蛋白質(zhì)工程的原理和應-高二下學期生物人教版選擇性必修3

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應用能說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。能概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。能舉例說明蛋白質(zhì)工程的應用。

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，是因為在它們的體內(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應用。

用細菌“畫畫”（視頻）1.科學家利用了什么技術(shù)讓細菌能發(fā)出綠色熒光？基因工程技術(shù)使細菌表達了熒光蛋白。2.科學家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設計和改造讓細菌能發(fā)出黃色熒光？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)的從社會中來

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?；A結(jié)果目的蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學科的綜合科技工程。操作手段及對象蛋白質(zhì)工程1.基因工程的實質(zhì)和不足：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______________________，進而表現(xiàn)出____________。（1）基因工程的實質(zhì):基因本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)新的性狀只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)（2）基因工程的局限性:①基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)；②天然蛋白質(zhì)是生物長期進化過程中形成的，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；（3）蛋白質(zhì)工程崛起的緣由:

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由

賴氨酸合成調(diào)控達到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴氨酸含量抑制提高提高限制提高提高5倍提高2倍蛋白質(zhì)工程是怎樣進行的呢？基本原理是什么？2.實例：提高玉米賴氨酸含量

請同學們自主閱讀教材P94，思考回答問題。

1.蛋白質(zhì)工程的目標、實質(zhì)、結(jié)果。2.為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？3.回顧天然蛋白質(zhì)合成的過程，構(gòu)建出蛋白質(zhì)工程的基本思路。4.如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？

二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.實質(zhì)、目標和結(jié)果：為什么蛋白質(zhì)工程需改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？思考：①蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復雜，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)無法遺傳；目標實質(zhì)結(jié)果

根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設計改造。

通過改造或合成基因，來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。

生產(chǎn)出自然界沒有的蛋白質(zhì)。2.天然蛋白質(zhì)合成過程：按照中心法則進行基因表達形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯預期功能生物功能設計推測改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯蛋白質(zhì)（三維結(jié)構(gòu)）多肽鏈3.蛋白質(zhì)工程的基本設計思路：逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反蛋白質(zhì)工程基本思路的應用思考?討論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。某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸…………色氨酸賴氨酸苯丙氨酸查密碼子表mRNA序列脫氧核苷酸序列第一個堿基第二個堿基第三個堿基UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸絲氨酸絲氨酸絲氨酸絲氨酸酪氨酸酪氨酸終止終止半胱氨酸半胱氨酸終止色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸組氨酸組氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA異亮氨酸異亮氨酸異亮氨酸甲硫氨酸（起始）蘇氨酸蘇氨酸蘇氨酸蘇氨酸天冬酰胺天冬酰胺賴氨酸賴氨酸絲氨酸絲氨酸精氨酸精氨酸UCAGG纈氨酸纈氨酸纈氨酸纈氨酸、甲硫氨酸（起始）丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬氨酸天冬氨酸谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG氨基酸序列：丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸mRNA序列：4×1×2×2×2=32種脫氧核苷酸序列有32種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從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。改造蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程基本思路的應用思考?討論蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較項目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對象操作起點操作水平操作流程結(jié)果實質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預期蛋白質(zhì)功能→設計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→找到并改變對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→基因表達載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過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)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)，進而表現(xiàn)出新的性狀①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。預期蛋白質(zhì)功能目的基因是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進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)工程基因工程如何確定一個操作過程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？自主閱讀教材P95，總結(jié)蛋白質(zhì)工程的應用領域及實例。應用實例醫(yī)藥工業(yè)方面其他工業(yè)方面農(nóng)業(yè)方面

三、蛋白質(zhì)工程的應用1.醫(yī)藥工業(yè)方面(1)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折疊預期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設計結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合定點突變定點突變(2)延長干擾素體外保存時間天然干擾素（體外保存困難）改造后的干擾素（-70℃可保存半年）半胱氨酸絲氨酸干擾素在體外保存相當困難將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸在-70℃下干擾素可保存半年(3)制備人鼠嵌合抗體小鼠單克隆抗體會使人體產(chǎn)生免疫反應，從而導致治療效果大大降低。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)免疫反應的強度就會減低很多。①醫(yī)學問題②解決方法基因融合鼠抗體人抗體恒定區(qū)恒定區(qū)可變區(qū)可變區(qū)嵌合抗體對人體的不良反應減少改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶

如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高該酶的使用價值?？莶輻U菌蛋白酶枯草桿菌2.其他工業(yè)方面的運用：3.農(nóng)業(yè)方面的運用：(1)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.農(nóng)業(yè)方面的運用：伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥(2)設計優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強。應用實例醫(yī)藥工業(yè)方面其他工業(yè)方面農(nóng)業(yè)方面改造胰島素基因，獲得速效胰島素類似物改造干擾素基因，延長保存時間生產(chǎn)人鼠嵌合抗體，降低了誘發(fā)人體免疫反應的強度改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶改造某些參與調(diào)控光合作用的酶設計優(yōu)良微生物農(nóng)藥【小結(jié)】(1)面臨的問題：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復雜。(2)前景展望：要設計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。4.面臨的問題及前景：蛋白質(zhì)工程理論基礎技術(shù)手段目標基本思路實踐應用蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關系通