3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課件高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修32

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過蛋白質(zhì)工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。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)，通過改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。它是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。第一部分蛋白質(zhì)工程崛起的緣由第二部分蛋白質(zhì)工程的基本原理第三部分蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用目錄目錄contents一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀，這就是基因工程的實(shí)質(zhì)。1.基因工程的實(shí)質(zhì)2.基因工程的不足基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。這些天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由玉米中賴氨酸的含量比較低賴氨酸是人體的必需氨基酸賴氨酸含量低的原因天冬氨酸賴氨酸天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶抑制抑制負(fù)反饋調(diào)節(jié)對(duì)玉米是有利的對(duì)人類生成卻是不利的改造一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶蘇第352位:蘇氨酸第104位:天冬酰胺天異亮氨酸變成異亮氨酸玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍變成………一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由天冬氨酸激酶蘇352………異352mRNA一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由………一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由天冬氨酸激酶蘇352………異352mRNAGAUAUUDNA（基因）CTAGATTAAATT改造一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由二、蛋白質(zhì)工程的基本原理二、蛋白質(zhì)工程的基本原理12345二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)在正常人體內(nèi)，血液中胰島素的含量通常在進(jìn)食后30-60分鐘就達(dá)到高峰，而目前使用的基因工程生產(chǎn)的胰島素制劑，注射120分鐘才出現(xiàn)高峰。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，胰島素分子容易聚合成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后往往需要經(jīng)歷一個(gè)逐漸解聚為單體的過程。胰島素六聚體胰島素單體二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)胰島素六聚體胰島素單體預(yù)期蛋白質(zhì)的功能：科學(xué)家希望對(duì)胰島素進(jìn)行改造，從而降低它的聚合作用并得到速效胰島素類似物產(chǎn)品。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)利用X射線晶體衍射，核磁共振等技術(shù)手段，充分了解胰島素的空間結(jié)構(gòu)。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)研究人員通過解析人胰島素的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，人胰島素由A鏈和B鏈構(gòu)成，其中B鏈的第20?29位氨基酸是胰島素分子相互作用形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，改變這個(gè)區(qū)域氨基酸的組成就有可能降低胰島素分子間的作用力二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)使B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與B29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)脯氨酸天冬氨酸AspUGAUCCAGGTCCACTTGA改造二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)大引物PCR定點(diǎn)突變二、蛋白質(zhì)工程的基本原理從預(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并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因獲得所需要的蛋白質(zhì)三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能降低胰島素的聚合作用改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合1、醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)行使功能三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能延長(zhǎng)保存時(shí)間氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年1、醫(yī)藥工業(yè)方面（2）延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)行使功能三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1、醫(yī)藥工業(yè)方面（3）降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)小鼠單克隆抗體會(huì)使人產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致它的治療效果大大降低，科學(xué)家將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)降低很多。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用2、其他工業(yè)方面蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。例如，枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，因此常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價(jià)值。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3、農(nóng)業(yè)方面①改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量；②利用蛋白質(zhì)工程的思路來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對(duì)象操作起點(diǎn)操作水平操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(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→找到并改變對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有