3.4蛋白质工程的原理和应用课件高二下学期生物人教版选择性必修3

蛋白质空间结构蛋白质空间结构蛋白质工程优质食物蛋白3.4蛋白质工程的原理和应用

学习目标1.结合生产、生活的需求和基因工程的局限性，说出蛋白质工程崛起的缘由（生命观念、社会责任）。2.通过回顾中心法则概述蛋白质工程的基本原理（科学思维）。3.联系生活实际与基因工程的基本知识，尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程（科学思维、社会责任）。学习重难点教学重点：蛋白质工程的基本原理；依据人类需要对原有蛋白质进行基因改造、生产目标蛋白的过程。教学难点：蛋白质工程的基本原理；依据人类需要对原有蛋白质进行基因改造、生产目标蛋白的过程。从社会中来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的应用。科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢?绿色荧光蛋白如何改造成黄色荧光蛋白？蛋白质工程的概念对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。蛋白质工程：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手段：③结果：④目的：蛋白质的结构规律与生物功能关系回顾旧知种类蛋白质氨基酸多肽脱水缩合盘曲折叠C、H、O、N等元素组成21种（13+8）结构通式氨基酸的种类、数量、排列顺序、肽链的空间结构结构多样性功能结构成分催化（酶）运输功能免疫调节功能多样性生命活动的主要承担者CCOOHHH2NR基本单位蛋白质工程的概念对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。蛋白质工程：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手段：③结果：④目的：蛋白质的结构规律与生物功能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满足人类生产和生活需求蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的，又叫作第二代基因工程。PART01蛋白质工程崛起的缘由●基因工程的局限性●举例：提高玉米中赖氨酸含量蛋白质工程崛起的缘由为什么要进行蛋白质工程的研究呢？天然蛋白质不能满足人类需求。基因工程具有局限性：本质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以生产它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。只能生产自然界中已存在的蛋白质。例如：将苏云金杆菌的Bt基因转移到棉花细胞内，使棉花产生Bt毒蛋白，进而表现出抗虫特性。天然的蛋白质是生物长期进化过程中形成的，结构和功能符合特定物种需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。例如：天然玉米中的赖氨酸含量较低。蛋白质工程崛起的缘由基因工程手段：提高玉米中赖氨酸的含量来满足人类生活需求。将赖氨酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高赖氨酸的含量，提高营养价值。例如：蛋白质A和蛋白质B均由8个氨基酸单体组成蛋白质A：蛋白质B：那么蛋白质B的赖氨酸含量多，可以对应找到编码蛋白质B的基因作为目的基因导入玉米中。表示赖氨酸蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程手段：提高玉米中赖氨酸的含量来满足人类生活需求。玉米中赖氨酸合成受两种关键酶：天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶影响，改造这两种酶，使赖氨酸含量提高。天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶+赖氨酸合成（＋）赖氨酸含量达到一定浓度（－）（－）天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶+赖氨酸合成（＋）赖氨酸含量提高第352位苏氨酸变成异亮氨酸第104位天冬酰胺变成异亮氨酸↑5倍↑2倍改造前改造后PART02蛋白质工程的基本原理●蛋白质工程的基本思路●蛋白质工程基本思路的应用蛋白质工程的基本原理目标：根据对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。直接对蛋白质进行改造？蛋白质功能执行依赖于正确的高级结构，而蛋白质的高级结构非常复杂，改造难度大且不能遗传。对决定蛋白结构的基因改造？任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造。合成和改造脱氧核苷酸序列比较容易。改造基因可以遗传给下一代。

对蛋白质结构改造最终必须通过改造或合成基因来完成。回顾旧知转录翻译蛋白质DNA复制RNA逆转录复制中心法则TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻译转录天然的蛋白质合成过程时按照中心法则来进行的：形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能蛋白质工程的基本思路蛋白质工程与天然蛋白质的合成方向相反：TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻译转录形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能预期的蛋白质新功能设计预期的新蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测应有的脱氧核苷酸序列合成新基因或改变原来脱氧核苷酸序列转录出新的mRNA序列翻译出新的蛋白质行使蛋白质预期功能蛋白质工程基本思路的应用

某一段多肽链的一段氨基酸序列是：…………丙氨酸色氨酸赖氨酸谷氨酸氨苯丙酸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。查找氨基酸和密码子对照表，可知：丙氨酸的密码子有GCU、GCC、GCA和GCG，色氨酸的密码子是UGG，赖氨酸的密码子有AAA和AAG，谷氨酸的密码子有GAA和GAG，苯丙氨酸的密码子有UUU和UUC。这一段氨基酸序列对应的密码子（mRNA序列）可以是：GCUUGGAAAGAAUUU，根据碱基互补配对原则，可以推出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列是：-CGAACCTTTCTTAAA-

-GCTTGGAAAGAATTT-蛋白质工程基本思路的应用

某一段多肽链的一段氨基酸序列是：…………丙氨酸色氨酸赖氨酸谷氨酸氨苯丙酸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？确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。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，分析晶体的结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。PART03蛋白质工程的应用●蛋白质工程的应用实例●蛋白质工程的发展前景蛋白质工程的应用研发速效胰岛素类似物背景：天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后要经历逐渐解离为单体的过程，这一定程度上延缓了疗效。原理：人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。蛋白质工程的应用改造：预期胰岛素新功能：起效迅速，不形成多聚体设计胰岛素结构：B链第28位脯氨酸替换为天冬氨酸

B28……Pro…………Asp…………CCT…………GGA…………GAT…………CTA……基因定点突变技术改变原来脱氧核苷酸序列转录出新的mRNA序列……GAU……翻译出新的肽链……Asp……行使蛋白质预期功能脯氨酸对应密码子：CCU、CCC、CCA、CCG天冬氨酸对应密码子：GAU、GAC研发速效胰岛素类似物蛋白质工程的应用延长干扰素的保存时间背景：干扰素是抗病毒特效药，但是在体外保存相当困难。改造：将干扰素分子的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃条件下可以保存半年。降低鼠单克隆抗体的免疫反应——人鼠嵌合抗体原理：将小鼠抗原的可变区与人抗体的恒定区“拼接”，使改造后的抗体诱发免疫反应强度降低很多。蛋白质工程的应用改进酶的性能或开发新的工业用酶；尝试改造某些参与调控光合作用的酶，提高光合作用效率，增加粮食产量；例如：利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，从中筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，提高这种酶的使用价值。工业方面的应用农业方面的应用设计优良