资源简介

(共30张PPT)
第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用
学习目标
目标
01
02
03
尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。（科学思维）
说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。（生命观念）
尝试运用逆向思维分析和解决问题。
（社会责任）
你见过用细菌画画吗？
右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，是因为在它们的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？
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的
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。
①基础：
②操作手段及对象：
③结果：
④目的：
⑤困难：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。
(1)概念：
(2)特点：
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。
（一）基因工程的实质和不足：
一、蛋白质工程崛起的缘由
将一种生物的______转移到另一种生物体内，后者可以产生它______________________，进而表现出____________。
基因工程的实质:
1
基因
本不能产生的蛋白质
新的性状
只能生产自然界中已存在的蛋白质
基因工程的局限性:
2
①基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质；
②天然蛋白质是生物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；
蛋白质工程崛起的缘由:
3
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？
（二）实例：提高玉米赖氨酸含量
一、蛋白质工程崛起的缘由
二、蛋白质工程的基本原理
请同学们自主阅读教材P94，思考回答问题。
1.蛋白质工程的目标、实质、结果。
2.为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
3.温故天然蛋白质合成的过程。构建出蛋白质工程的基本思路。
4.如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
二、蛋白质工程的基本原理
（一）实质、目标和结果：
(1)蛋白质工程的目标：
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。
(2)改造蛋白质的方法：
改造或合成基因
(3)结果：
生产出自然界没有的蛋白质。
为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？
思考：
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；
（二）天然蛋白质合成过程：
二、蛋白质工程的基本原理
按照中心法则进行
基因
表达
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
翻译
①预期的蛋白质功能
②设计预期的蛋白质结构
③推测应有的氨基酸序列
④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
⑤获得所需蛋白质
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
目的基因
转录
mRNA
翻译
多肽链
蛋白质
(三维结构)
思
路
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
（三）蛋白质工程的基本设计思路：
二、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程基本思路的应用
思考 讨论
二、蛋白质工程的基本原理
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。
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）
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
查密码子表得知：
推知mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
共 种可能序列
32
查密码子表得知：
推知mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
共 种可能序列
32
GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G)
共 种可能序列
32
蛋白质工程基本思路的应用
思考 讨论
二、蛋白质工程的基本原理
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
赖氨酸
苯丙
氨酸
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）
推知mRNA序列为：
蛋白质工程基本思路的应用
思考 讨论
二、蛋白质工程的基本原理
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？
确定目的基因的碱基序列后，可以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。
改造蛋白质
蛋白质工程已有哪些实际的应用呢？
天然蛋白质
三、蛋白质工程的应用
请同学们自主阅读教材P95，思考讨论总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。
应用 实例
医药工业方面
其他工业方面
农业方面
三、蛋白质工程的应用
三、蛋白质工程的应用
（一）医药工业方面：
定点突变
1.实例一：研发速效胰岛素类似物
定点突变
天然胰岛素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
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
转录
三、蛋白质工程的应用
（一）医药工业方面：
1.实例一：研发速效胰岛素类似物
定点突变
2.实例二：延长干扰素体外保存时间
干扰素是动物体内的一种蛋白质体，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存却相当困难。
改造
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
干扰素（丝氨酸）
延长体外保存时间
体外-70℃保存半年
三、蛋白质工程的应用
（一）医药工业方面：
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
基因融合
3.实例三：降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
三、蛋白质工程的应用
（一）医药工业方面：
改进酶的性能或开发新的工业用酶
如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
枯草杆菌蛋白酶
枯草杆菌
三、蛋白质工程的应用
（二）其他工业方面的运用：
三、蛋白质工程的应用
（三）农业工业方面的运用：
(1)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。
三、蛋白质工程的应用
（三）农业工业方面的运用：
伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药
(2)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。
(1)面临的问题：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。
(2)前景展望：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。
三、蛋白质工程的应用
蛋白质工程与基因工程的区别与联系
比较项目 基因工程 蛋白质工程
区 别 起点
过程
实质
结果
联系
生产自然界中已存在的蛋白质
生产自然界中非天然的蛋白质
定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品
改造或制造人类所需要的蛋白质
预期的蛋白质功能
目的基因
获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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
①都在生物体外对基因进行操作；
②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
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？
蛋白质工程与基因工程的区别与联系
蛋白质工程
小结
理论基础
技术手段
目标
基本思路
实践应用
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
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
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
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。
药物研发
改进酶的性能或开发新的工业用酶
增加粮食产量、研发新型农药
课后习题·概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
(1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。 ( )
(2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 ( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 ( )
×
×
√
课后习题·概念检测
2、蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是 ( )
A .分析蛋白质的三维结构
B .研究蛋白质的氨基酸组成
C .获取编码蛋白质的基因序列信息
D .改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
课后习题·概念检测
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D、蛋白质
A
课后习题·拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴 在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么 如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。

展开更多......

收起↑