3.4蛋白质工程的原理和应用课件-2025-2026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 PPT模板下载：www.1ppt.com/moban/ 行业PPT模板：www.1ppt.com/hangye/ 节日PPT模板：www.1ppt.com/jieri/ PPT素材下载：www.1ppt.com/sucai/ PPT背景图片：www.1ppt.com/beijing/ PPT图表下载：www.1ppt.com/tubiao/ 优秀PPT下载：www.1ppt.com/xiazai/ PPT教程： www.1ppt.com/powerpoint/ Word教程： www.1ppt.com/word/ Excel教程：www.1ppt.com/excel/ 资料下载：www.1ppt.com/ziliao/ PPT课件下载：www.1ppt.com/kejian/ 范文下载：www.1ppt.com/fanwen/ 试卷下载：www.1ppt.com/shiti/ 教案下载：www.1ppt.com/jiaoan/ 字体下载：www.1ppt.com/ziti/ 1 在正常人体内，血液中胰岛素的含量通常在进食后30、60分钟就达到高峰。而基因工程生产的重组人胰岛素制剂，注射120分钟后才出现高峰，起效较慢。 重组人胰岛素 重组人胰岛素 由于胰岛素制剂中胰岛素浓度较高，容易聚合成二聚体或六聚体，难以通过毛细血管壁进入血浆，运输到全身各处，与靶细胞结合发挥作用。 思考：为什么重组人胰岛素起效慢？ 资料1：胰岛素B链的羧基端B23～B28形成疏水平面，在水溶液中，2个胰岛素单体的疏水区域结合，形成胰岛素二聚体。不同氨基酸的R基不同，其亲、疏水性是不一样的，改变1个氨基酸就可能改变蛋白质某个区域的亲疏水性。B24～B26为胰岛素与其受体结合的重要位点。 改造重组人胰岛素 B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 思考：结合资料，为降低人胰岛素的聚集，应如何改造蛋白质？请在下图中确定1个改造位点，选择合适的氨基酸替换方案。 B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 思考：结合资料，为降低人胰岛素的聚集，应如何改造蛋白质？请在下图中确定1个改造位点，选择合适的氨基酸替换方案。 资料2：要防止2个胰岛素单体的疏水区域结合，既可以考虑破坏该区域的疏水结构，还可以考虑同种电荷相互排斥。由于胰岛素分子表面存在一些带负电的残基，新引入带正电荷的氨基酸可能会与它们发生错误的分子内吸引，导致自身结构异常折叠。在选择新的氨基酸时，新的氨基酸侧链更长，更可能产生不可预期的副作用。 改造重组人胰岛素 B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 思考：结合资料，为降低人胰岛素的聚集，应如何改造蛋白质？请在下图中确定1个改造位点，选择合适的氨基酸替换方案。 B23：Gly（‌甘氨酸），pH7.2下带负电荷‌，亲水性 B27：Thr（苏氨酸），pH7.2下带负弱负电，亲水性 B28：Pro（脯氨酸），pH7.2下带负弱带负电，疏水性 常规胰岛素通过皮下注射的方式进入人体内，皮下pH值约为7.2～7.4。 1、换成更亲水的氨基酸 2、换成带负电的氨基酸 3、换成R基更短的氨基酸 天（门）冬氨酸 改造重组人胰岛素 思考：确定了改造位点并找到了合适的氨基酸后，改造重组人胰岛素还需要考虑什么因素呢？ 改造重组人胰岛素 蛋白质的结构是否发生改变 SWISS-MODEL FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKA D 改造重组人胰岛素 B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 天（门）冬氨酸 改造重组人胰岛素——速效胰岛素 B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 根据胰岛素的结构特征，还研制出了其他种类的速效胰岛素并进入临床使用。 赖脯胰岛素 B28位脯氨酸与B29位的赖氨酸 交换位置 损害二聚体形成 谷赖胰岛素 B3天冬酰胺换为赖氨酸，B29赖氨酸转化为谷氨酸 减弱无Zn情况下的自聚集 思考：如何制备大量改造后的蛋白质呢？ 重组人胰岛素 改变胰岛素基因 思考：为什么改造基因而不是直接改造蛋白质？ 蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； 蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； 基因可以遗传，蛋白质无法遗传。 改造重组人胰岛素——速效胰岛素 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 改造 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸 新胰岛素基因 构建 表达载体 预期功能 降低胰岛素的聚合作用 设计结构 改变B链第23～28位 氨基酸组成 推测序列 导入 受体细胞 有效抑制胰岛素的聚合 检测 鉴定 改变 密码子 替换基因中的碱基 基因的 定点突变技术（PCR） 12 一、蛋白质工程 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。 基础： 途经： 操作对象： 目的： 地位： 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 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 基因 分子生物学、晶体学和计算机技术 基因突变 二、蛋白质工程的基本原理 基本思路： 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 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，最终通过改造或合成基因来完成。 实质： 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） 目标： 基因工程和蛋白质工程 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 定向改造生物的遗传特性，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）或合成新的基因→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 基因工程和蛋白质工程 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 1、医药工业 天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合。 天然蛋白质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 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 研发速效胰岛素类似物 1、医药工业 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃的条件下，可保存半年。解决了干扰素体外保存困难的问题。 延长干扰素体外保存时间 天然干扰素不易保存 预期结构 一个半胱氨酸变成丝氨酸 新干扰素基因 mRNA 延长保存时间 氨基酸替换 多肽链 在-70℃下可以保存半年 转录 折叠 行使功能 翻译 改造 预期功能 设计结构 推测序列 三、蛋白质工程的应用 1、医药工业 科学家通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低。 降低免疫排斥 三、蛋白质工程的应用 三、蛋白质工程的基本原理 2、其它工业方面 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。 从头设计蛋白的高分辨晶体结构（天蓝色）与设计模型（绿色）比较。 我国科学家建立蛋白质设计新方法 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 玉米中赖氨酸的含量较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶---天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。 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 玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 改造 改造 含量提高5倍 含量提高2倍 提高玉米赖氨酸含量 3、农业方面 三、蛋白质工程的应用 3、农业方面 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。 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 三、蛋白质工程的应用 三、蛋白质工程的应用 蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。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。 AlphaFold是由DeepMind开发的人工智能算法，这款荣获2024年诺贝尔奖认可的AI工具，能够较为精准地预测蛋白质的3D结构。它将人工智能技术与生物物理知识深度结合，显著提升了蛋白质结构的预测精度，在生物科学和医学研究中产生了广泛应用和深远影响。 从AlphaFold 1到AlphaFold 3，结合人工智能的蛋白质结构预测算法不断突破技术瓶颈，大幅提升了预测的精度和效率。目前蛋白质结构预测仍处在一个不断发展的阶段，未来的技术改进将进一步缩短药物发现和开发的时间与成本。 AlphaFold Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $