【高效備課】高二生物下冊人教2019版選擇性必修3同步：3.4 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用（課件）

第3章基因工程第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的基本原理是什么？蛋白質(zhì)工程已有哪些實際的應(yīng)用？本節(jié)聚焦12你見過用細菌畫畫嗎？左圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫”的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為它們體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？【從社會中來】蛋白質(zhì)工程蛋白質(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。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，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。隨著分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，蛋白質(zhì)工程取得了很大的進展。目前，它已經(jīng)成為研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的重要手段，并將廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和其他工業(yè)生產(chǎn)中。

蛋白質(zhì)工程概述1.基因工程的實質(zhì)及缺陷①實質(zhì)：基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進而表現(xiàn)出新性狀。②缺陷：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)。2.蛋白質(zhì)工程崛起的緣由②天然蛋白質(zhì)的缺陷：天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，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。01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由①理論和技術(shù)條件:分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展。產(chǎn)量提高賴氨酸含量低合成時需：天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。濃度影響酶活性舉例異亮氨酸蘇氨酸(352位）異亮氨酸天冬酰胺(104位)01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)，而天然蛋白質(zhì)不一定能滿足人類生產(chǎn)生活的需要。天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶352：蘇氨酸→異亮氨酸104：天冬酰胺→異亮氨酸01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由旁欄思考人類蛋白質(zhì)組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國際合作科研項目。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動兩項重大國際合作項目：一項是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”；另一項是由美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕?！叭祟惛闻K蛋白質(zhì)組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質(zhì)組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國際科研協(xié)作計劃。它的目標是通過對肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)模化的研究，解析肝臟蛋白質(zhì)在生理、病理過程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。人類蛋白質(zhì)組計劃取得的成果有力推動了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國人類蛋白質(zhì)組計劃啟動。你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔了什么任務(wù)？1.目標：根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，最終通過改造或合成基因來完成。02蛋白質(zhì)工程的基本原理2020年AlphaFold（源自Google的Deepmind團隊，曾設(shè)計過阿爾法狗）可實現(xiàn)精準預(yù)測蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)2.天然蛋白質(zhì)合成過程：按照中心法則課堂活動：請同學(xué)在草稿紙上寫出中心法則提醒：蛋白質(zhì)只有具有一定空間結(jié)構(gòu)，才能表達特有性狀或具有特定功能。3.基本思路：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(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)預(yù)期功能生物功能設(shè)計蛋白質(zhì)（三維結(jié)構(gòu)）推測改造或合成轉(zhuǎn)錄翻譯折疊行使目的基因mRNA多肽鏈02蛋白質(zhì)工程的基本原理思考：與中心法則的關(guān)系？某多肽鏈的一段氨基酸序列是：思考?討論——蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用討論1．怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。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？丙氨酸…………色氨酸賴氨酸苯丙氨酸某多肽鏈的一段氨基酸序列是：思考?討論——蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用討論1．怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。丙氨酸…………色氨酸賴氨酸苯丙氨酸查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。推知mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）進一步推知脫氧核苷酸序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）某多肽鏈的一段氨基酸序列是：思考?討論——蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用討論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？丙氨酸…………色氨酸賴氨酸苯丙氨酸提示：人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會用到基因定點突變技術(shù)來進行堿基的替換、增添等。學(xué)科交叉蛋白質(zhì)工程經(jīng)常要借助計算機來建立蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型；要制備蛋白質(zhì)晶體，然后通過X射線衍射技術(shù)，分析晶體結(jié)構(gòu)；要用到基因的定點突變技術(shù)來進行堿基的替換。醫(yī)藥工業(yè)方面速效胰島素類似物研發(fā)可長期保存的干擾素人鼠嵌合抗體速效胰島素（賴脯胰島素注射液，B28脯氨酸與B29賴氨酸交換位置）β-干擾素氨基酸序列（源自Genbank）三個半胱氨酸易發(fā)生二硫鍵錯配，將17位半胱氨酸替換為絲氨酸，可提高穩(wěn)定性03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用其它工業(yè)方面改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶，如適應(yīng)范圍更廣的枯草桿菌蛋白酶農(nóng)業(yè)方面改造某些參與調(diào)控光合作用的酶設(shè)計微生物農(nóng)藥03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。由計算機建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用異想天開

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。利用改造后的動物細胞、微生物細胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計出來的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對