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

1944年，艾弗里（O. Avery，1877-1955)等人通过肺炎双球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是DNA，还证明了DNA可以在同种生物的不同个体之间转移。 1950年，埃德曼（P. V. Edman，1916-1977）发明了一种测定氨基酸序列的方法。2年后，桑格（F. Sanger，1918-2013）首次完成了胰岛素氨基酸序列的测定。 1958年，梅塞尔森（M. Meselson，1930-）和斯塔尔（F. W. Stahl。1929-）用实验证明了DNA的半保留复制。随后不久，克里克提出中心法则。 1961年，尼伦伯格（M. W. Nirenberg，1927-2010）和马太（J. H. Matthaei，1929-）破译了第一个编码氨基酸的密码子，截止1966年64个密码子均倍破译。 1967年，科学家发现，在细菌拟核DNA之外的质粒具有自我复制能力，并可在细菌细胞间转移。 20世纪70年代初，多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现。这些发现为DNA的切割、链接及功能基因的获得创造了条件。 1972年，伯格（P. Berg，1926-）首先在体外进行了DNA改造的研究，成功构建了第一个体外重组DNA分子。 1973年，科学家证明质粒可以作为基因工程的载体，构建重组DNA，导入受体细胞，使外源基因在原核细胞中成功表达，并实现物种间的基因交流，基因正式问世。 1953年，沃森（J. D. Watson，1928-）和克里克（F. Crick，1916-2004）建立了双螺旋结构模型并提出了 遗传物质自我复制的假说。 1970年，科学家在细菌中发现了第一个限 制性内切核酸酶（简称限制酶）。 1 1977年，桑格等科学家发明了DNA序列分析的方法，为基因序列图的绘制提供了可能。 1982年，第一个基因工程药物——重组人胰岛素被批准上市。基因工程药物成为世界各国研究和投资开发的热点。 1983年，科学家采用农杆菌转化法培育出世界上第一例转基因烟草。此后，基因工程进入了迅速发展的阶段。 1984年，我国科学家朱作言（1941-）领导的团队培育出设计上第一条转基因鱼。 1985年，穆里斯（K. Mullis，1944-）等人发明了PCR，为获取目的基因提供了有效手段。 1990年，人类基因组计划启动。2003年该计划的测序任务顺利完成。 2013年，华人科学家张锋（1982-）及其团队首次报道了利用最新的基因编辑技术——CRISPR（成簇规律间隔短回文重复）技术编辑了哺乳动物基因组。该技术可以实现对特定基因的定点插入、敲除或替换。 21世纪以来，科学家发明了多种高通量测序技术，可是实现低成本测定大量核酸序列，加速了人们对基因组序列的了解。 2 你见过用细菌画画吗？左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，是因为它们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。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 从社会中来 第4节 蛋白质工程 第三章 基因工程 一、蛋白质工程崛起的缘由 二、蛋白质工程的基本原理 三、 蛋白质工程的应用 生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生的，它的结构和性能不能完全满足人类生产生活的需要。 例如：干扰素是动物体内的一种蛋白质是一种抗病毒抗肿瘤的药物，但在体外保存相当困难。于是我们要对现有的蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们由开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。 3．天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合生存的需要，却不一定完全符合______________的需要。 1．基因工程的实质：将一种生物的_________转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的_______，进而表现出_________。 2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界_________的蛋白质。 一、蛋白质工程崛起的缘由 基因 蛋白质 新的性状 已存在 人类生产和生活 例如： 改 造 干扰素（半胱氨酸） 体外很难保存 干扰素（丝氨酸） 体外可以保存半年 玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 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 改造 改造 一、蛋白质工程崛起的缘由 蛋白质的结构是由其氨基酸组成决定的，个别氨基酸的改变就会导致其结构的改变，从而影响到其性质和功能。 一、蛋白质工程崛起的缘由 二、蛋白质工程的基本原理 三、 蛋白质工程的应用 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 蛋白质工程属于第二代基因工程 二、蛋白质工程的基本原理 10 翻译 DNA分子 蛋白质 转 录 翻 译 mRNA分子 转录 二、蛋白质工程的基本原理 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 流程：预期蛋白质功能→设计预期的_____________→推测应有的_________序列→找到相对应的_________序列(基因)。 蛋白质工程的流程： 蛋白质结构 氨基酸 脱氧核苷酸 二、蛋白质工程的基本原理 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 分子设计 DNA合成 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白 基因合成或改造 质的结构进行分子设计　 相反 项目 基因工程 蛋白质工程 操作起点 操作核心 过程 目标 结果 联系 目的基因 预期的蛋白质功能 基因表达载体 基因 获取目的基因→ 构建表达载体→ 导入受体细胞→ 目的基因的检测与表达 预期蛋白质功能→ 设计蛋白质结构→ 推测氨基酸序列→ 推测核苷酸序列→ 合成DNA →表达出蛋白质 定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品 定向改造或生产人类所需的蛋白质 生产自然界中已有的蛋白质 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。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。 生产自然界没有的蛋白质 一、蛋白质工程崛起的缘由 二、蛋白质工程的基本原理 三、 蛋白质工程的应用 1.在医药工业方面 ①研发速效胰岛素类似物已经在临床上广泛应用 胰岛素 速效胰岛素 三、蛋白质工程的应用 16 ②人鼠嵌合抗体 人鼠嵌合抗体 既保持抗体的特异性和亲和力，又大大减少了在人体内的免疫原性。 三、蛋白质工程的应用 1.在医药工业方面 17 2.其他工业方面 改进酶的性能或开发新的工业用酶 枯草杆菌蛋白酶 治癌酶的改造： HSV-TK自杀基因的原理。(A) HSV-TK在肿瘤细胞中诱导细胞毒性和凋亡。(I) 编码胸苷激酶的 HSV-1 TK 基因被递送至靶细胞。HSV-1 胸苷激酶和细胞激酶的表达允许前药 (GCV) 在细胞中被激活为有毒药物 (GCV-TP) 并破坏靶细胞的 DNA。（Ⅱ）基因治疗通过激活靶细胞中的p53信号通路诱导内源性细胞凋亡。（Ⅲ）基因治疗诱导外源性细胞凋亡。(B)旁观者效应导致相邻细胞死亡。 三、蛋白质工程的应用 疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使一些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力提高20倍以上。 18 3.农业方面 ①改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的效率，增加粮食产量。 ②设计优良的微生物农药，改造微生物的蛋白质结构，使其防治病虫害的效果增强。 ACS Catalysis封面文章：微生物所吴边团队通过计算机蛋白质设计实现温和条件下微塑料的生物降解 三、蛋白质工程的应用 19 第4节 蛋白质工程 第三章 基因工程 $$