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

第4节 蛋白质工程的原理和应用 S z L w h 珠珠的电脑 (珠) - S z L w h 问题∙探讨 最早发现的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，获得能发出其他颜色的荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。 1、科学家利用了什么技术让细菌能发出绿色荧光？ 基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。 2、科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造让细菌能发出黄色荧光？ 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。 S z L w h 一、蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的实际： 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，进而表现出新的遗传特性。 基因工程的不足： 在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 天然蛋白质的不足： 天然蛋白质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。 S z L w h S z L w h 问题∙探讨 结合必修2所学中心法则的有关知识，写出胰岛素的合成过程。 胰岛素基因　　　mRNA 胰岛素 转录 翻译 资料1：1978年，科学家们利用基因工程技术，生产出首个与人胰岛素序列完全相同的胰岛素产品。1982年，第1种重组人胰岛素产品获得批准。人胰岛素逐渐取代动物胰岛素被应用于临床。 胰岛素的三级结构 胰岛素只有形成特定的空间结构，才能具有降血糖的功能。 结构与功能相适应 S z L w h 问题∙探讨 结合必修2所学中心法则的有关知识，写出胰岛素的合成过程。 资料1：1978年，科学家们利用基因工程技术，生产出首个与人胰岛素序列完全相同的胰岛素产品。1982年，第1种重组人胰岛素产品获得批准。人胰岛素逐渐取代动物胰岛素被应用于临床。 胰岛素的三级结构 胰岛素基因　　 mRNA 特定氨基酸序列的多肽链 　　　 具有高级结构的蛋白质　　 行使生物功能 转录 翻译 折叠 胰岛素只有形成特定的空间结构，才能具有降血糖的功能。 S z L w h 资料2：天然胰岛素见效慢，是因为天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，发挥作用。 胰岛素的分子结构示意图 → 空间结构 → 氨基酸序列 功能 见效慢 六聚体 问题∙探讨 S z L w h 资料3：科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。 如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在？ 胰岛素的分子结构示意图 脯氨酸 天冬氨酸 六聚体 单体 问题∙探讨 S z L w h 胰岛素的分子结构示意图 六聚体 单体 方案1：直接改造胰岛素上的氨基酸 方案2：对胰岛素基因进行改造 如果你是科学家，这两种方案你会选择哪种？为什么？ 方案2，工艺简单，产量高 脯氨酸 天冬氨酸 如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在？ 问题∙探讨 S z L w h 胰岛素的分子结构示意图 脯氨酸 天冬氨酸 六聚体 单体 如何有效抑制胰岛素的聚合，使胰岛素以单体的形式存在？ 那么，我们需要对胰岛素基因进行怎样的改造？ 氨基酸序列 已知 新胰岛素基因 结构未知 改造 降低胰岛素的聚合作用 预期功能 空间结构 推测 设计 逆推 问题∙探讨 S z L w h 速效胰岛素 脯氨酸 天冬氨酸 六聚体 单体 脯氨酸 （CCC） 天冬氨酸(GAC) GGG CCC CCC CTG GAC GAC 基因 mRNA 氨基酸 胰岛素 请画出研发速效胰岛素的流程图。 问题∙探讨 S z L w h 请画出研发速效胰岛素的流程图。 氨基酸序列 新胰岛素基因 改造 降低胰岛素的聚合作用 预期功能 三维结构 推测 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸 预期结构 转录 mRNA 折叠 行使 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚合 设计 功能 总结蛋白质工程的概念和原理 问题∙探讨 S z L w h 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。 ①基础： ②操作手段及对象： ③结果： ④目的： ⑤困难： 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 获得满足人类生产和生活需求的蛋白质 蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。 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。 二、蛋白质工程的概念和原理 S z L w h 由预期的蛋白质的功能出发，找到并改变相对应的基因或合成新的基因，即基因表达的逆推。 二、蛋白质工程的概念和原理 S z L w h 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 二、蛋白质工程的概念和原理 S z L w h 二、蛋白质工程的概念和原理 S z L w h 三、蛋白质工程的应用 3.1 医药工业方面 18 （1）研发速效胰岛素类似物 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 预期功能 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 改造 新胰岛素基因 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 推测序列 转录 mRNA 翻译 多肽链 行使功能 速效胰岛素类似物 预期结构 折叠等 阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用 定点突变 S z L w h 三、蛋白质工程的应用 3.1 医药工业方面 （2）延长干扰素体外保存时间 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 定点突变 S z L w h （3）提高蛋白质的热稳定性 第3位上的 异亮氨酸 半胱氨酸 与第97位的半胱氨酸形成-s-s- 定点突变 三、蛋白质工程的应用 3.1 医药工业方面 S z L w h （4）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 3.1 医药工业方面 S z L w h 三、蛋白质工程的应用 3.2 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。 3.3 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。 S z L w h 练习∙反馈 1.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 S z L w h 练习∙反馈 2.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 S z L w h 谢谢观看! S z L w h 珠珠的电脑 (珠) - Lavf57.62.100 EVCapture4.2.3软件录制 Lavf57.25.100 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 EVCapture4.2.3软件录制 Lavf57.25.100 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 $$