生物（人教版選修3）課件1.4蛋白質(zhì)工程的崛起

1．4蛋白質(zhì)工程的崛起專題一基因工程1．舉例說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2．理解蛋白質(zhì)工程的原理。3．了解蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由和基本原理1．基因工程及不足(1)實(shí)質(zhì)：將一種生物的

轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的

，進(jìn)而表現(xiàn)出

。(2)不足：在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的

。(3)天然蛋白質(zhì)的不足天然蛋白質(zhì)的

符合

生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要?；虻鞍踪|(zhì)新性狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能特定物種2．蛋白質(zhì)工程的基本原理概念基礎(chǔ)蛋白質(zhì)分子的

及其與

的關(guān)系手段通過

或

，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)概念目的獲得

的蛋白質(zhì)原理由預(yù)期的蛋白質(zhì)找到相對(duì)應(yīng)的_____________________流程預(yù)期蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的__________→推測(cè)應(yīng)有的

→找到相對(duì)應(yīng)的______________________結(jié)構(gòu)規(guī)律生物功能基因修飾基因合成滿足人類生產(chǎn)和生活需求脫氧核苷酸序列(基因)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)氨基酸序列脫氧核苷酸序列(基因)1．由蛋白質(zhì)工程所得到的基因與基因突變所產(chǎn)生的基因相比有何不同？提示：蛋白質(zhì)工程所得到的基因是人工合成的或?qū)υ蜻M(jìn)行修飾的產(chǎn)物，因此具有定向性，基因突變所產(chǎn)生的基因具有不定向性。二、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景1．前景誘人：如用此技術(shù)制成的電子元件，具有

、

和效率高的特點(diǎn)；通過對(duì)胰島素的改造，使其成為速效型藥品。2．難度很大：主要是目前科學(xué)家對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的

的了解還很不夠。體積小耗電少高級(jí)結(jié)構(gòu)2．蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？提示：基因工程是按照中心法則進(jìn)行的：基因→表達(dá)(轉(zhuǎn)錄和翻譯)→形成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，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→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→找出相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)，可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)。一、蛋白質(zhì)工程的原理和操作1．蛋白質(zhì)工程的理論基礎(chǔ)、手段及目的(1)理論基礎(chǔ)：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)工程手段：通過基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)。(3)工程目的：滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。2．基本原理和途徑它可以根據(jù)人的需求來設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，又稱為第二代基因工程。其原理是：根據(jù)中心法則逆向推理。如圖所示：3．蛋白質(zhì)工程的步驟【特別提醒】蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)及在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個(gè)嶄新的蛋白質(zhì)會(huì)帶來什么危害也是人們所擔(dān)心的。

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)代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是________；代表中心法則內(nèi)容的是________。(填寫數(shù)字)(2)寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容：③________；④________；⑤________。(3)蛋白質(zhì)工程的目的是________________，通過________實(shí)現(xiàn)。(4)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。解析：本題是對(duì)蛋白質(zhì)工程的原理的考查。原理：預(yù)期功能→蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)→氨基酸序列(多肽鏈)→基因→具有預(yù)期功能的蛋白質(zhì)。答案：(1)④⑤

①②③(2)折疊分子設(shè)計(jì)DNA合成(3)對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)基因合成或修飾(4)相反1．人們發(fā)現(xiàn)，蛛絲蛋白比蠶絲蛋白更細(xì)，但強(qiáng)度卻更大，于是有人試圖通過破解蛛絲蛋白的結(jié)構(gòu)從而推出其基因結(jié)構(gòu)，以指導(dǎo)對(duì)蠶絲蛋白基因的修改，從而讓蠶也吐出像蛛絲一樣堅(jiān)韌的絲，此過程的名稱和依據(jù)的原理分別是(

)A．基因突變：DNA→RNA→蛋白質(zhì)B．基因工程：RNA→RNA→蛋白質(zhì)C．基因工程：DNA→RNA→蛋白質(zhì)D．蛋白質(zhì)工程：蛋白質(zhì)→RNA→DNA→RNA→蛋白質(zhì)解析：通過修改已知蠶絲蛋白的基因，從而創(chuàng)造出全新蛋白質(zhì)的過程叫蛋白質(zhì)工程。蛋白質(zhì)工程流程如下：其依據(jù)的原理是中心法則的逆推，即蛋白質(zhì)→RNA→DNA→RNA→蛋白質(zhì)。答案：D二、蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較項(xiàng)目基因工程蛋白質(zhì)工程區(qū)別場(chǎng)所生物體外生物體外核心基因基因起點(diǎn)目的基因預(yù)期蛋白質(zhì)功能過程獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→推測(cè)脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)實(shí)質(zhì)定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性，以獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品結(jié)果生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)應(yīng)用及現(xiàn)狀已被廣泛應(yīng)用，如轉(zhuǎn)基因植物、動(dòng)物、藥品生產(chǎn)等已商業(yè)化，但基因治療僅處于試驗(yàn)階段，未實(shí)踐應(yīng)用主要集中在對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，如β-干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等。對(duì)創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)還有許多技術(shù)難題未突破，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們對(duì)此知之甚少聯(lián)系蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程，因?yàn)閷?duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)必須通過基因修飾或基因合成實(shí)現(xiàn)【特別提醒】蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，而基因工程中所利用的某些酶也需要通過蛋白質(zhì)工程進(jìn)行修飾或改造以提高其功能，因此二者又是相互促進(jìn)的。

近期《肝臟學(xué)》雜志發(fā)表了一篇文章稱科學(xué)家經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：乙肝病毒HBX蛋白間接調(diào)控宿主細(xì)胞內(nèi)許多基因的轉(zhuǎn)錄，廣泛影響宿主細(xì)胞的各種生命活動(dòng)，包括調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、抑制細(xì)胞DNA的修復(fù)、干擾細(xì)胞有絲分裂和細(xì)胞周期進(jìn)程等，因此可通過研究該蛋白質(zhì)來尋找治療乙肝的途徑。下圖表示利用乳腺反應(yīng)器生產(chǎn)乙肝病毒HBX蛋白的流程示意圖。(1)已知HBX蛋白基因的核苷酸序列，則①可采用______獲得目的基因，并用______技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增。(2)為獲得更高活性的HBX蛋白質(zhì)，需要對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，但必須通過基因修飾或基因合成來完成，而不直接改造蛋白質(zhì)的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)圖中載體④是______，⑥為胚胎移植到受體，在該步驟操作前對(duì)胚胎進(jìn)行了檢查和篩選，發(fā)現(xiàn)有些胚胎因?yàn)橥庠椿虻牟迦攵劳?，?qǐng)你分析外源基因插入導(dǎo)致胚胎死亡的可能原因：____________________________________________。解析：已知核苷酸序列的基因，可采用人工合成法進(jìn)行合成從而獲得目的基因，然后利用PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增；改造蛋白質(zhì)不能遺傳，而改造基因則可以遺傳，因此改造蛋白質(zhì)需要通過改造基因來實(shí)現(xiàn)；培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物利用的載體是動(dòng)物病毒；外源基因插入到羊的DNA中，則可能會(huì)影響到其他基因的表達(dá)，如果插入后影響了使羊胚胎發(fā)育所需要的基因的表達(dá)，就會(huì)導(dǎo)致胚胎死亡。答案：(1)人工合成法PCR

(2)改造基因易于操作且改造后能夠遺傳(3)動(dòng)物病毒外源基因的插入導(dǎo)致胚胎正常發(fā)育所需的基因不能表達(dá)【名師點(diǎn)睛】“三看法”區(qū)別基因工程和蛋白質(zhì)工程(1)看基因的操作方法：①如果僅將基因用限制酶從DNA片段中切割下來，沒有經(jīng)過對(duì)編碼蛋白序列進(jìn)行修飾、加工，或僅對(duì)其調(diào)控序列進(jìn)行加工，則屬于基因工程；②如果將目的基因經(jīng)過了一些實(shí)質(zhì)性的改造，如對(duì)編碼蛋白序列進(jìn)行了堿基替換或增添或去除了某幾個(gè)堿基，則屬于蛋白質(zhì)工程。(2)看目的基因的合成方式：基因工程和蛋白質(zhì)工程都可以逆轉(zhuǎn)錄合成目的基因，或根據(jù)蛋白質(zhì)的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。①如果合成時(shí)mRNA或氨基酸序列沒有經(jīng)過改造，則為基因工程技術(shù)；②如果mRNA或氨基酸序列經(jīng)過了改造，或mRNA或氨基酸序列是根據(jù)蛋白質(zhì)預(yù)期的功能人工設(shè)計(jì)的，則為蛋白質(zhì)工程技術(shù)。(3)看合成的蛋白質(zhì)種類：①如果合成的蛋白質(zhì)是天然蛋白質(zhì)，則是基因工程；②如果合成的蛋白質(zhì)和天然蛋白質(zhì)有差異甚至是自然界中所沒有的，則為蛋白質(zhì)工程。2．增加玉米細(xì)胞中賴氨酸含量最有效的途徑是(

)A．將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胗衩准?xì)胞B．切除玉米細(xì)胞中天冬氨酸激酶基因和二氫吡啶二羧酸合成酶基因的個(gè)別堿基C．更換天冬氨酸激酶基因和二氫吡啶二羧酸合成酶基因的個(gè)別堿基D．將根瘤菌的固氮基因?qū)胗衩准?xì)胞解析：玉米中賴氨酸的含量比較低，原因是賴氨酸合成過程中的兩個(gè)關(guān)鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶，其活性受細(xì)胞內(nèi)賴氨酸濃度的影響較大，當(dāng)賴氨酸濃度達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)抑制這兩個(gè)酶的活性。通過更換控制合成這兩種酶基因的個(gè)別堿基，可大大提高玉米葉片和種子中的游離賴氨酸的含量。答案：C旁欄思考1．你知道國(guó)際人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？(教材P26)提示：人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將