3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應用課件高二下學期生物人教版選擇性必修3

蛋白質(zhì)空間結(jié)構蛋白質(zhì)空間結(jié)構蛋白質(zhì)工程優(yōu)質(zhì)食物蛋白3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應用

學習目標1.結(jié)合生產(chǎn)、生活的需求和基因工程的局限性，說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（生命觀念、社會責任）。2.通過回顧中心法則概述蛋白質(zhì)工程的基本原理（科學思維）。3.聯(lián)系生活實際與基因工程的基本知識，嘗試通過蛋白質(zhì)工程技術，根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)結(jié)構，設計改造某一蛋白質(zhì)的設計流程（科學思維、社會責任）。學習重難點教學重點：蛋白質(zhì)工程的基本原理；依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。教學難點：蛋白質(zhì)工程的基本原理；依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程。從社會中來你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫”的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為它們的體內(nèi)導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，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要的應用。科學家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設計和改造的呢?綠色熒光蛋白如何改造成黃色熒光蛋白？蛋白質(zhì)工程的概念對蛋白質(zhì)分子的設計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。蛋白質(zhì)工程：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現(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。①基礎：②手段：③結(jié)果：④目的：蛋白質(zhì)的結(jié)構規(guī)律與生物功能關系回顧舊知種類蛋白質(zhì)氨基酸多肽脫水縮合盤曲折疊C、H、O、N等元素組成21種（13+8）結(jié)構通式氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序、肽鏈的空間結(jié)構結(jié)構多樣性功能結(jié)構成分催化（酶）運輸功能免疫調(diào)節(jié)功能多樣性生命活動的主要承擔者CCOOHHH2NR基本單位蛋白質(zhì)工程的概念對蛋白質(zhì)分子的設計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。蛋白質(zhì)工程：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現(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。①基礎：②手段：③結(jié)果：④目的：蛋白質(zhì)的結(jié)構規(guī)律與生物功能關系改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)滿足人類生產(chǎn)和生活需求蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎上延伸出來的，又叫作第二代基因工程。PART01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由●基因工程的局限性●舉例：提高玉米中賴氨酸含量蛋白質(zhì)工程崛起的緣由為什么要進行蛋白質(zhì)工程的研究呢？天然蛋白質(zhì)不能滿足人類需求。基因工程具有局限性：本質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以生產(chǎn)它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新性狀。只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。例如：將蘇云金桿菌的Bt基因轉(zhuǎn)移到棉花細胞內(nèi)，使棉花產(chǎn)生Bt毒蛋白，進而表現(xiàn)出抗蟲特性。天然的蛋白質(zhì)是生物長期進化過程中形成的，結(jié)構和功能符合特定物種需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。例如：天然玉米中的賴氨酸含量較低。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程手段：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。將賴氨酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏?，提高賴氨酸的含量，提高營養(yǎng)價值。例如：蛋白質(zhì)A和蛋白質(zhì)B均由8個氨基酸單體組成蛋白質(zhì)A：蛋白質(zhì)B：那么蛋白質(zhì)B的賴氨酸含量多，可以對應找到編碼蛋白質(zhì)B的基因作為目的基因?qū)胗衩字?。表示賴氨酸蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程手段：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。玉米中賴氨酸合成受兩種關鍵酶：天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶影響，改造這兩種酶，使賴氨酸含量提高。天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量達到一定濃度（－）（－）天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量提高第352位蘇氨酸變成異亮氨酸第104位天冬酰胺變成異亮氨酸↑5倍↑2倍改造前改造后PART02蛋白質(zhì)工程的基本原理●蛋白質(zhì)工程的基本思路●蛋白質(zhì)工程基本思路的應用蛋白質(zhì)工程的基本原理目標：根據(jù)對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構進行設計改造。直接對蛋白質(zhì)進行改造？蛋白質(zhì)功能執(zhí)行依賴于正確的高級結(jié)構，而蛋白質(zhì)的高級結(jié)構非常復雜，改造難度大且不能遺傳。對決定蛋白結(jié)構的基因改造？任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造。合成和改造脫氧核苷酸序列比較容易。改造基因可以遺傳給下一代。

