资源简介

(共18张PPT)
第3章 第4节
蛋白质工程的原理和应用
你见过用细菌画画吗？左图是用发出不同颜色荧光的细菌“画”的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为它们体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
【从社会中来】
蛋白质工程
蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质工程概述
蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。
随着的迅猛发展，蛋白质工程取得了很大分子生物学、晶体学以及计算机技术的进展。目前，它已经成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于农业、医药工业和其他工业生产中。
1.基因工程的实质及缺陷
①实质：
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
②缺陷：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质
2.蛋白质工程崛起的缘由
②天然蛋白质的缺陷：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
01
蛋白质工程崛起的缘由
①理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
产量提高
赖氨酸含量低
合成时需：
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
浓度影响酶活性
举例：
异亮氨酸
苏氨酸(352位）
异亮氨酸
天冬酰胺(104位)
01
蛋白质工程崛起的缘由
1.目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。
02
蛋白质工程的基本原理
3.天然蛋白质合成过程：中心法则
基因
形成具有特定氨基酸序列的多肽链
形成具有高级结构的蛋白质
行使生物功能
（转录和翻译）
2. 实质*：
改造或合成基因（来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质）
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
表达
4.基本思路：
从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
02
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列 请把相应的碱基序列写出来。
查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG）、色氨酸（UGG）、
赖氨酸（AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。
mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。
对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
【检测1】下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　 　 )
A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一
B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质
C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、生活的需要
D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造
B
【检测2】目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是(　　 )
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　
②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　
③合成蓝色荧光蛋白基因　
④表达出蓝色荧光蛋白
A.①②③④ B.②①③④ C.②③①④ D.④②①③
B
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
操作流程
结果
实质
联系
基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作；
预期蛋白质功能
目的基因
1.研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
新胰岛素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20-29位氨基酸组成
推测序列
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
03
蛋白质工程的应用
延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
预期结构
改造
一个半胱氨酸变成丝氨酸
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
2、医药工业方面的应用
03
蛋白质工程的应用
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。
03
蛋白质工程的应用
降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
2、医药工业方面的应用
3、其他工业方面的应用
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
03
蛋白质工程的应用
如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
4、农业方面的应用
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。
科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
三级结构
一级结构
四级结构
二级结构
03
蛋白质工程的应用
(1)蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而产生出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术。( )
(2)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要。( )
(3)通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶上352位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅度提高玉米中赖氨酸的含量。( )
(1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。( )
(2)蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。( )
(3)由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。( )
×
√
√
√
×
√
【基础过关】
【检测】下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①______；
②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是______________________________________ _______________________________，通过_______________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计

展开更多......

收起↑