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（2019）選擇性必修三

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）結(jié)合中心法則有關(guān)知識(shí)，說(shuō)明蛋白質(zhì)工程的基本原理（2）基于蛋白質(zhì)工程的實(shí)例，采用模型建構(gòu)方法，表示蛋白質(zhì)工程的基本思路（3）嘗試通過(guò)蛋白質(zhì)工程技術(shù)，運(yùn)用逆向思維設(shè)計(jì)或改造某一蛋白質(zhì)（人胰島素）的設(shè)計(jì)流程豬胰島素

基因工程

胰島素類(lèi)似物

資料一

20世紀(jì)80年代，以基因重組技術(shù)為基石的人胰島素應(yīng)運(yùn)而生，高度純化的人胰島素對(duì)于血糖的控制更加準(zhǔn)確，因此很快取代了第一代的動(dòng)物胰島素1、根據(jù)中心法則，說(shuō)出由胰島素基因合成胰島素的過(guò)程2、回顧通過(guò)基因工程生產(chǎn)人胰島素的流程胰島素基因mRNA胰島素資料2人體內(nèi)，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。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(guò)程。胰島素六聚體胰島素單體起效慢

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(guò)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(lèi)生產(chǎn)和生活的需要。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基本思路？胰島素的分子結(jié)構(gòu)示意圖→空間結(jié)構(gòu)→氨基酸序列功能利用X射線(xiàn)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)。起效慢如何改？資料3：科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，胰島素B鏈第20~29位的氨基酸是胰島素分子形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，若將第28位的脯氨酸替換為天冬氨酸，可以有效抑制胰島素的聚合，從而獲得胰島素單體。脯氨酸天冬氨酸討論1：要有效抑制胰島素的聚合，使應(yīng)該如何對(duì)改造？方案1：直接改造胰島素上的氨基酸方案2：對(duì)胰島素基因進(jìn)行改造

①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳課堂活動(dòng)1：已知天然胰島素β鏈27-29位氨基酸序列如下所示蘇氨酸脯氨酸賴(lài)氨酸β（1）、利用材料包中的彩色卡紙（密碼子），在課堂活動(dòng)紙拼出該序列對(duì)應(yīng)的mRNA序列（根據(jù)手中材料盡可能多種），分析出現(xiàn)多種情況的原因（2）、根據(jù)學(xué)案已知密碼子，寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的基因片段的堿基序列（3）當(dāng)脯氨酸被天冬氨酸替換后，基因的模板鏈發(fā)生的變化為六聚體單體蘇氨酸

脯氨酸

賴(lài)氨酸（ACUCCCAAG）蘇氨酸

天冬氨酸

賴(lài)氨酸(ACUGACAAG)基因mRNA氨基酸胰島素課堂活動(dòng)1：根據(jù)已知密碼子，寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的基因片段的堿基序列①②①②A(yíng)CUCCCAAGACUGACAAGACTCCCAAGTGAGGGTTCACTGACAAGTGACTGTTC如何改造基因？

資料4：科學(xué)家運(yùn)用PCR技術(shù)可以改變目的基因上特定位點(diǎn)的核苷酸，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)突變。常規(guī)下游引物課堂活動(dòng)2：根據(jù)活動(dòng)1結(jié)果設(shè)計(jì)引物部分堿基序列GACAAGCTGTTCGACAAGCTGTTCCTGTTCGACAAG1課堂活動(dòng)3：基于前面的思考和活動(dòng)，請(qǐng)同學(xué)們梳理總結(jié)出研發(fā)速效胰島素的流程圖。胰島素的新功能—3速效胰島素的三維結(jié)構(gòu)—6預(yù)測(cè)多肽鏈的氨基酸序列—2速效胰島素基因的堿基序列—1生成第28位的脯氨酸替換為天冬氨酸的多肽鏈—4速效胰島素—5新基因—7胰島素的新功能—3速效胰島素的三維結(jié)構(gòu)—6多肽鏈的氨基酸序列—2速效胰島素基因的堿基序列—1生成第28位脯氨酸替換為天冬氨酸的多肽鏈—4速效胰島素—5新基因—7

預(yù)期設(shè)計(jì)

