3.4蛋白质工程的原理和应用-【爱上生物课】2024-2025学年高二生物备课通关优质课件（人教版2019选择性必修3）

第4节蛋白质工程的原理和应用 第三章基因工程 本节聚焦 1.蛋白质工程的基本原理是什么？ 2.蛋白质工程已有哪些实际的应用？ 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 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。 基因工程的实质和不足： 基因工程实质：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，进而表现出新性状。 原则上只能产生自然界已存在的蛋白质(天然蛋白) 基因工程的缺陷 有时不完全符合人类生产和生活需要 天然蛋白的缺陷 对天然蛋白进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质 蛋白质工程 怎么改造？ 是直接改造蛋白质分子，还是改造基因?为什么? 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。 基础 操作方法及对象 结果 目的 蛋白质工程的实质：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。 一、蛋白质工程崛起的缘由 赖氨酸产量提高 赖氨酸 合成时需： 天冬氨酸激酶； 二氢吡啶二羧酸合成酶。 达到一定浓度抑制酶活性 异亮氨酸 苏氨酸(352位） 异亮氨酸 天冬酰胺(104位) 实例：利用蛋白质工程提高玉米赖氨酸含量 提高5倍 提高2倍 赖氨酸含量低 一、蛋白质工程崛起的缘由 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。 改造蛋白质的方法 改造或合成基因 为什么蛋白质工程改造基因而不直接改造蛋白质？ 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。 转录 DNA RNA 翻译 肽链 逆转录 复制 复制 折叠等 具有空间结构的蛋白质 表达生物特有的功能或性状 按照中心法则进行 天然蛋白质合成过程： 二、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的基本思路 ①预期的蛋白质功能 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 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 多肽链 蛋白质 (三维结构) 思 路 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 二、蛋白质工程的基本原理 二、蛋白质工程的基本原理 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 …… …… 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） 先根据氨基酸序列找到对应的密码子 推测出mRNA上的核糖核苷酸序列 推出一条脱氧核糖核苷酸序列 推出DNA的核苷酸序列 二、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程基本思路的应用 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。 推知mRNA序列为： GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） 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) 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？ 可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 二、蛋白质工程的基本原理 拓展延伸 可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类： （1）大改： 设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质 （2）中改： 在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 （3）小改： 改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基 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？ 二、蛋白质工程的基本原理 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）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 ①都在生物体外对基因进行操作； ②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 基因工程与蛋白质工程的比较 二、蛋白质工程的基本原理 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 三、蛋白质工程的应用 三、蛋白质工程的应用 （一）医药工业方面 1、研发速效胰岛素类似物 定点突变 天然蛋白质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 天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效。 三、蛋白质工程的应用 2.延长干扰素体外保存时间 定点突变 天然干扰素不易保存 改造 新干扰素基因 预期功能 延长保存时间 设计结构 氨基酸替换 一个半胱氨酸变成丝氨酸 推测序列 预期结构 转录 mRNA 折叠 翻译 多肽链 行使功能 在-70℃下可以保存半年 三、蛋白质工程的应用 3.降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 基因融合 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。 三、蛋白质工程的应用 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 （一）医药工业方面（总结） 三、蛋白质工程的应用 （二）他工业方面的运用： 改进酶的性能或开发新的工业用酶 蛋白质工程被广泛用于 或 。 改进酶的性能 开发新的工业用酶 枯草杆菌蛋白酶 枯草杆菌 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。 三、蛋白质工程的应用 （三）农业方面的运用： 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 伊维菌素 伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药 三、蛋白质工程的应用 (1)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。 (2)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。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 及时训练 2.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）蛋白质工程的目的是_______________________________________ _____________________，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 基因改造或基因合成 相反 小结 蛋白质工程 理论基础 技术手段 目标 基本思路 实践应用 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 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 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 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。 药物研发 改进酶的性能或开发新的工业用酶 增加粮食产量、研发新型农药 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 √ 练习与应用 一.概念检测 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 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 练习与应用 二、拓展应用 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。 感谢观看 Lavf59.27.100 EV录屏5.1.3软件录制 Lavf58.33.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制, www.ieway.cn FormatFactory : www.pcfreetime.com $$