生物蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課件-2024-2025學(xué)年高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用第三章第四節(jié)本節(jié)聚焦蛋白質(zhì)工程的基本原理是什么？01蛋白質(zhì)工程有哪些實(shí)際的應(yīng)用？02從社會(huì)中來(lái)科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能發(fā)出熒光？轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將熒光蛋白基因轉(zhuǎn)入細(xì)菌內(nèi)并使之表達(dá)。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白質(zhì)綠色熒光蛋白，如何才能獲得其他顏色的熒光蛋白？熒光蛋白有什么使用前景？這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。通過(guò)對(duì)綠色熒光蛋白進(jìn)行改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(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?；A(chǔ)手段結(jié)果目的困難蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴(lài)正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程基因工程的實(shí)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?；蚬こ痰牟蛔慊蚬こ淘瓌t上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要不一定完全符合人類(lèi)生產(chǎn)生活的需要基因重組蛋白質(zhì)工程崛起的緣由實(shí)例賴(lài)氨酸含量比較低天冬氨酸賴(lài)氨酸天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶抑制（很難提高）第352位:蘇氨酸異亮氨酸變成第104位:天冬酰胺異亮氨酸變成提高5倍提高2倍蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(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。改造蛋白質(zhì)的方法改造或合成基因?yàn)槭裁吹鞍踪|(zhì)工程改造基因而不直接改造蛋白質(zhì)？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。蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的基本思路基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質(zhì)行使生物功能預(yù)期功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成（三維結(jié)構(gòu)）預(yù)期蛋白質(zhì)的功能設(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)的脫氧核苷酸序列或合成新的基因獲得所需蛋白質(zhì)逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程相反蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮功能必須依賴(lài)于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜(高級(jí)結(jié)構(gòu)的解析往往要制備蛋白質(zhì)晶體、通過(guò)X涉嫌衍射技術(shù)，分析晶體結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)建立三維結(jié)構(gòu)模型并修正)?？茖W(xué)家要設(shè)計(jì)出更加符合人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。蛋白質(zhì)工程的基本原理正常人體內(nèi)，血液中胰島素含量進(jìn)食后30-60分鐘達(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)，胰島素分子易聚合成二聚體或六聚體，注射胰島素后需要經(jīng)歷一個(gè)解聚為單體的過(guò)程?；谏鲜雒枋?，提出一個(gè)合理的蛋白質(zhì)工程目標(biāo)，并闡述實(shí)施過(guò)程？①預(yù)期蛋白質(zhì)功能：降低現(xiàn)有胰島素的聚合作用并得到速效胰島素類(lèi)似物產(chǎn)品；②分析現(xiàn)有胰島素結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)預(yù)期蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足速低聚效功能特點(diǎn)；③推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列，明確修改方案；④推到相應(yīng)氨基酸序列，通過(guò)定點(diǎn)突變技術(shù)或者人工合成技術(shù)得到目的基因；⑤構(gòu)建基因表達(dá)載體，導(dǎo)入受體細(xì)胞，表達(dá)蛋白質(zhì)獲得產(chǎn)物。胰島素六聚體胰島素單體蛋白質(zhì)工程的基本原理利用X射線晶體衍射，核磁共振等技術(shù)，明確胰島素的空間結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴(lài)氨酸，或者將B28脯氨酸替換為天冬氨酸，可以保持天然胰島素的主要構(gòu)象，同時(shí)能降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集。天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：蘇氨酸脯氨酸賴(lài)氨酸蘇氨酸設(shè)計(jì)后胰島素B鏈部分氨基酸序列：蘇氨酸賴(lài)氨酸脯氨酸蘇氨酸蛋白質(zhì)工程的基本原理天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：蘇氨酸脯氨酸賴(lài)氨酸蘇氨酸設(shè)計(jì)后胰島素B鏈部分氨基酸序列：蘇氨酸賴(lài)氨酸脯氨酸蘇氨酸mRNAmRNADNADNA不唯一，因?yàn)橐粋€(gè)氨基酸由一個(gè)或多個(gè)密碼子決定，因此基因堿基序列有多種。推測(cè)出多肽中的氨基酸序列，那么其基因堿基序列是否唯一？為什么？可以人工合成目的基因，人胰島素B鏈基因較短，按照設(shè)計(jì)好的編碼序列進(jìn)行化學(xué)合成，是獲取這種突變型目的基因的首選方法。也可以應(yīng)用基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等進(jìn)而改造基因。確定目的基因堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用①

研發(fā)速效胰島素類(lèi)似物醫(yī)藥工業(yè)方面天然蛋白質(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(lài)氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊行使功能降低胰島素的聚合作用改變B鏈第20～29位氨基酸組成預(yù)期功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用②

延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間醫(yī)藥工業(yè)方面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折疊行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間氨基酸替換預(yù)期功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用③

降低人對(duì)小鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)醫(yī)藥工業(yè)方面通過(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。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶其他工業(yè)方面如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高該酶的使用價(jià)值。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用農(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

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)，使防治病蟲(chóng)害的效果增強(qiáng)。伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類(lèi)抗寄生蟲(chóng)藥蛋白質(zhì)工程與基因工程的區(qū)別與聯(lián)系比較內(nèi)容基因工程蛋白質(zhì)工程起點(diǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)結(jié)果聯(lián)系生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中非天然的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類(lèi)所需要的生物類(lèi)型或生物產(chǎn)品改造或制造人類(lèi)所需要的蛋白質(zhì)預(yù)期的蛋白質(zhì)功能目的基因獲取目的基因→構(gòu)建表達(dá)