就可以将编码上述氨基酸的mRNA序列写出来，然后根据碱基互补配对原则，就可以将决定这段多肽链的脱氧核苷酸的碱基序列写出来。 21 习题巩固 第一个碱基 第二个碱基 第三个碱基 U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 酪氨酸 酪氨酸 终止 终止 半胱氨酸 半胱氨酸 终止、硒代半胱氨酸 色氨酸 U C A G C 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 U C A G A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸(起始) 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 U C A G G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸、甲硫氨酸(起始) 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 U C A G 22 习题巩固 丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸： UGG 赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG、GUG 苯丙氨酸：UUU、UUC 由于上述氨基酸有多个密码子，因此需要通过排列组合进行排列。 GCU(或C，或A，或G)UGGAAA(或G) A(或G)UGUUU(或C) CGA(或G，或T，或C)ACCTTT(或C) T(或C)ACAAA(或G) mRNA DNA编码链 23 习题巩固 2.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。 确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。 对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 24 习题巩固 借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型; 利用晶体学技术来获得蛋白质的结晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体的结构; 用基因的定点突变技术来进行碱基的替换 ①计算机技术 ②晶体学、X射线衍射技术 ③基因定点突变技术 25 蛋白质工程的应用 3 蛋白质工程的应用 3 一、在医药工业方面 1.实例1：研发速效胰岛素类似物 天然胰岛素易形成二聚体或六聚体 预期结构 改造 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置 新胰岛素基因 mRNA 折叠 预期功能 功能 降低胰岛素的聚合作用 设计结构 改变B链第20～29位 氨基酸组成 推测 序列 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚合 转录 27 2.实例2：延长干扰素体外保存时间 天然干扰素 （体外保存困难） 改造后的干扰素 （-70℃可保存半年） 半胱氨酸 丝氨酸 干扰素在体外保存相当困难 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸 在-70℃下干扰素可保存半年 一、在医药工业方面 28 3.实例3：制备人鼠嵌合抗体 小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低。 通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域 （即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。 一、在医药工业方面 （1）医学问题 （2）解决方法 29 鼠抗体 人抗体 恒定区 恒定区 可变区 可变区 嵌合抗体 对人体的不良反应减少 3.实例3：制备人鼠嵌合抗体 30 蛋白质工程的应用 3 一、在医药工业方面 1.产生速效胰岛素 2.产生易保存的干扰素 3.生产人鼠嵌合抗体 通过基因定点突变 一个氨基酸的改变或两个氨基酸位置互换 通过基因定点突变 一个氨基酸的改变 通过基因片段的拼接 两条多肽片段拼接 31 蛋白质工程的应用 3 二、在其他工业方面 枯草杆菌蛋白酶突变体 枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用， 因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。 32 蛋白质工程的应用 3 三、在农业方面 1.改造某些参与调控光合作用的酶 科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。 还有科学家将蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。 2.改造微生物蛋白质结构，防治害虫 33 习题巩固 1.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。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质,但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质,并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。 34 习题巩固 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 35 习题巩固 2.酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的 生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂 产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的 现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。 酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性归条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。 36 习题巩固 近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了 30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。 在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。 37 习题巩固 3.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。下图是新的速效胰岛素的生产过程，有关叙述错误的是（ ） A.新的胰岛素的预期功能是 构建新胰岛素模型的主要依据 B.新的胰岛素生产过程中 不涉及中心法则 C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素，常用Ca2＋处理大肠杆菌 D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构 B 38 课堂总结 39 习题检测 4 习题检测 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。( ) × × √ 41 习题检测 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 42 习题检测 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 43 习题检测 4.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? 44 习题检测 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。 45 习题检测 1.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因 (AmpR)、LacZ 基因及一些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。 46 习题检测 请根据以上信息回答下列问题。 （1）在第②步中，应怎样选择限制酶？ 应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA 片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。 （2）在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接， 还需要在混合物中加入哪种物质？ 加入DNA连接酶 47 习题检测 （3）选用含有 AmpR 和 LacZ 基因的质粒进行实验有哪些优势？ 该质粒便于进行双重筛选。标记基因 AmpR 基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于 LacZ 基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。 48 习题检测 （4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？ 含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。 因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal也就不会被分解。 2.科学家将 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因通过逆转录病毒转入小鼠 成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后， 这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细 胞。请回答下列问题。 49 习题检测 （1）在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？ 逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。 （2）如何证明iPs细胞的产生不是由于培养基的作用？ 可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。 50 习题检测 （3）如果要了解 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因在诱导iPs细胞时， 每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？ 请你给出实验设计的思路。 可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可） 51 习题检测 （4）若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPs细胞，再使它转化为需要的细胞， 用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应?为什么？ iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？ 不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。 52 习题检测 3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。 方案一　把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中， 使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。 方案二　直接将固氮相关基因导入水稻细胞中， 建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮， 这样就可以免施氮肥了。 53 习题检测 (1)请评估这两种方案哪种更容易实现。 从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。 (2)如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？ 请说出你的理由。 此题不要求有唯一的答案，学生可从便捷性、安全性、经济性等角度进行分析，言之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值得推广；或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。 54 THANKS $$