蛋白质工程的原理和应用【 知识精讲+ 能力提升 】 高二生物 （人教版2019选择性3）

你见过用细菌画画吗？而且是带色彩的！为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？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改造黄色荧光蛋白及其他颜色的荧光蛋白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。这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤如何改造蛋白质？第3章第4节人教版选择性必修3目录CONTENTS蛋白质工程的基本原理2/蛋白质工程崛起的缘由1/蛋白质工程的应用3/01蛋白质工程崛起的缘由一蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实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。抗虫棉Bt抗虫蛋白苏云金杆菌体外导入载体棉花细胞的DNA不进行切割重组DNADNA连接酶限制酶只能生产自然界中已存在的蛋白质一蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实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。2.基因工程的不足基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质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。02蛋白质工程的基本原理二蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的概念：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。二蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的概念：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。蛋白质工程的目标：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。蛋白质工程的实质：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。它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。问:为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？二蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的概念：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。蛋白质工程的目标：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。蛋白质工程的实质：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。它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。问: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；二蛋白质工程的基本原理2.天然蛋白质合成的过程：目的基因转录mRNA翻译多肽链折叠蛋白质（三维结构）行使生物功能二蛋白质工程的基本原理2.天然蛋白质合成的过程：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3.蛋白质工程的基本思路：预期功能设计推测改造或合成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。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。二蛋白质工程的基本原理2.天然蛋白质合成的过程：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3.蛋白质工程的基本思路：预期功能设计推测改造或合成①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质通过具体实例来熟悉蛋白质工程基本思路的应用①预期蛋白质的功能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①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质资料分析：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，而目前使用的基因工程生产的胰岛素制剂，注射120分钟才出现高峰。科学家研究发现，胰岛素分子容易聚合成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往需要经历一个逐渐解聚为单体的过程。胰岛素六聚体胰岛素单体①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质资料分析：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，而目前使用的基因工程生产的胰岛素制剂，注射120分钟才出现高峰。科学家研究发现，胰岛素分子容易聚合成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往需要经历一个逐渐解聚为单体的过程。预期蛋白质的功能：科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用并得到速效胰岛素类似物产品。胰岛素六聚体胰岛素单体①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术手段，充分了解胰岛素的空间结构。①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术手段，充分了解胰岛素的空间结构。研究发现，调换胰岛素B链B28脯氨酸和29位B29赖氨酸，或者将B28脯氨酸替换为天冬氨酸，可以保持天然胰岛素的主要构象，同时能降低分子自聚力，显著抑制单聚体聚集，大大增加了吸收速率。B28脯氨酸B29赖氨酸如何设计？①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质研究发现，调换胰岛素B链B28脯氨酸和29位B29赖氨酸，或者将B28脯氨酸替换为天冬氨酸，可以保持天然胰岛素的主要构象，同时能降低分子自聚力，显著抑制单聚体聚集，大大增加了吸收速率。B28脯氨酸B29赖氨酸如何设计？B28赖氨酸B29脯氨酸①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质天然胰岛素B链部分氨基酸序列：酪氨酸苏氨酸脯氨酸赖氨酸苏氨酸设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质天然胰岛素B链部分氨基酸序列：酪氨酸苏氨酸脯氨酸赖氨酸苏氨酸设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29mRNAmRNA①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质天然胰岛素B链部分氨基酸序列：酪氨酸苏氨酸脯氨酸赖氨酸苏氨酸设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29mRNAmRNA由于人胰岛素B链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。翻译翻译转录天然胰岛素对应的部分基因：改造后应得到的基因序列：转录由于人胰岛素B链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。天然胰岛素B链部分氨基酸序列：酪氨酸苏氨酸脯氨酸赖氨酸苏氨酸设计后胰岛素B链部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29mRNAmRNA翻译翻译转录天然胰岛素对应的部分基因：改造后应得到的基因序列：转录由于人胰岛素B链基因较短，按照设计好的编码序列进行化学合成，是获取这种突变型目的基因的首选方法。待突变位点常规下游引物突变上游引物进行PCR产物作为下一轮PCR的大引物天然胰岛素对应的部分基因：待突变位点常规下游引物突变上游引物进行PCR产物作为下一轮PCR的大引物进行PCR待突变位点下游大引物常规上游引物天然胰岛素对应的部分基因：待突变位点常规下游引物突变上游引物进行PCR产物作为下一轮PCR的大引物进行PCR待突变位点下游大引物常规上游引物进行PCR天然胰岛素对应的部分基因：待突变位点PCR合成的人胰岛素突变基因①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质获得所需蛋白质：酪氨酸苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸B28B29mRNA翻译改造后得到的基因序列：转录①预期蛋白质的功能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获得所需蛋白质目前，科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。03蛋白质工程的应用三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1、医药工业方面（1）研发速效胰岛素类似物三蛋白质工程的应用天然干扰素不易保存预期结构改造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1、医药工业方面（2）延长干扰素体外保存时间三蛋白质工程的应用通过改造基因，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。1、医药工业方面（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应3、农业方面三蛋白质工程的应用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。（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。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→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→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练习与应用一、概念检测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。（）xx√练习与应用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