3.4 蛋白质工程原理和应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

1.科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？ 从社会中来 基因工程 基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质！ 对蛋白质分子进行设计和改造 2.早期被发现的是绿色荧光蛋白，怎样让细菌也能发出黄色荧光？ 蛋白质工程 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。 必2P.57 第3章　基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用 基因工程 目录 /CONTENTS 01 02 蛋白质工程的概念 蛋白质工程的原理 03 蛋白质工程的应用 3 2014年6月，中国人类蛋白质组计划（视频） 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。 （1）基础：蛋白质分子的 及其与_________的关系。 （2）操作方法和对象： 。 （3）目的： 的蛋白质，或 的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。 阅读P93第1、2段内容，理解蛋白质工程的概念 一、蛋白质工程的概念 改造或合成基因 结构规律 生物功能 改造现有 制造一种新 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。 （4）地位：在________的基础上,延伸出来的第 代基因工程。 （5）学科和技术： 。 分子生物学、晶体学和计算机技术 基因工程 二 问:为什么蛋白质工程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； 二 1.天然蛋白质合成的过程： 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 蛋白质 （三维结构） 行使 生物功能 二、蛋白质工程的基本原理 按照中心法则进行 说一说：蛋白质多样性的原因是什么？ 7 蛋白质工程是中心法则的逆推 二 蛋白质工程的基本原理 天然蛋白质合成的过程 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 蛋白质 （三维结构） 行使 生物功能 2.蛋白质工程的基本思路： 预期功能 设计 推测 改造或合成 8 二 蛋白质工程的基本原理 3.蛋白质工程的基本思路： ①预期蛋白质的功能 ②设计预期的蛋白质结构 ③推测应有的氨基酸序列 ④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 ⑤获得所需蛋白质 9 下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题： （1）代表蛋白质工程操作思路的是_____, 代表中心法则内容的是________。(填写数字) （2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______；②______；③______；④______；⑤__________。 （3）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。 ④⑤ ①②③ 转录 翻译 折叠 推测 改造合成 相反 【及时反馈】 讨论 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。 --- 蛋白质工程基本思路的应用 某多肽链的一段氨基酸序列是： 思考·讨论 GCU GCC GCA GCG UGG AAA AAG 丙氨酸 … 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸 苯丙 氨酸 … UUU UUC GAA GAG ---蛋白质工程基本思路的应用 某多肽链的一段氨基酸序列是： 思考·讨论 讨论： 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。 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？ GCU GCC GCA GCG UGG AAA AAG 丙氨酸 … 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸 苯丙 氨酸 … UUU UUC GAA GAG 由于密码子具有简并性,获得的基因碱基序列有多种。 可人工合成目的基因，或从基因文库中获取目的基因后对基因进行改造。 用到基因的定点突变技术进行碱基的替换、增添等 32种 思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 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 蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程。 【判一判】 (1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质(　　)(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的(　　)(3)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大( 　)(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性(　　) 解析　(2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的。 (4)通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性。 √ √ × × 【及时反馈】 1．(2023·河南洛阳高二期中)下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是(　　)A．利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构　B．研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列C．设计和制造自然界中没有的人工蛋白质D．将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶 答案：D　将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果，与蛋白质工程没有直接关系，D符合题意。 D 【及时反馈】 2．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述中，正确的是(　　)A．蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够B．基因工程和蛋白质工程都可以生产自然界不存在的蛋白质C．不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是所有生物共用一套遗传密码D．基因工程的直接操作对象是基因，蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质 答案：A　蛋白质的空间结构复杂，蛋白质工程难度很大是因为对蛋白质的高级结构了解不够，A正确；基因工程生产自然界已有的蛋白质，蛋白质工程生产自然界中不存在的蛋白质，B错误；不同来源的DNA分子能够拼接，其原因是不同来源的DNA分子具有相同的结构及遵循碱基互补配对原则，C错误；蛋白质工程需要进行基因修饰或合成，蛋白质工程的直接操作对象仍然是基因，D错误。 A 三、蛋白质工程的应用 应用 实例 医药工业方面 改造胰岛素基因，获得____________类似物 获得在一定条件下延长保存时间的 ； 将小鼠抗体上 “嫁接”到 上 其他工业方面 改进 或开发 ； 提高玉米叶片和种子中游离_______的含量（P93） 农业方面 改造某些 ； 设计优良微生物______ 速效胰岛素 赖氨酸 农药 阅读P95内容，解决表格问题： 干扰素 结合抗原的区域 人的抗体 酶的性能 新的工业用酶 参与调控光合作用的酶 1.医药工业方面 （1）研发速效胰岛素类似物 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 预期功能 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 改造 新胰岛素基因 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 推测序列 转录 mRNA 翻译 多肽链 行使功能 速效胰岛素类似物 预期结构 折叠等 阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用 三、蛋白质工程的应用 定点突变 研究发现，调换胰岛素B链B28脯氨酸和29位B29赖氨酸，或者将B28脯氨酸替换为天冬氨酸，可以保持天然胰岛素的主要构象，同时能降低分子自聚力，显著抑制单聚体聚集，大大增加了吸收速率。 