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选择性必修3

从社会中来 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。 1. 科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？ 基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白基因。 2.科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 最早被发现是绿色荧光蛋白，科学家通过对蛋白质分子的设计和改造，获得了黄色荧光蛋白等。在细胞生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有重要应用。 第3章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用 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？ 阅读教材P93-95，思考并回答下列问题： 自主探究（思） 1.蛋白质工程的基础、操作方法、目的分别是什么？ 2、基因工程的实质、缺陷？天然蛋白质的缺陷？举例说明如何提高玉米赖氨酸含量？ 3.蛋白质工程的目标是什么？为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ 4.天然蛋白质合成的过程是什么？构建出蛋白质工程的基本思路。 5.举例说明蛋白质工程的应用表现在哪些方面？ 蛋白质工程 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。 理论和技术： 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 分子生物学、晶体学和计算机技术 概念： 基础： 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。 操作方法及对象： 改造或合成基因。 目的： 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。 与基因工程的关系： 蛋白质工程的基础、操作方法、目的分别是什么？ 1、基因工程实质： 基因工程实质是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。 2、基因工程缺陷： 基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。 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。 一.蛋白质工程崛起的缘由 3、天然蛋白质的缺陷： 玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 4、实例：提高玉米赖氨酸含量 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 基因工程的实质、缺陷？天然蛋白质的缺陷？举例说明如何提高玉米赖氨酸含量？ 二.蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的目标是什么？ 目标是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。由于基因决定蛋白质，因此，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。 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，基因结构相对简单，容易改造； 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； 目标： 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。 实质： (生产出自然界没有的蛋白质。) 二.蛋白质工程的基本原理 2.天然蛋白质合成过程： 天然蛋白质合成的过程是什么？构建出蛋白质工程的基本思路。 按照中心法则进行： 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。 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。 3、蛋白质工程的基本思路 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) 定点诱变法的过程示意图 引物 突变 DNA聚合酶 DNA连接酶 受体细胞 转录 突变 蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质三维结构模型； 要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体的结构； 要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 归纳总结定点诱变技术 项目 内容 条件 原料 酶 引物 操作方法 结果 适用范围 特点 4种脱氧核苷酸 DNA聚合酶和DNA连接酶 含突变位点的DNA分子片段 先通过PCR扩增已获得定点突变的基因，再通过基因工程将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译合成所需的蛋白质 后代中半数为诱变的DNA分子 空间结构完全清楚的蛋白质，进行“小改” 定点诱变有目的性和针对性 思考讨论：蛋白质工程基本思路的应用 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。 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） 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 查密码子表得知： 推知mRNA序列为： GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） 共 种可能序列， 32 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。 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） 进一步推知脱氧核苷酸序列为： 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 定点突变 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 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 转录 1、医药工业方面： 实例1：研发速效胰岛素类似物 举例说明蛋白质工程的应用表现在哪些方面？ 三.蛋白质工程的应用 定点突变 1、医药工业方面： 实例2：延长干扰素体外保存时间 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 干扰素是动物体内的一种蛋白质体，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存却相当困难。 三.蛋白质工程的应用 1、医药工业方面： 实例3：降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 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 2、其他工业方面： 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。 枯草杆菌 枯草杆菌蛋白酶 3、农业方面 ①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)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。 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 实质 操作流程 结果 应用及现状 联系 基因 基因 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要蛋白质 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 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蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质 预期蛋白质功能 目的基因 蛋白质工程和基因工程的比较 基因重组 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造 ②蛋白质高级结构非常复杂，对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破 已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化 蛋白质工程 课堂小结 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 2.科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述不正确的是(　　) A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用 B．可通过测定DNA的序列确定突变是否成功 C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 D．该过程的操作对象是胰岛素分子 D　 3.扰素在体外保存非常困难。干扰素由166个氨基酸组成，如果将其分子上第17位的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在70 ℃的条件下可以保存半年。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，下列思路最可行的是(　　) A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因 B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因 C．直接改造mRNA，进行密码子的替换 D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换 B　 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 B 课后练习（检） 4.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 课后练习（检） 5.IKK激酶参与动物体内免疫细胞的分化。临床上发现某重症联合免疫缺陷(SCID)患儿IKK基因编码区第1183位碱基T突变为C,导致IKK上第395位酪氨酸被组氨酸代替。为研究该患儿发病机制,研究人员利用纯合野生鼠应用大引物PCR定点诱变技术培育出SCID模型小鼠(纯合),主要过程如图甲、乙。分析回答: (1)在PCR反应体系中,需加入引物、IKK基因、缓冲液、Mg2+等外,还需加入　　　　 、 　 等。  (2)在图甲获取突变基因过程中,需要以下3种引物:则PCR1中使用的引物有　　　　　　,PCR2中使用的引物有　　　和图中大引物的　　　(填“①”或“②”)链。   (3)PCR的反应程序:94 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 50 s,30个循环。在循环之前的94 ℃ 3 min处理为预变性;循环中72 ℃处理的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。   (4)研究人员经鉴定、筛选获得一只转基因杂合鼠F0,并确认突变基因已经稳定同源替代IKK基因,请你设计完成获得SCID模型鼠的实验步骤: ①杂交亲本:　　　　　　　　,杂交得F1;  ②F1雌、雄鼠随机交配得F2; ③提取F2每只小鼠的基因组DNA,采用分子生物学方法,利用IKK基因探针和突变基因探针进行筛选, 则　　　 　　 　　 　　 　　　 　　 　 的为模型鼠。  耐高温DNA聚合酶 引物A和引物B 引物C ② 耐高温的DNA聚合酶从引物起始进行互补链合成 F0×野生鼠 IKK基因探针检测未出现杂交带,突变基因探针检测出现杂交带 引物A 5'—CCCCAACCGGAAAGTGTCA—3' (下划线字母为突变碱基) 引物B 5'—TAAGCTTCGAACATCCTA—3' (下划线部分为限制酶HindⅢ识别序列) 引物C 5'—GTGAGCTCGCTGCCCCAA—3' (下划线部分为限制酶SacⅠ识别序列) 4种脱氧核苷酸(dNTP) 课后练习（检） 6.科学家通过利用PCR定点突变技术改造Rubisco酶基因，提高了光合作用过程中Rubisco酶对CO2的亲和力，从而显著提高了植物的光合作用速率，请回答下列问题： （1）PCR过程所依据的原理是______________________，该过程需要加入的酶是_______________________________。利用PCR技术扩增目的基因的前提是要有一段已知目的基因的核苷酸序列，以便根据这一序列合成_______。 （2）该技术不直接改造Rubisco酶，而通过对Rubisco酶基因进行改造，从而实现对Rubisco酶的改造，其原因是______________________________________。和传统基因工程技术相比较，定点突变技术最突出的优点是_______________________________，PCR定点突变技术属于____________的范畴. （3）可利用定点突变的DNA构建基因表达载体，常用__________________将基因表达载体导入植物细胞，将该细胞经植物组织培养技术培育成幼苗，从细胞水平分析所依据的原理是__________________________。 DNA双链复制 耐高温的DNA聚合酶（或Taq酶） 引物 能生产出自然界不存在的蛋白质 蛋白质空间结构较为复杂，改造困难 蛋白质工程 农杆菌转化法 植物细胞的全能性 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。 ( ) × × √ 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 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。 练习与应用 $$