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 1 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 一、学习目标 二、重难点 1.蛋白质工程的基本原理。 2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、 生产目标蛋白的过程。 3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、 生产目标蛋白的过程。 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。 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 从社会中来 绿色荧光蛋白结构 绿色荧光蛋白功能 相互关系 改造绿色荧光蛋白基因 黄色荧光蛋白功能 表达 依据 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。 4 ①基础：_______________________________________________ ②途经：___________________ ③操作对象：______ ④目的：_______________________________________________________________ _____________ ⑤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 在分子生物学、晶体学和计算机技术 基因 思考：为什么要研究蛋白质工程呢？ 一、蛋白质工程崛起的缘由 概念： 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已存在（天然）的蛋白质。 基因重组 这些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 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 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。 6 二、实例： 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 一、蛋白质工程崛起的缘由 7 二、蛋白质工程的基本原理 对天然的蛋白质进行改造，为什么不是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现的？ ①基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质； ②改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； ③改造基因比改造蛋白质更容易操作。 蛋白质工程的思路是什么？ 蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；并且无法遗传,蛋白质由基因编码，改造基因可以间接改造蛋白质；基因可以遗传。 8 回顾：天然蛋白质合成过程： 按照中心法则进行 基因 表达 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 转录 翻译 二、蛋白质工程的基本原理 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 蛋白质工程的基本设计思路： 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 蛋白质 （三维结构） 行使 生物功能 预期功能 设计 推测 改造或合成 起点： 目的： 终点： 实质： 前提： 蛋白质的预期功能 了解蛋白质结构和功能的关系 获得大量的改造后的蛋白质 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。 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，通过改造或合成基因，获得相关的蛋白质。 蛋白质工程关键技术：基因工程 又称第二代基因工程 蛋白质工程的基本思路： 11 【思考∙讨论】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 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 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： 推知mRNA序列为： 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）。 GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） 共 种可能序列 32 【思考∙讨论】蛋白质工程基本思路的应用 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 已知某多肽链的一段氨基酸序列是： 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。 GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G） UUU(或C) mRNA序列 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) 【思考∙讨论】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 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 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？ 学科交叉 蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 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。 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 14 二、蛋白质工程的基本原理 四、蛋白质工程的难点 蛋白质工程是一项难度很大的工程。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 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。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。 主要原因 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是十分复杂、难度很大的工程。 前景展望 15 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 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 例1、蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种 ①进行少数氨基酸的替换 ②对不同来源的蛋白质的拼接 ③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序 ④直接改变蛋白质的空间结构 A．①③④ B．①②③ C．②③④ D．①②④ B 例2、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 D 不能直接改变 18 例．蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。如图表示蛋白质工程的流程。下列有关叙述错误的是(　 　) A．蛋白质工程就是根据人们需要，直接对蛋白质进行加工改造 B．蛋白质工程是通过基因改造或基因合成等方法，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质 C．①②过程为转录和翻译 D．蛋白质工程是从④开始的 A 三、蛋白质工程的应用 一、在医药工业方面 1.实例1：研发速效胰岛素类似物 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 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 20 三、蛋白质工程的应用 2.实例2：延长干扰素体外保存时间 天然干扰素 （体外保存困难） 改造后的干扰素 （-70℃可保存半年） 半胱氨酸 丝氨酸 干扰素在体外保存相当困难 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸 在-70℃下干扰素可保存半年 21 三、蛋白质工程的应用 3.实例3：制备人鼠嵌合抗体 小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。 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。 22 三、蛋白质工程的应用 一、在医药工业方面 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 23 三、蛋白质工程的应用 二、在其他工业方面 枯草杆菌蛋白酶突变体 枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用， 因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 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。 24 三、蛋白质工程的应用 三、在农业方面 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 25 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? 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。 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。 26 课堂小结 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 27 $$