B28脯氨酸 B29赖氨酸 如何设计？ B28赖氨酸 B29脯氨酸 调换胰岛素B链B28脯氨酸和29位B29赖氨酸。 - - - - - -可以保持天然胰岛素的主要构象，同时能降低分子自聚力。 19 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 天然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 （2）延长干扰素体外保存时间 定点突变 同步P.66-10 （3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 问题：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。 解决办法：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。 基因融合 思考：小鼠单克隆抗体的免疫反应主要是由哪一区域诱发的？ 同步P.67-12 枯草杆菌蛋白酶 枯草杆菌 2. 在其他工业方面 （1）改进酶的性能或开发新的工业用酶 如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。 水解蛋白质，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 一 蛋白质工程崛起的缘由 玉米中赖氨酸的含量比较低 天冬氨酸 赖氨酸 天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶 抑制 （很难提高） 怎么解决这个问题？ （2）对天然酶的改造 P.93 23 一 蛋白质工程崛起的缘由 天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶 第352位: 苏氨酸 异亮氨酸 变成 第104位: 天冬酰胺 异亮氨酸 变成 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。 24 【构建概念图】 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 叶片中提高5倍 种子中提高2倍 P.93 提高玉米赖氨酸含量 3. 在农业方面 ①改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。 伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药 ②设计优良微生物农药，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。 蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。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。 异想天开 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 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作水平 操作流程 结果 实质 联系 基因 基因 DNA分子水平 DNA分子水平 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 可生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质 通过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 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，进而表现出新的性状 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。 预期蛋白质功能 目的基因 小结：蛋白质工程和基因工程 1. 蛋白质工程可以说是基因工程的延伸，判断： (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。（  ） √ × × 一、概念检测 练习与应用 P92 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 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 D A 31 03 第3位上的 异亮氨酸 半胱氨酸 与第97位的半胱氨酸形成-s-s- 定点突变 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？ 二、拓展应用 蛋白质工程是中心法则的逆推 提高T4溶菌酶耐热性 推测 折叠 改造或合成 翻译 转录 耐热性T4溶菌酶的结构 耐热T4溶菌酶mRNA 耐热T4溶菌酶氨基酸的序列 耐热T4溶菌酶基因 设计 第3位异亮氨酸变为半胱氨酸 行使 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？ 蛋白质工程。 二、拓展应用 还需重新明确：该酶的耐受温度范围、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。 根本原因：基因的碱基序列发生了变化。 （晶体学和计算机技术） ④将连接产物导入大肠杆菌 P98 复习与提高 重组质粒 空质粒 导入空质粒 导入了质粒的大肠杆菌才能存活 也有其他连接产物 导入重组质粒 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。  复习与提高 挑选 白色菌落 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？ （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？ （3）选用含有 AmpR 和 LacZ 基因的质粒进行实验有哪些优势？ （4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？ 为什么？ 相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶 DNA连接酶 便于进行双重筛选。AmpR 基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，含LacZ 基因是空质粒，菌落呈蓝色。 目的基因的插入破坏了LacZ基因，使其不能表达出 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal不能被分解产生蓝色。 白色 同步P.60-14 2.科学家将 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4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。 ⑴在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？ ⑵如何证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用？ 载体，将外源基因（Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4）送入小鼠成纤维细胞。 设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的成纤维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。 2.科学家将 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4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。 ⑶如果要了解 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4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。 ⑷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？ 依次只去掉1个基因，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） 不会。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，存在分化成肿瘤细胞的风险。 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。 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。 FormatFactory : www.pcfreetime.com FormatFactory : www.pcfreetime.com $$