5.1.4 蛋白質(zhì)工程的崛起

Word文檔下載后可自行編輯16/165.1.4蛋白質(zhì)工程的崛起專題1第4節(jié)

人教版生物（高中）

蛋白質(zhì)工程的崛起

基因工程的實(shí)質(zhì)：

將一種生物的?????????轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者產(chǎn)生它本不能產(chǎn)的???????，進(jìn)而表現(xiàn)出??。

基因

蛋白質(zhì)

新的性狀

1

課堂導(dǎo)入

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由

1

基因工程的局限性：

a、基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)

b、天然蛋白質(zhì)不一定完全符合類

生產(chǎn)和生活的需要

2

蛋白質(zhì)工程的目的：

生產(chǎn)符合人們生活需要的、自然界中沒有的蛋白質(zhì)

閱讀P26第二自然段思考：

科學(xué)家在干擾素的保存和玉米的賴氨酸的產(chǎn)量上面臨什么樣的問題？如何解決這些問題？

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由

例如：

改造

干擾素（半胱氨酸）

體外很難保存

干擾素（絲氨酸）

體外可以保存半年

玉米中賴氨酸含量比較低

天冬氨酸激酶

（352位的蘇氨酸）

二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）

天冬氨酸激酶

（異亮氨酸）

二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）

玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍

改造

改造

問題1：

解決：

蛋白質(zhì)功能

不能滿足需求

改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

半胱氨酸

體外很難保存

？如何改造

絲氨酸

體外可以保存半年

問題2：如何對(duì)天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造？

干擾素

干擾素（改）

思考與討論思考與討論

(你認(rèn)為直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)？能否說出你的理由？)

答：毫無疑問應(yīng)該從對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：

（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。

（基因改造—可遺傳；蛋白質(zhì)改造—不可遺傳）

（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。

半胱氨酸

體外很難保存

絲氨酸

體外可以保存半年

問題3、你能推測(cè)出干擾素基因改造前和改造后的該部分序列嗎？

（半胱氨酸：UGU；絲氨酸：UCU）

干擾素

干擾素（改）

思考與討論思考與討論

二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

中心法則

回顧

DNA

RNA

蛋白質(zhì)

轉(zhuǎn)錄

翻譯

逆轉(zhuǎn)錄

復(fù)制

蛋白質(zhì)

三維結(jié)構(gòu)

氨基酸序列

多肽鏈

基因

DNA

mRNA

生物

功能

轉(zhuǎn)錄

翻譯

折疊

蛋白質(zhì)的合成過程

蛋白質(zhì)工程的流程

基因

DNA

氨基酸序列

多肽鏈

蛋白質(zhì)

三維結(jié)構(gòu)

預(yù)期功能

生物功能

mRNA

轉(zhuǎn)錄

翻譯

折疊

DNA合成

分子設(shè)計(jì)

天然蛋白質(zhì)的合成途徑：

基因表述（轉(zhuǎn)錄和翻譯）形成氨基酸序列的多肽

鏈形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能

預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)

應(yīng)有的氨基酸序列找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列酸

蛋白質(zhì)工程的途徑：

二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括：

（1）從生物體中分離純化目的蛋白；

（2）測(cè)定其氨基酸序列；

（3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維結(jié)構(gòu)和三維晶體結(jié)構(gòu);

（4）設(shè)計(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對(duì)其活性與功能的影響；

（5）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造方案，如點(diǎn)突變；

（6）分離、純化新蛋白，功能檢測(cè)后投入實(shí)際使用。

討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：

……—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—……

（1）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。

mRNA序列為：

GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）

脫氧核苷酸序列：

CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）

（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（DNA）？

確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取。

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對(duì)生產(chǎn)和生活的需求。

了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能

改造基因（基因修飾或基因合成）

前提：

途徑：

目的：

定向改造或制造蛋白質(zhì)，滿足人類的生產(chǎn)或生活的需要

蛋白質(zhì)工程的概念P27

三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景

進(jìn)展

前景

胰島素速效型藥品

制作電子元件

應(yīng)用于微電子方面：

具有、耗電少和的特點(diǎn)

體積小

效率高

蛋白質(zhì)

工程現(xiàn)狀

蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少。

對(duì)胰島素的改造，使其成為速效型藥品。

天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實(shí)驗(yàn)。

蛋白質(zhì)改造工程的實(shí)例：

項(xiàng)目

基因工程

蛋白質(zhì)工程

操作起點(diǎn)

操作核心

過程

目標(biāo)

結(jié)果

聯(lián)系

目的基因

預(yù)期的蛋白質(zhì)功能

基因表述載體

基因

獲取目的基因→

構(gòu)建表述載體→

導(dǎo)入受體細(xì)胞→

目的基因的檢測(cè)與表述

預(yù)期蛋白質(zhì)功能→

設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→

推測(cè)氨基酸序列→

推測(cè)核苷酸序列→

合成DNA→表述出蛋白質(zhì)

定向改造生物的遺傳特性，獲得人類所需的生物類型或產(chǎn)品

定向改造或生產(chǎn)

人類所需的蛋白質(zhì)

生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上,

延伸出來的第二代基因工程。

生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)

比較基因工程和蛋白質(zhì)工程

1、你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？

人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。2003年，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。

四、知識(shí)拓展

“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國際上第一個(gè)人類組織／器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。

2、你知道酶工程嗎?絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程和蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別？

酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。（如加酶洗衣粉）

通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設(shè)計(jì)酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。

因此，酶工程的重點(diǎn)在于對(duì)已存酶的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點(diǎn)則在于對(duì)已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng)然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會(huì)應(yīng)用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。

小結(jié)

1、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由

2、蛋白質(zhì)工程的原理：

中心法則的逆推

預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)

推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列

設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列

3、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景

練習(xí)檢測(cè)

1．蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對(duì)象是（）

Ａ．氨基酸結(jié)構(gòu)B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

C．肽鏈結(jié)構(gòu)D．基因結(jié)構(gòu)

Ｄ

2、蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（）

①蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)②DNA合成

③預(yù)期蛋白質(zhì)功能④據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列

A.①→②→③→④B.④→②→①→③C.③→①→④→②D.③→④→①→②

C

3．[15·全國卷Ⅱ]已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì)(P)，該蛋白質(zhì)是一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，由305個(gè)氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(zhì)(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性?；卮穑?/p>

(1)從上述資料可知，若要改變蛋白質(zhì)的功能，可以考慮對(duì)蛋白質(zhì)的進(jìn)行改造。

(2)以P基因序列為基礎(chǔ)，獲得P1基因的途徑有修飾______基因或合成_____基因。所獲得的基因表述時(shí)是遵循中心法則的，中心法則的全部內(nèi)容包括的復(fù)制，以及遺傳信息在不同分子之間的流動(dòng)，即：

。

(3)蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預(yù)期蛋白質(zhì)功能出發(fā)，通過和_______________，進(jìn)而確定相對(duì)應(yīng)的脫