3.4蛋白质工程的原理和应用课件(共32张PPT)

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3.4蛋白质工程的原理和应用课件(共32张PPT)

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(共32张PPT)
为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光?
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
改造
黄色荧光蛋白
及其他颜色的荧光蛋白
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。
如何改造蛋白质?
3.4
蛋白质工程的原理和应用
一、蛋白质工程的概念(P93)
1.概念
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。
基础
操作手段及对象
结果
目的
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。
Q1:为什么不能用基因工程技术让细菌发出黄色荧光?
自然界中存在的荧光蛋白只有绿色荧光蛋白,不能通过基因工程,获得黄色荧光蛋白。
Q2:基因工程的实质是什么?有什么局限性?
①实质:基因工程是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。(基因重组)
②不足:基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。(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。)
1.3 传统发酵技术
思考·讨论
二、蛋白质工程崛起的缘由(P93)
1.缘由
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。
二、蛋白质工程崛起的缘由(P93)
2.举例:提高玉米赖氨酸含量
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
二、蛋白质工程崛起的缘由(P93)
2.举例:提高玉米赖氨酸含量
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
第352位:
苏氨酸
异亮氨酸
变成
第104位:
天冬酰胺
异亮氨酸
变成
三、蛋白质工程的基本原理(P93)
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。
2.实质
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。
Q: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。
三、蛋白质工程的基本原理(P93)
3.基本思路
①从预期的蛋白质功能出发→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获得所需要的蛋白质。
目的基因
转录
翻译
多肽链
折叠
蛋白质
(三维结构)
行使
生物功能
预期功能
设计
推测
改造或合成
mRNA
逆中心法则,与天然蛋白质合成的过程相反
构建蛋白质三维结构:
借助计算机
获得蛋白质晶体:
晶体学技术
分析晶体的结构:
通过X射线衍射技术
碱基的替换:
基因的定点突变技术
1.3 传统发酵技术
思考·讨论
Q1:如果已经推测出多肽中的氨基酸序列,那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢?说明你的理由。
不唯一,因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定,因此获得的基因总的碱基序列有多种。
Q2: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?
可以人工合成目的基因,或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换等进而改造基因。
1.3 传统发酵技术
思考·讨论
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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)。
蛋白质工程与基因工程的比较
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造




蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质


蛋白质工程
基因工程
Q: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?
四、蛋白质工程的应用(P95)
1. 医药工业方面
⑴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
四、蛋白质工程的应用(P95)
1. 医药工业方面
⑵延长干扰素体外保存时间
天然干扰素
(体外保存困难)
改造后的干扰素
(-70℃可保存半年)
半胱氨酸
丝氨酸
干扰素在体外保存相当困难
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸
在-70℃下干扰素可保存半年
四、蛋白质工程的应用(P95)
1. 医药工业方面
⑶降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
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
四、蛋白质工程的应用(P95)
2. 在其他工业方面
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。
四、蛋白质工程的应用(P95)
3. 在农业方面
⑴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。
⑵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。
eg:伊维菌素是新型的广谱、高
效、低毒抗生素类抗寄生虫药。
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
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,其包含基因工程的基本操作。
预期蛋白质功能
目的基因
小结:蛋白质工程和基因工程的比较
课堂小结
练习与应用
一、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。
( )



练习与应用
一、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
练习与应用
一、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
练习与应用
二、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。
复习与提高(P98)
1.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因,研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因 (AmpR)、LacZ 基因及一些酶切位点,其结构和简单的操作步骤如下图所示。
请根据以上信息回答下列问题。
(1)在第②步中,应怎样选择限制酶?
应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA 片段,并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部,以防破坏目的基因,限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。
(2)在第③步中,为了使质粒DNA与目的基因能连接,还需要在混合物中加入哪种物质?
加入DNA连接酶
复习与提高(P98)
(3)选用含有 AmpR 和 LacZ 基因的质粒进行实验有哪些优势?
该质粒便于进行双重筛选。标记基因 AmpR 基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌,一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于 LacZ 基因的效应,这些生长的菌落可能出现两种颜色:含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色;含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
复习与提高(P98)
(4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色?为什么?
含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构,使其不能正常表达,形成 B-半乳糖苷酶,底物 X-gal也就不会被分解。
2.科学家将 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中,然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力,它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
复习与提高(P98)
(1)在这个实验过程中,逆转录病毒的作用是什么?
逆转录病毒是载体,能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。
(2)如何证明iPs细胞的产生不是由于培养基的作用?
可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中,并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞,就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。
复习与提高(P98)
(3)如果要了解 Or3/4 、 Sox2、 c-Myc 和 KIf4 基因在诱导iPs细胞时,每个基因作用的相对大小,该如何进行实验?请你给出实验设计的思路。
可以依次去掉1个基因,将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中,然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较,来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响,进而判断每个基因作用的相对大小。(其他合理答案均可)
复习与提高(P98)
(4)若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPs细胞,再使它转化为需要的细胞,用这些细胞给该病人治病,这是否会引起免疫排斥反应 为什么? iPS细胞具有分裂活性,用它进行治疗时可能存在什么风险?
不会引起免疫排斥反应,因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化,理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能,因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
复习与提高(P98)
3.水稻根部一般没有根瘤菌,在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染,他们提出了以下两种方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中,使微生物能在根系处固氮,从而减少氮肥的施用量。
方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中,建立水稻的“小型化肥厂”,让水稻直接固氮,这样就可以免施氮肥了。
复习与提高(P98)
(1)请评估这两种方案哪种更容易实现。
从亲缘关系的远近来看,固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达,进而使其具有固氮的能力。
(2)如果两个方案都实现的话,你认为哪种更值得推广?
请说出你的理由。
此题不要求有唯一的答案,学生可从便捷性、安全性、经济性等角度进行分析,言之成理即可。例如,从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值得推广;或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。
复习与提高(P98)

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