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3章 基因工程 我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程中，常常会受到一些害虫的侵袭，其中以棉铃虫最为常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之一，严重时，甚至能使一片棉田绝收。大量施用农药杀虫不仅会提高生产成本，还可能造成农产品和环境的污染。要是能培育出自身就能抵抗虫害的棉花新品种，这一问题就会迎刃而解，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉就是在这样的背景下产生的。为什么传统的杂交育种方法培育不出抗虫棉，基因工程却可以呢？基因工程是如何进行操作的？它给我们的生产和生活带来了怎样的影响？ 第4节 蛋白质工程的原理和应用 02 概述蛋白质工程的基本原理。 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。 说出蛋白质工程崛起的缘由。 目标 01 03 学习目标 3 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。 用细菌“画画” 从社会中来 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。 这种对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的 那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 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: 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 2、操作方法及对象: 改造或合成基因 3、结果: 改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质 4、目的: 满足人类生产和生活的需求 5、与基因工程的关系: 6、相关学科及技术： 分子生物学、晶体学和计算机技术 一、蛋白质工程的概念 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。 将一种生物的______转移到另一种生物体内， 后者可以产生它____________________，进而表现出__________。 1、基因工程的实质： 基因 本不能产生的蛋白质 新的性状 2、基因工程的不足：__________________________________________。 原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质 3、蛋白质工程崛起的缘由： (2)天然蛋白质是生物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； 二、蛋白质工程崛起的缘由 (1)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质 玉米中赖氨酸的含量比较低 举例： 天冬氨酸 赖氨酸 天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶 抑制 （很难提高） 怎么解决这个问题？ 一、蛋白质工程崛起的缘由 7 天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶 第352位: 苏氨酸 异亮氨酸 变成 第104位: 天冬酰胺 异亮氨酸 变成 就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 一、蛋白质工程崛起的缘由 8 目标 原理 实质 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。 由于基因决定蛋白质，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。 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。 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； 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； （一）蛋白质工程的目标、原理和实质： 三、蛋白质工程的基本原理 （二）天然蛋白质合成过程： 基因 mRNA 转录 翻译 具有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 盘曲 折叠 按照中心法则进行 三、蛋白质工程的基本原理 多肽链 （三）蛋白质工程的基本设计思路： 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获得所需要的蛋白质 预期功能 生物功能 目的基因 mRNA 思 路 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 三、蛋白质工程的基本原理 蛋白质 (三维结构) 改造或合成 设计 转录 翻译 折叠 行使 推测 蛋白质工程基本思路的应用 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 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 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 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) 共 种可能序列 32 蛋白质工程基本思路的应用 思考·讨论 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？ 蛋白质工程基本思路的应用 思考·讨论 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。 异想天开 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。 1.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一 B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质 C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、 生活的需要 D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质 进行改造 巩固训练 B 2.蛋白质工程的基本操作程序正确的是（ ） ①设计预期的蛋白质结构 ②找到相对应的脱氧核苷酸的序列 ③推测应有的氨基酸的序列 ④蛋白质的预期功能 A．①→②→③→④ B．④→③→②→① C．④→①→③→② D．②→③→①→④ 巩固训练 C 3.科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位 的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬 酰胺变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是(　　) A.直接改造这两种酶的空间结构 B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造 C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变 D.利用基因工程技术，对控制这两种酶合成的基因进行改造 巩固训练 D 4.目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光 蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确 顺序是(　　) ①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　 ③合成蓝色荧光蛋白基因　 ④表达出蓝色荧光蛋白 A.①②③④ B.②①③④ C.②③①④ D.④②①③ 蛋白质工程有哪些应用呢？ 巩固训练 B 四、蛋白质工程的应用 (一)医药工业方面： 实例一：研发速效胰岛素类似物 四、蛋白质工程的应用 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 预期结构 改造 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 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 实例二：延长干扰素体外保存时间 四、蛋白质工程的应用 天然干扰素不易保存 预期结构 改造 基因 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 (一)医药工业方面： 实例三：降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 四、蛋白质工程的应用 通过________，将小鼠抗体上_______ 的区域（即______）“嫁接”到_______ （即_______）上，经过这样改造的抗体___________________________。 改造基因 结合抗原 可变区 人的抗体 恒定区 诱发免疫反应的强度就会降低很多 (一)医药工业方面： (二)其他工业方面的应用： 广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 例如：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。 (三)农业方面的应用： 第二 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。 第一 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； 四、蛋白质工程的应用 1、蛋白质工程难度很大的主要原因： 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。 五、蛋白质工程现状 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。 由计算机建立的 血红蛋白三维结构模型 异想天开 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。 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作水平 操作流程 结果 实质 联系 基因 基因 DNA分子水平 DNA分子水平 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 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 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，进而表现出新的性状 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蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。 预期蛋白质功能 目的基因 小结：蛋白质工程和基因工程的比较 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 如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？ 练习与应用 29 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 √ 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 一、概念检测 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 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。 二、拓展应用 谢谢聆听! 同学们辛苦啦！ 34 Lavf57.62.100 FormatFactory : www.pcfreetime.com $