對蛋白質(zhì)結(jié)構改造最終必須通過改造或合成基因來完成?；仡櫯f知轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)DNA復制RNA逆轉(zhuǎn)錄復制中心法則TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻譯轉(zhuǎn)錄天然的蛋白質(zhì)合成過程時按照中心法則來進行的：形成具有高級結(jié)構的蛋白質(zhì)行使生物功能蛋白質(zhì)工程的基本思路蛋白質(zhì)工程與天然蛋白質(zhì)的合成方向相反：TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻譯轉(zhuǎn)錄形成具有高級結(jié)構的蛋白質(zhì)行使生物功能預期的蛋白質(zhì)新功能設計預期的新蛋白質(zhì)結(jié)構推測應有的氨基酸序列推測應有的脫氧核苷酸序列合成新基因或改變原來脫氧核苷酸序列轉(zhuǎn)錄出新的mRNA序列翻譯出新的蛋白質(zhì)行使蛋白質(zhì)預期功能蛋白質(zhì)工程基本思路的應用

某一段多肽鏈的一段氨基酸序列是：…………丙氨酸色氨酸賴氨酸谷氨酸氨苯丙酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應的堿基序列寫出來。查找氨基酸和密碼子對照表，可知：丙氨酸的密碼子有GCU、GCC、GCA和GCG，色氨酸的密碼子是UGG，賴氨酸的密碼子有AAA和AAG，谷氨酸的密碼子有GAA和GAG，苯丙氨酸的密碼子有UUU和UUC。這一段氨基酸序列對應的密碼子（mRNA序列）可以是：GCUUGGAAAGAAUUU，根據(jù)堿基互補配對原則，可以推出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列是：-CGAACCTTTCTTAAA-

-GCTTGGAAAGAATTT-蛋白質(zhì)工程基本思路的應用

某一段多肽鏈的一段氨基酸序列是：…………丙氨酸色氨酸賴氨酸谷氨酸氨苯丙酸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？確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因，或應用基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等進而改造基因。學科交叉蛋白質(zhì)工程經(jīng)常要借助計算機來建立蛋白質(zhì)的三維結(jié)構模型；要制備蛋白質(zhì)晶體，然后通過X射線衍射技術，分析晶體的結(jié)構；要用到基因的定點突變技術來進行堿基的替換。PART03蛋白質(zhì)工程的應用●蛋白質(zhì)工程的應用實例●蛋白質(zhì)工程的發(fā)展前景蛋白質(zhì)工程的應用研發(fā)速效胰島素類似物背景：天然胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后要經(jīng)歷逐漸解離為單體的過程，這一定程度上延緩了療效。原理：人胰島素由A鏈和B鏈構成，其中B鏈的第20~29位氨基酸是胰島素分子相互作用形成多聚體的關鍵區(qū)域，改變這個區(qū)域氨基酸的組成就有可能降低胰島素分子間的作用力。蛋白質(zhì)工程的應用改造：預期胰島素新功能：起效迅速，不形成多聚體設計胰島素結(jié)構：B鏈第28位脯氨酸替換為天冬氨酸

B28……Pro…………Asp…………CCT…………GGA…………GAT…………CTA……基因定點突變技術改變原來脫氧核苷酸序列轉(zhuǎn)錄出新的mRNA序列……GAU……翻譯出新的肽鏈……Asp……行使蛋白質(zhì)預期功能脯氨酸對應密碼子：CCU、CCC、CCA、CCG天冬氨酸對應密碼子：GAU、GAC研發(fā)速效胰島素類似物蛋白質(zhì)工程的應用延長干擾素的保存時間背景：干擾素是抗病毒特效藥，但是在體外保存相當困難。改造：將干擾素分子的一個半胱氨酸變成絲氨酸，在-70℃條件下可以保存半年。降低鼠單克隆抗體的免疫反應——人鼠嵌合抗體原理：將小鼠抗原的可變區(qū)與人抗體的恒定區(qū)“拼接”，使改造后的抗體誘發(fā)免疫反應強度降低很多。蛋白質(zhì)工程的應用改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，提高光合作用效率，增加糧食產(chǎn)量；例如：利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，從中篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高這種酶的使用價值。工業(yè)方面的應用農(nóng)業(yè)方面的應用設計優(yōu)良