3.4蛋白质工程的原理和应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

3.4蛋白质工程的原理和应用 1 从社会中来—教材P93 科学家利用基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？ 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。 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。 从社会中来—教材P93 ①基础：_______________________________________________ ②途经：___________________ ③操作对象：______ ④目的：_________________________________________________________________________ ⑤地位：__________________________________________________ ⑥理论和技术：_______________________________________________ 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，以满足人类生产和生活的需求 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 基因 分子生物学、晶体学和计算机技术(了解） 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。 蛋白质工程 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的蛋白质。 基因重组 蛋白质工程 天然蛋白质的缺陷： 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。 玉米中赖氨酸的含量较低，原因是赖氨酸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。 二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺） 天冬氨酸激酶（异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸） 玉米中赖氨酸含量可提高数倍 玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 改造 改造 含量提高5倍 含量提高2倍 实例：提高玉米赖氨酸含量 蛋白质工程崛起的缘由 为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ ①任何一种天然蛋白质是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造； ②基因可以遗传，蛋白质无法遗传； ③蛋白质的高级结构十分复杂，对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。 探究—学习笔记P73 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，最终通过改造或合成基因来完成。 2.蛋白质工程的实质： 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） 1.蛋白质工程的目标： 蛋白质工程的基本原理 3.天然蛋白质合成的过程： 天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。 基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。 预期功能 预期结构 推测 氨基酸序列（多肽链） 改造或合成 目的基因 转录 mRNA 翻译 折叠 设计 行使 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 4.蛋白质工程的基本思路： 蛋白质工程的基本原理 某多肽链的一段氨基酸序列是： 丙氨酸 …… …… 色氨酸 赖氨酸 苯丙 氨酸 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。 查密码子表得知：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）。 推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） 进一步推知脱氧核苷酸序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C） 思考·讨论—教材P94 任务：基因工程和蛋白质工程 2.如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列 (填“唯一”或“不唯一”)，理由是______________________ 。 不唯一 一个氨基酸是由一个或多 个密码子决定的，因此获得的基因中的碱基序列有多种 探究—学习笔记P73 不同的生物密码子基本相同， 即共用一套密码子。 丙氨酸 …… …… 色氨酸 赖氨酸 苯丙 氨酸 讨论 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？ 某多肽链的一段氨基酸序列是： 3.确定目的基因的碱基序列后，可以 合成目的基因，或应用______ 来进行碱基的替换等进而改造基因。 探究—学习笔记P73 人工 基因的 定点突变技术 天然胰岛素制剂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 转录 mRNA 折叠 预期功能 行使功能 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 1、医药工业方面 （1）研发速效胰岛素类似物 蛋白质工程的应用 任务：基因工程和蛋白质工程 1.研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物产品，应进行的操作是 ，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。 将基因相应位置上的碱基进行替换 探究—学习笔记P73 PCR定点突变技术在基因改造中的应用 蛋白质工程通过改造基因实现对蛋白质的定向改造。PCR定点突变技术是最常用的基因定点突变技术，通过设计含有非特异性配对碱基的引物，再通过PCR将突变位点引入产物中，它又可以分为重叠延伸PCR、大引物PCR等。 拓展延伸—学习笔记P74 天然胰岛素B链部分氨基酸序列： 酪氨酸 苏氨酸 脯氨酸 赖氨酸 苏氨酸 设计后胰岛素B链部分氨基酸序列： B28 B29 酪氨酸 苏氨酸 赖氨酸 脯氨酸 苏氨酸 B28 B29 mRNA mRNA 翻译 翻译 转录 天然胰岛素对应的部分基因： 改造后应得到的基因序列： 转录 16 天然胰岛素对应的部分基因： 待突变位点 常规下游引物 突变上游引物 进行PCR 产物作为下一轮PCR的大引物 17 产物作为下一轮PCR的大引物 进行PCR 待突变位点 下游大引物 常规上游引物 18 待突变位点 下游大引物 常规上游引物 进行PCR 天然胰岛素对应的部分基因： 待突变位点 PCR 合成的人胰岛素突变基因 19 PCR定点突变技术在基因改造中的应用 (2)大引物PCR的流程如图2所示。该技术需要用到三条引物进行两轮PCR，这三条引物分别是突变上游引物、常规上游引物和常规下游引物。第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增，得到不完整的含有突变位点的DNA片段；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条DNA链作为下游大引物，它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。 拓展延伸—学习笔记P74 (1)重叠延伸PCR是发展最早的PCR定点突变技术。该技术的流程如图1所示。该技术要使用四条引物。其中引物2和3的突起处代表与模板链不能互补的突变位点，而这两条引物有部分碱基(包括突变位点)是可以互补的。因此，分别利用引物1和2、引物3和4进行 PCR后，得到的DNA片段可以通过引物2和3互补的碱基杂交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成为一个完整的DNA。最后，用引物1和4进行扩增得到含有突变位点的 DNA片段。通过测序可以检验定点突变是否成功。 拓展延伸—学习笔记P74 天然干扰素不易保存 预期结构 改造 一个半胱氨酸变成丝氨酸 新干扰素基因 转录 mRNA 折叠 预期功能 行使功能 延长保存时间 设计结构 氨基酸替换 推测序列 翻译 多肽链 在-70℃下可以保存半年 1、医药工业方面 （2）延长干扰素体外保存时间 蛋白质工程的应用 22 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。 1、医药工业方面 （3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 蛋白质工程的应用 23 蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，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。 3、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）利用蛋白质工程的思路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。 2、其他工业方面 蛋白质工程的应用 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 蛋白质工程和基因工程的比较 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。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。 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？ 蛋白质工程的应用 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。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。 蛋白质工程的应用 (1)一看对基因的操作方法 如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。 (2)二看目的基因的合成方式 基因工程和蛋白质工程中都可以通过逆转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或者mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。 (3)三看合成的蛋白质种类 如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。 核心归纳—学习笔记P73 (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(　　) 提示　对蛋白质的改造是通过直接改造相应的基因来实现的。 (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(　　) 提示　通过蛋白质工程可以改变蛋白质的活性。 × × √ √ 判断正误—学习笔记P73 29 1.(2023·嘉峪关高二期中)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 √ 落实—学习笔记P74 2.(2021·辽宁，14)腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是 A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一 B.加入连接肽需要通过改造基因实现 C.获得N1的过程需要进行转录和翻译 D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境 √ 落实—学习笔记P74 网络构建 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。 练习与应用—教材P96 二、拓展应用 1.基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 2.对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。 3.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。 要语必背 1.蛋白质工程是指以_____________________________________________ ____________________________________________________________________________________________。 2.将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作 (填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作 。 不属于 没有对现有的蛋白质进行改造 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 长句表达 3.如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间。对蛋白质进行改造，一般通过对基因的操作来实现，原因：________________________________________________________ 。 4.经研究发现，如果将凝乳酶的第20位和24位氨基酸变为半胱氨酸，则其催化能力将提高2倍。现已知通过蛋白质工程可生产高效凝乳酶，请写出有关制备步骤：____________________________________________ 。 (1)蛋白质的结构由基因编码，蛋白质不能复制，基因可以遗传； (2)对基因的改造比对蛋白质的改造要容易操作 找到相对应的脱氧核苷酸序列→定向改造凝乳酶基 因→将改造后的凝乳酶基因导入受体细胞 长句表达 Lavf59.27.100 $$