生物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

蛋白质工程的原理和应用第三章第四节本节聚焦蛋白质工程的基本原理是什么？01蛋白质工程有哪些实际的应用？02从社会中来科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？转基因技术，将荧光蛋白基因转入细菌内并使之表达。最早被发现的荧光蛋白质绿色荧光蛋白，如何才能获得其他颜色的荧光蛋白？荧光蛋白有什么使用前景？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。通过对绿色荧光蛋白进行改造它，获得了黄色荧光蛋白等。蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程：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。基础手段结果目的困难蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。蛋白质工程崛起的缘由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。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天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成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生活的需要基因重组蛋白质工程崛起的缘由实例赖氨酸含量比较低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）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提高5倍提高2倍蛋白质工程的基本原理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。改造蛋白质的方法改造或合成基因为什么蛋白质工程改造基因而不直接改造蛋白质？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。蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的基本思路基因转录mRNA翻译多肽链折叠蛋白质行使生物功能预期功能设计推测改造或合成（三维结构）预期蛋白质的功能设计预期的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或合成新的基因获得所需蛋白质逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反蛋白质工程的基本原理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(高级结构的解析往往要制备蛋白质晶体、通过X涉嫌衍射技术，分析晶体结构，计算机建立三维结构模型并修正)。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。蛋白质工程的基本原理正常人体内，血液中胰岛素含量进食后30-60分钟达到高峰，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。研究发现，胰岛素分子易聚合成二聚体或六聚体，注射胰岛素后需要经历一个解聚为单体的过程。基于上述描述，提出一个合理的蛋白质工程目标，并阐述实施过程？①预期蛋白质功能：降低现有胰岛素的聚合作用并得到速效胰岛素类似物产品；②分析现有胰岛素结构，设计预期蛋白质结构以满足速低聚效功能特点；③推测应有的氨基酸序列，明确修改方案；④推到相应氨基酸序列，通过定点突变技术或者人工合成技术得到目的基因；⑤构建基因表达载体，导入受体细胞，表达蛋白质获得产物。胰岛素六聚体胰岛素单体蛋白质工程的基本原理利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术，明确胰岛素的空间结构。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。天然胰岛素B链部分氨基酸序列：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：苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸蛋白质工程的基本原理天然胰岛素B链部分氨基酸序列：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：苏氨酸赖氨酸脯氨酸苏氨酸mRNAmRNADNADNA不唯一，因为一个氨基酸由一个或多个密码子决定，因此基因碱基序列有多种。推测出多肽中的氨基酸序列，那么其基因碱基序列是否唯一？为什么？可以人工合成目的基因，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。也可以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。确定目的基因碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的应用①

研发速效胰岛素类似物医药工业方面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折叠行使功能降低胰岛素的聚合作用改变B链第20～29位氨基酸组成预期功能设计结构推测序列翻译多肽链有效抑制胰岛素的聚合蛋白质工程的应用②

延长干扰素体外保存时间医药工业方面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折叠行使功能延长保存时间氨基酸替换预期功能设计结构推测序列翻译多肽链在-70℃下可以保存半年蛋白质工程的应用③

降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应医药工业方面通过改造基因，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。蛋白质工程的应用改进酶的性能或开发新的工业用酶其他工业方面如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。蛋白质工程的应用农业方面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

设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使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蛋白质工程与基因工程的区别与联系比较内容基因工程蛋白质工程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