【名校同步】高中生物下學(xué)期人教版2019選擇性必修3課件：3.4 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

從社會(huì)中來(lái)1.視頻里面有一副發(fā)光的樹，科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能發(fā)出熒光？用細(xì)菌“畫”的畫2.綠色熒光蛋白來(lái)源于一種發(fā)光水母，科學(xué)家通過(guò)改造綠色熒光蛋白，獲得了能發(fā)出其他顏色熒光蛋白，才“畫”出了色彩斑斕的圖案?？茖W(xué)家如何對(duì)天然的綠色熒光蛋白進(jìn)行改造？基因工程技術(shù)使細(xì)菌表達(dá)了熒光蛋白。第3章第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用目錄Contents1蛋白質(zhì)工程崛起的緣由2蛋白質(zhì)工程的原理3蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由【資料1】玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計(jì)改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍，如下圖所示：賴氨酸合成調(diào)控達(dá)到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴氨酸含量抑制提高提高限制提高一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程的實(shí)際：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)出新性狀?；蚬こ痰牟蛔悖涸谠瓌t上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)的不足：天然蛋白質(zhì)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。02蛋白質(zhì)工程的原理對(duì)天然的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？①蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。②

蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：通過(guò)改造或合成基因，來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。③

蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象:基因！蛋白質(zhì)工程的原理二、蛋白質(zhì)工程的原理【資料2】天然胰島素制劑往往以二聚體或六聚體的形式存在，需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間才能解離為單體，見效慢?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，胰島素β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。請(qǐng)小組討論改造胰島素分子的思路。胰島素的分子結(jié)構(gòu)示意圖胰島素的3D示意圖α鏈β鏈脯氨酸【資料2】天然胰島素制劑往往以二聚體或六聚體的形式存在，需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間才能解離為單體，見效慢?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，胰島素β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。請(qǐng)小組討論改造胰島素分子的思路。二、蛋白質(zhì)工程的原理胰島素二聚體胰島素單體脯氨酸（CCC）天冬氨酸(GAC)CTGGACGGGCCC①蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。②

蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：通過(guò)改造或合成基因，來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。③

蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象:基因！蛋白質(zhì)工程的原理由預(yù)期的蛋白質(zhì)的功能出發(fā)，找到并改變相對(duì)應(yīng)的基因或合成新的基因，即基因表達(dá)的逆推。①天然蛋白質(zhì)的合成（中心法則）：②蛋白質(zhì)工程：基因表達(dá)（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并改變相應(yīng)的脫氧核苷酸序列酸蛋白質(zhì)工程③蛋白質(zhì)工程的基本思路：借助計(jì)算機(jī)構(gòu)建蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖:制備蛋白質(zhì)晶體：堿基的替換：通過(guò)X射線衍射技術(shù)基因的定點(diǎn)突變技術(shù)03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三、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)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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3.1醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物三、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)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年（2）延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間3.1醫(yī)藥工業(yè)方面三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用（3）降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)

通過(guò)改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(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。3.1醫(yī)藥工業(yè)方面三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用3.2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。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，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3.3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速率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過(guò)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)。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)自然界已有的蛋白質(zhì)通過(guò)改造或合成基因來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)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①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因本節(jié)小結(jié)：蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測(cè)1.蛋白質(zhì)工程可以說(shuō)是基因工程的延伸。判斷下列相關(guān)表述是否正確。（1）基因工程需要在分子水平對(duì)基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對(duì)基因進(jìn)行操作。（）（2）蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。（）（3）蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。（）xx√2.蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是（）A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求練習(xí)與應(yīng)用D3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是（）A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D.蛋白質(zhì)練習(xí)與應(yīng)用A二、拓展應(yīng)用T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇？在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么？如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工