3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課件-高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

第三章

基因工程第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用從社會(huì)中來(lái)

右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。

最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過(guò)改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。思考：科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過(guò)蛋白質(zhì)工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的

以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求?；A(chǔ)操作對(duì)象目的蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。蛋白質(zhì)工程結(jié)果011.基因工程的實(shí)質(zhì)及不足①實(shí)質(zhì)：基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新性狀。②不足：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)?；蛑亟M一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由2.天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)是生物長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。

如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計(jì)改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。實(shí)例：提高玉米賴氨酸含量玉米賴氨酸含量較低天冬氨酸激酶352位的蘇氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶104位的天冬酰胺玉米賴氨酸含量提高數(shù)倍天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）如何改造？如何改造？如何對(duì)天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造?你認(rèn)為是直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)?請(qǐng)說(shuō)出你的理由。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：2.改造蛋白質(zhì)的方法：

通過(guò)

來(lái)完成改造或合成基因①蛋白質(zhì)是由基因決定的，改造基因即改造了蛋白質(zhì)②基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳；思考：為什么對(duì)蛋白質(zhì)的改造要從基因著手？3.天然蛋白質(zhì)合成過(guò)程：按照中心法則進(jìn)行基因表達(dá)形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能轉(zhuǎn)錄、翻譯預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因獲得所需蛋白質(zhì)預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))4.蛋白質(zhì)工程的基本思路預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))【思?考討論】蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來(lái)?！?丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來(lái)。查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)色氨酸

(UGG)賴氨酸

(AAA、AAG）谷氨酸（GAA、GAG）苯丙氨酸（UUU、UUC）GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G）UUU(或C)mRNA序列共

種可能序列32脫氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列共

種可能序列321.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來(lái)。查密碼子表mRNA序列脫氧核苷酸序列2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？合成目的基因：①人工合成②從基因文庫(kù)中獲取等改造目的基因：①常用基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等。3.經(jīng)過(guò)蛋白質(zhì)工程改造后是否形成了新物種？經(jīng)過(guò)蛋白質(zhì)工程改造后只是改變生物的性狀，沒有形成新物種(1)蛋白質(zhì)工程以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ)（）(2)基因工程遵循中心法則，而蛋白質(zhì)工程不遵循()(3)基因工程在分子水平對(duì)基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程在分子水平對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行操作（）

及時(shí)練：習(xí)題鞏固下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問題：(1)寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過(guò)程的名稱或內(nèi)容：①______；②______；③______；④______；⑤__________。轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測(cè)改造或合成習(xí)題鞏固下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問題：(2)蛋白質(zhì)工程的目的是_______________________________

___________________________，通過(guò)____________________來(lái)實(shí)現(xiàn)(3)從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是______

的。根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，基改造或合成基因相反對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)1.醫(yī)藥工業(yè)方面二、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）研發(fā)速效胰島素類似物1.醫(yī)藥工業(yè)方面二、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素B鏈28脯氨酸B鏈29賴氨酸易形成二聚體或六聚體延緩療效速效胰島素類似物B鏈28天冬氨酸B鏈29賴氨酸B鏈28賴氨酸B鏈29脯氨酸抑制胰島素聚合加快療效1.醫(yī)藥工業(yè)方面二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素B鏈28脯氨酸B鏈29賴氨酸速效胰島素類似物B鏈28天冬氨酸B鏈29賴氨酸B鏈28賴氨酸B鏈29脯氨酸如何實(shí)現(xiàn)？改造胰島素基因表達(dá)定點(diǎn)突（誘）變(2)延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間天然干擾素不易保存干擾素保存時(shí)間延長(zhǎng)定點(diǎn)突（誘）變?nèi)绾胃脑?？將干擾素分子的一個(gè)半胱氨酸換成絲氨酸如何實(shí)現(xiàn)？改造干擾素合成基因表達(dá)(3)降低人對(duì)小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)醫(yī)療問題：小鼠單克隆抗體會(huì)使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，

從而導(dǎo)致治療效果大大降低。解決辦法：將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（恒定區(qū)）上，經(jīng)過(guò)這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。鼠抗體人抗體恒定區(qū)恒定區(qū)可變區(qū)可變區(qū)嵌合抗體對(duì)人體的不良反應(yīng)減少制備人鼠嵌合抗體改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；如：枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價(jià)值。2.其他工業(yè)方面的應(yīng)用改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量；設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)；3.在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程——難度大蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)3.現(xiàn)階段蛋白質(zhì)工程存在的困難

項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程

區(qū)別操作對(duì)象

操作水平

結(jié)果

實(shí)質(zhì)通過(guò)定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)

通過(guò)定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)

應(yīng)用生產(chǎn)自然界中沒有的

的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)

基因DNA分子水平農(nóng)藥、醫(yī)藥工業(yè)及其他工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物、藥品生產(chǎn)等領(lǐng)域

改造或合成基因轉(zhuǎn)基因技術(shù)四、蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較聯(lián)系①蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程②蛋白質(zhì)工程離不開

，蛋白質(zhì)工程在改造基因時(shí)需要與基因工程有關(guān)的工具酶，需要構(gòu)建

，改造后的基因要表達(dá)出相應(yīng)的蛋白質(zhì)，同樣需要將改造或合成的基因?qū)?/p>

。

基因工程基因表達(dá)載體受體細(xì)胞左右(3)便于進(jìn)行雙重篩選①標(biāo)記基因AmpR基因可用于檢測(cè)質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。②由于LacZ基因效應(yīng)，生長(zhǎng)的菌落可能出現(xiàn)兩種顏色：含有空質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈藍(lán)色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。根據(jù)這種生長(zhǎng)差異性，可以篩選出含有目的基因的大腸桿菌。白色；目的基因的插入，破壞了LacZ基因的結(jié)構(gòu)（4）2.（1）逆轉(zhuǎn)錄病毒是載體，能將外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和Kf4導(dǎo)入小鼠成纖維細(xì)胞。（2）設(shè)置對(duì)照組。將轉(zhuǎn)入外源基因和沒有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞分別培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)條件相同。如果只有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞轉(zhuǎn)化成了iPS細(xì)胞，就可以證明iPS細(xì)胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用（3）依次去掉1個(gè)基因，將其他3個(gè)基因轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，然后通過(guò)與轉(zhuǎn)入4個(gè)基因的小鼠成纖維細(xì)胞的誘導(dǎo)情況進(jìn)行比較，來(lái)推測(cè)缺失的那個(gè)基因?qū)φT導(dǎo)iPS細(xì)胞的影響，進(jìn)而判斷每個(gè)基因作用的相對(duì)大小。（4）