推測(cè)

推測(cè)

合成或改造

表達(dá)

折疊

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(guò)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(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求。蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系基因在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求蛋白質(zhì)工程

①基礎(chǔ)：②操作對(duì)象：③操作手段：④目的：⑤地位：改造或合成基因閱讀課本P93，并總結(jié)以下問(wèn)題課堂活動(dòng)4：根據(jù)蛋白質(zhì)工程的概念及基本思路歸納概括

（1）、

蛋白質(zhì)工程的基本思路與基因工程的不同點(diǎn)？（2）、如何辨別一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？基因工程是遵循中心法則，DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程的思路：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基排列，創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)（1）、蛋白質(zhì)工程的基本思路與基因工程的不同點(diǎn)？（2）、如何辨別一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程應(yīng)用1

干擾素可以用于治療癌癥，但在體外保存相當(dāng)困難。如果將其分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，那么，其在－70℃條件下可保存半年，這需要利用蛋白質(zhì)工程來(lái)完成。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用“生”在基因，“命”在蛋白天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)基因修飾或基因合成基因的脫氧核苷酸序列新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，將一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年應(yīng)用2：降低人對(duì)小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)

通過(guò)改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即

區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即

區(qū)）上，經(jīng)過(guò)這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。如何對(duì)基因進(jìn)行改造呢可變恒定蛋白質(zhì)工程的難點(diǎn)？基因融合和基因剪切未來(lái)已來(lái)

蛋白質(zhì)工程的原理與應(yīng)用概念基礎(chǔ)手段目的操作對(duì)象基本思路應(yīng)用醫(yī)藥工業(yè)農(nóng)業(yè)其他方面本節(jié)小結(jié)崛起1、科學(xué)家利用基因定點(diǎn)突變技術(shù)，對(duì)枯草桿菌堿性蛋白酶BAPB92第188、239和262位氨基酸殘基進(jìn)行改造，構(gòu)建了突變體BAPB92（A188P）、BAPB92（Q239R）和BAPB92（A188P/V262I）。相對(duì)于野生型，BAPB92（A188P）酶活力提高了2.6倍，BAPB92（Q239R）酶活力提高了2.5倍，BAPB92（A188P/V262I）酶活力提高了3.3倍，并且突變體蛋白酶的熱穩(wěn)定性和耐堿情況均得到較大提高。下列相關(guān)敘述正確的是（）A．堿性蛋白酶BAPB92的改造無(wú)需設(shè)計(jì)蛋白酶突變體的結(jié)構(gòu)B．水解替換酶BAPB92第188位的氨基酸可獲得突變體BAPB92（A188P）C．枯草桿菌堿性蛋白酶的改造工程遵循的原理是基因重組D．三種突變體中BAPB92（A188P/V262I）降低反應(yīng)活化能的效果最顯著D2、科研人員利用乳腺生物反應(yīng)器表達(dá)重組人溶菌酶，使生產(chǎn)出的牛奶含有高抑菌活性的溶菌酶，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)、藥用雙重功能。回答下列問(wèn)題：

(1)科研人員根據(jù)人溶菌酶的氨基酸序列合成人溶菌酶基因，其步驟是

，依據(jù)氨基酸序列推測(cè)得到的目的基因堿基序列有多種的原因是

。為了便于將目的基因與運(yùn)載體結(jié)合，需要在目的基因的兩端添加限制酶識(shí)別的序列，與選用EcoRⅠ識(shí)別序列相比，選擇BamHⅠ和HindⅢ識(shí)別序列的優(yōu)點(diǎn)是

。先推測(cè)氨基酸序列對(duì)應(yīng)的mRNA序列，再推測(cè)對(duì)應(yīng)的基因序列密碼子具有簡(jiǎn)并性可防止目的基因和運(yùn)載體的自身環(huán)化2000年，首個(gè)長(zhǎng)效胰島素―—甘精胰島素獲批應(yīng)用于臨床，成功填補(bǔ)了“理想基礎(chǔ)胰島素”的空白，其使用平穩(wěn)無(wú)峰，能更好的模擬生理性胰島素分泌，是目前臨床常用的基礎(chǔ)胰島素。2005年，另一