高二 人教版 生物學(xué)選擇性必修3 第3章《蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用》課件

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用高二—人教版—生物學(xué)選擇性必修3—第3章廣州市協(xié)和中學(xué)

李麗用細(xì)菌“畫”的畫1.科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能夠發(fā)出熒光?2.綠色熒光蛋白來源于一種發(fā)光水母，科學(xué)家通過改造綠

色熒光蛋白，獲得了能發(fā)出其他顏色熒光的蛋白，才“畫”

出了色彩斑斕的圖案。科學(xué)家如何對(duì)天然的綠色熒光蛋白

進(jìn)行改造?利用基因工程技術(shù)使細(xì)菌表達(dá)了熒光蛋白。對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實(shí)現(xiàn)的。思考：一、蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(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。

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。1.與基因工程的關(guān)系:2.相關(guān)學(xué)科及技術(shù)：分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。實(shí)例：對(duì)天然酶的改造賴氨酸天冬氨酸激酶（含量低）二氫吡啶二羧酸合成酶玉米促進(jìn)促進(jìn)抑制抑制改造后的天冬氨酸激酶異亮氨酸（352位）蘇氨酸（352位）變?yōu)楫惲涟彼幔?04位）天冬酰胺（104位）改造后的二氫吡啶二羧酸合成酶變?yōu)橛衩踪嚢彼幔ê刻岣?倍）促進(jìn)（含量提高2倍）賴氨酸玉米促進(jìn)二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。1.基因工程的實(shí)質(zhì)：2.基因工程的局限性：只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。3.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。二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)

根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，因此要對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

改造或合成基因（來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)）。三、蛋白質(zhì)工程的基本原理2.蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)思考：為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳。

水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是(

)A.基因

B．氨基酸C.多肽鏈

D.蛋白質(zhì)A3.蛋白質(zhì)工程流程圖三、蛋白質(zhì)工程的基本原理預(yù)期功能生物功能分子設(shè)計(jì)折疊DNA合成翻譯轉(zhuǎn)錄基因DNA蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)氨基酸序列mRNA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：①______；②______；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。④⑤①②③轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測(cè)改造合成根據(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)行分子設(shè)計(jì)基因改造或基因合成相反蛋白質(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。查密碼子表mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：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賴氨酸：AAA\AAG谷氨酸：GAA\GAG苯丙氨酸：UUU\UUC2.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？

人工合成目的基因或從基因文庫(kù)中獲取目的基因。對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用小結(jié)：如何判斷一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程鐮刀型細(xì)胞貧血癥是一種單基因遺傳病，患者的血紅蛋白分子β-肽鏈第6位氨基酸谷氨酸被纈氨酸代替，導(dǎo)致功能異常?；卮鹣铝袉栴}：(1)異常血紅蛋白的氨基酸序列改變的根本原因是編碼血紅蛋白基因的____________序列發(fā)生改變。(2)將正常的血紅蛋白基因?qū)牖颊叩墓撬柙煅杉?xì)胞中，可以合成正常的血紅蛋白達(dá)到治療的目的。此操作_______(填“屬于”或“不屬于”)蛋白質(zhì)工程，理由是該操作___________________________________________。堿基不屬于沒有對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造

蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是

（

）A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。

B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成。C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息。D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求。D1.研發(fā)速效胰島素類似物天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20-29位氨基酸組成推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.研發(fā)速效胰島素類似物3.降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫

反應(yīng)通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)降低很多。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間1.研發(fā)速效胰島素類似物四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用①

改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；②

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；③

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)。4.其他3.降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間1.研發(fā)速效胰島素類似物下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法，錯(cuò)誤的是(

)A.蛋白質(zhì)工程的崛起符合工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。B.蛋白質(zhì)工程可對(duì)酶的催化活性、抗氧化性等加以改變。C.理論上對(duì)關(guān)鍵氨基酸的置換與增刪是進(jìn)行蛋白質(zhì)工程的唯一方法。D.蛋白質(zhì)工程能將人抗體的某些區(qū)段替代鼠單克隆抗體的區(qū)段，降低鼠單克隆抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度。C蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要原因是：_____________________________

________________________________________________________五、蛋白質(zhì)工程現(xiàn)狀蛋白質(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)小結(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用五、蛋白質(zhì)工程現(xiàn)狀一、蛋白質(zhì)工程的概念二、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由三、蛋白質(zhì)工程的基本原理四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.與基因工程的關(guān)系2.相關(guān)學(xué)科及技術(shù)1.基因工程的實(shí)質(zhì)2.基因工程的局限性3.天然蛋白質(zhì)的不足1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)2.蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)3.蛋白質(zhì)工程流程圖3.降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間1.研發(fā)速效胰島素類似物4.其他謝謝觀看！蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用(答疑）高二—人教版—生物學(xué)選擇性必修3—第3章廣州市協(xié)和中學(xué)

李麗能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動(dòng)物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計(jì)并獲得了一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長(zhǎng)期深入的研究。T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷Ｓ谑?，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇？

。

在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么？

如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作？

如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還有很多工作要做，例如由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，因此它的一些基本特性需要重新明確，包括它的穩(wěn)定性、能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等，需要建立規(guī)?；a(chǎn)該酶的技術(shù)體系，評(píng)估生產(chǎn)成本等。蛋白質(zhì)工程

基因的堿基序列發(fā)生改變。

干擾素是動(dòng)物體內(nèi)合成的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當(dāng)困難，如果將其分子中的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，就可以在－70℃條件下保存半年，給廣大患者帶來了福音。（1）蛋白質(zhì)的合成是受基因控制的，因此獲得能夠控制合成“可以保存的干擾素”的基因是生產(chǎn)的關(guān)鍵，依據(jù)蛋白質(zhì)工程原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，讓動(dòng)物生產(chǎn)“可以保存的干擾素”：預(yù)期的蛋白質(zhì)功能預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)有的氨基酸序列相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）

干擾素是動(dòng)物體內(nèi)合成的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當(dāng)困難，如果將其分子中的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，就可以在－70℃條件下保存半年，給廣大患者帶來了福音。（2）基因工程和蛋白質(zhì)工程相比較，基因工程在原則上只能生產(chǎn)________的蛋白質(zhì)，不一定符合

的需要。而蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(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)，通過

或

，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行________，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活需要。自然界已存在

人類生產(chǎn)和生活

基因修飾基因合成改造（3）蛋白質(zhì)工程實(shí)施的難度很大，原因是蛋白質(zhì)具有十分復(fù)雜的________結(jié)構(gòu)?？臻g（或高級(jí)）

干擾素是動(dòng)物體內(nèi)合成的一種蛋白質(zhì)，可以用于治療病毒感染和癌癥，但體外保存相當(dāng)困難，如果將其分子中的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，就可以在－70℃