3.4 蛋白质工程的原理和应用-2024-2025学年高二生物同步备课课件（人教版2019选择性必修3）

3.4 蛋白质工程的原理和应用 为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？ 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 改造 黄色荧光蛋白 及其他颜色的荧光蛋白 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。 这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤 如何改造蛋白质？ 一、蛋白质工程崛起的缘由 按照人们的愿望，通过 等技术，赋予生物以新的 ，创造出更符合人们需要的新的 ，又叫重组DNA技术。 转基因 遗传特性 生物类型和生物产品 知识回顾：基因工程概念 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（天然）的蛋白质。 基因重组 一、蛋白质工程崛起的缘由 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（天然）的蛋白质。 基因重组 这些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 不一定完全符合人类生产和生活的需要 2.实例： 赖氨酸合成 调控 达到一定浓度 两种酶的活性 二氢吡啶二羧酸合成酶 天冬氨酸激酶 + 赖氨酸含量 抑制 提高 提高 限制 提高 提高5倍 提高2倍 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） 变为 提高玉米赖氨酸含量 1.蛋白质工程概念： 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。 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。 思考：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，改造了基因可以间接改造蛋白质； 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。 二、蛋白质工程的基本原理 2.蛋白质工程的目标： 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。 2.天然蛋白质合成的过程： 4.原理： 中心法则的逆推 预期功能 生物功能 设计 蛋白质 （三维结构） 推测 改造或合成 转录 翻译 折叠 行使 目的基因 mRNA 多肽链 从____________________出发→设计____________________→推测___________________→找到并改变____________________________或_____________→获得所需要的蛋白质 预期的蛋白质功能 预期的蛋白质结构 应有的氨基酸序列 相对应的脱氧核苷酸序列 合成新基因 3.蛋白质工程思路： 【思考∙讨论】蛋白质工程基本思路的应用 已知某多肽链的一段氨基酸序列是： 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 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。 查密码子表 【思考∙讨论】蛋白质工程基本思路的应用 已知某多肽链的一段氨基酸序列是： 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 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。 查密码子表得知： 推知mRNA序列为： 丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。 GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） 共 种可能序列 32 【思考∙讨论】蛋白质工程基本思路的应用 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 已知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。 GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G） UUU(或C) mRNA序列 脱氧核苷酸序列 GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C) CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G) 【思考∙讨论】蛋白质工程基本思路的应用 已知某多肽链的一段氨基酸序列是： 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 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？ 学科交叉 蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 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。 三、蛋白质工程的应用 1. 医药工业方面 （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 （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 （3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。 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降低很多。 鼠抗体 人抗体 恒定区 恒定区 可变区 可变区 嵌合抗体 2.在其他工业方面 如：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。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。 ——广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 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。 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。 伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药 1.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是（ ） A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要。 B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构。 C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。 D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程。 【现学现用】 对基因分子直接进行操作 B 不能直接改变 2．蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种（ ） ①进行少数氨基酸的替换 ②对不同来源的蛋白质的拼接 ③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序 ④直接改变蛋白质的空间结构 A．①③④ B．①②③ C．②③④ D．①②④ B 3.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过程是_____；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）蛋白质工程的目标是_______________________________________ __________________，通过_____________________实现。 （4）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 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构 进行分子设计 改造或合成基因 相反 练习与应用 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 $$