高二 人教版 生物学选择性必修3 第3章《蛋白质工程的原理和应用》课件

蛋白质工程的原理和应用高二—人教版—生物学选择性必修3—第3章广州市协和中学

李丽用细菌“画”的画1.科学家利用了什么技术让细菌能够发出荧光?2.绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿

色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光的蛋白，才“画”

出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白

进行改造?利用基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。思考：一、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。

蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。1.与基因工程的关系:2.相关学科及技术：分子生物学、晶体学和计算机技术等。实例：对天然酶的改造赖氨酸天冬氨酸激酶（含量低）二氢吡啶二羧酸合成酶玉米促进促进抑制抑制改造后的天冬氨酸激酶异亮氨酸（352位）苏氨酸（352位）变为异亮氨酸（104位）天冬酰胺（104位）改造后的二氢吡啶二羧酸合成酶变为玉米赖氨酸（含量提高5倍）促进（含量提高2倍）赖氨酸玉米促进二、蛋白质工程崛起的缘由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.基因工程的实质：2.基因工程的局限性：只能生产自然界中已存在的蛋白质。3.天然蛋白质的不足：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.蛋白质工程的目标

根据人们对蛋白质功能的特定需求，因此要对蛋白质的结构进行设计改造。

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）。三、蛋白质工程的基本原理2.蛋白质工程的实质思考：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。

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A3.蛋白质工程流程图三、蛋白质工程的基本原理预期功能生物功能分子设计折叠DNA合成翻译转录基因DNA蛋白质结构氨基酸序列mRNA下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是_____；代表中心法则内容的是________。(填写数字)（2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①______；②______；③______；④______；⑤__________。（3）蛋白质工程的目的是____________________________________________________________，通过___________________实现。（4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。④⑤①②③转录翻译折叠推测改造合成根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计基因改造或基因合成相反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mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）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\UUC2.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？

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。蛋白质工程基本思路的应用小结：如何判断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镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β­肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。回答下列问题：(1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的____________序列发生改变。(2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作_______(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作___________________________________________。碱基不属于没有对现有蛋白质进行改造

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。D1.研发速效胰岛素类似物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四、蛋白质工程的应用2.延长干扰素体外保存时间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℃下可以保存半年四、蛋白质工程的应用1.研发速效胰岛素类似物3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫

反应通过改造基因，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降低很多。四、蛋白质工程的应用2.延长干扰素体外保存时间1.研发速效胰岛素类似物四、蛋白质工程的应用①

改进酶的性能或开发新的工业用酶；②

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；③

改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。4.其他3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应2.延长干扰素体外保存时间1.研发速效胰岛素类似物下列关于蛋白质工程的说法，错误的是(

)A.蛋白质工程的崛起符合工业生产和基础理论研究的需要。B.蛋白质工程可对酶的催化活性、抗氧化性等加以改变。C.理论上对关键氨基酸的置换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法。D.蛋白质工程能将人抗体的某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。C蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要原因是：_____________________________

________________________________________________________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。三级结构一级结构四级结构二级结构小结蛋白质工程的原理和应用五、蛋白质工程现状一、蛋白质工程的概念二、蛋白质工程崛起的缘由三、蛋白质工程的基本原理四、蛋白质工程的应用1.与基因工程的关系2.相关学科及技术1.基因工程的实质2.基因工程的局限性3.天然蛋白质的不足1.蛋白质工程的目标2.蛋白质工程的实质3.蛋白质工程流程图3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应2.延长干扰素体外保存时间1.研发速效胰岛素类似物4.其他谢谢观看！蛋白质工程的原理和应用(答疑）高二—人教版—生物学选择性必修3—第3章广州市协和中学

李丽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。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？

如果要将该研究成果应用到生产实践，还有很多工作要做，例如由于改造后酶的空间结构发生了改变，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它的稳定性、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。蛋白质工程

基因的碱基序列发生改变。

干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在－70℃条件下保存半年，给广大患者带来了福音。（1）蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”：预期的蛋白质功能预期的蛋白质结构应有的氨基酸序列相对应的脱氧核苷酸序列（基因）

干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在－70℃条件下保存半年，给广大患者带来了福音。（2）基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产________的蛋白质，不一定符合

的需要。而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过

或

，对现有蛋白质进行________，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。自然界已存在

人类生产和生活

基因修饰基因合成改造（3）蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的________结构。空间（或高级）

干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在－70℃