资源简介

(共29张PPT)
第3章 基因工程
3.4 基因工程的原理和应用
用细菌“画”的画
用细菌“画”的画
从社会中来
从社会中来
1.视频里面有一副发光的树，科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
基因工程的实质:
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 。
本不能产生的蛋白质
基因
新的性状
中心法则：
基因工程技术使细菌导入了荧光蛋白的基因表达出荧光蛋白。
2.绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？
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。
从社会中来
绿色荧光蛋白基因
控制
绿色荧光蛋白
基因工程的局限性：
只能生产自然界中已存在的蛋白质
思考：科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？
蛋白质工程崛起的缘由
一
任务一：阅读以下蛋白质工程的实例，思考问题
资料1：玉米中赖氨酸的含量由天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羟酸合成酶决定。科学家将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
资料2：干扰素在体外保存相当困难，如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，干扰素可以保存长达半年。
问题1：进行蛋白质工程研究的意义是什么？
通过蛋白质工程可以改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质工程崛起的缘由
一
资料3：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活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
问题2：如何改造？蛋白质工程操作的对象是什么？
蛋白质是由基因决定的，基因可以遗传，蛋白质无法遗传。
操作方法及对象：
改造或合成基因
问题3：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
蛋白质工程的基本原理
二
任务二：请根据资料3，总结科学家改造T4溶菌酶的思路。
资料3：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活。科学家对T4溶菌酶耐热性的结构进行研究，并以此为依据对相关基因进行了改造，使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。于是在半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。
T4溶菌酶耐热性升高
推测
折叠
改造或合成
翻译
转录
耐热性T4溶菌酶的结构
耐热T4溶菌酶mRNA
耐热T4溶菌酶氨基酸的序列（第3位异亮氨酸变为半胱氨酸）
耐热T4溶菌酶基因
设计
蛋白质工程的基本原理
二
基于以上思路，总结蛋白质工程的原理：（结合教材P94第3段）
预期功能
蛋白质
(三维结构)
多肽链
目的基因
mRNA
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
翻译
转录
蛋白质工程是中心法则的逆推
A
B
C
D
建构概念
蛋白质工程的概念：
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(对象)，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质(实质)，以满足人类生产和生活的需求。
与基因工程的关系：
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
蛋白质工程的基本思路：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。
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：
问题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。
mRNA序列为：AUG UGG AUU（或C或A）UGU（或C）
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
蛋白质工程基本思路的应用
三
查密码子表得知：甲硫氨酸（AUG）、色氨酸(UGG)、异亮氨酸(AUU、AUC、AUA）、半胱氨酸（UGU、UGC）。
任务三：蛋白质工程基本思路的应用
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
问题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，从而使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸？
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。
甲硫氨酸
色氨酸
半胱氨酸
异亮氨酸
蛋白质工程基本思路的应用
三
T4溶菌酶中某多肽链的一段氨基酸序列如下：通过蛋白质工程使T4溶菌酶的第3号异亮氨酸变为半胱氨酸。
DNA序列为：TAC ACC TAA（或G或T） ACA（或G）
ATG TGG ATT（或C或A） TGT（或C）
天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素β链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。
胰岛素的分子结构示意图
胰岛素的3D示意图
α链
β链
脯氨酸
三
蛋白质工程基本思路的应用
天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素β链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。
胰岛素二聚体
胰岛素单体
脯氨酸
（CCC）
天冬氨酸(GAC)
CTG
GAC
GGG
CCC
三
蛋白质工程基本思路的应用
思考·讨论
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？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
甲硫氨酸：AUG
苯丙氨酸：UUU 、UUC
丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC
色氨酸： ACC
赖氨酸：TTT 、TTC
甲硫氨酸：TAC
苯丙氨酸：TTT 、TTG
找到DNA上相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
推出mRNA上的核糖核苷酸序列
思考·讨论
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
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，可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法获取。
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：
（1）大改：
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质
（2）中改:：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
（3）小改：
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
-------学以致用
新冠病毒（COVID-19）通过刺突蛋白（S蛋白）的活性域（RBD）与人体细胞表面的ACE2受体（一种蛋白质）相互作用，入侵到细胞内，导致人感染“新冠肺炎”。有没有办法可以干扰新冠病毒入侵人体细胞呢？
科学家成功设计了一种自然界不存在的全新蛋白质LCB1，让它与新冠病毒S蛋白的RBD紧密结合，实现了干扰新冠病毒入侵人体细胞的目的。
人类蛋白质组计划
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作流程
结果
实质
联系 基因
基因
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
任务四：蛋白质工程和基因工程比较
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
1.医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
四
蛋白质工程的应用
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）延长干扰素体外保存时间
1.医药工业方面
四
蛋白质工程的应用
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
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。
1.医药工业方面
四
蛋白质工程的应用
2.其他工业方面
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。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。
四
蛋白质工程的应用
3. 农业方面
（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。
（2）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。
四
蛋白质工程的应用
一、蛋白质工程崛起的缘由：
基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
二、蛋白质工程的基本原理：
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→找到相对应的脱氧核苷酸序列。
三、蛋白质工程的应用
课堂小结
课堂练习
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。 （ ）
x
x
√
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
课堂练习
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
课堂练习
4.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，对蛋白
质的结构进行分子设计
基因改造或基因合成
相反
课堂练习
谢谢观看
Thank you

展开更多......

收起↑