【課件】3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課件-2021-2022學(xué)年高二下學(xué)期生物人教版（2019）選擇性必修3

1、第第三三章章 基因工程基因工程第第4 4節(jié)節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)理解蛋白質(zhì)的原理（生命觀念） 01 02用列表法比較蛋白質(zhì)工程和基因工程（科學(xué)思維）從社會中來從社會中來你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌同顏色熒光的細菌“畫畫 的美妙圖案。這的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因內(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，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科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒

2、光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢等。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。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？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？用細菌用細菌“畫畫”的畫的畫熒光蛋白發(fā)出的光穿透性極強，即使蛋熒光蛋白發(fā)出的光穿透性極強，即使蛋白質(zhì)位于小動物體內(nèi)深處，其發(fā)出的光白質(zhì)位于小動物體內(nèi)深處，其發(fā)出的光也可以穿透生物體外界看到。在癌癥研也可以穿透生物體外界看到。在癌癥研究過程中，熒光蛋白的出現(xiàn)使得科學(xué)家究過程中，熒光蛋白的出現(xiàn)使得科學(xué)家們能夠觀測到腫瘤細胞的具體活動，比們能夠觀測到

3、腫瘤細胞的具體活動，比如中休息寶的成長、入侵、轉(zhuǎn)移和新生。如中休息寶的成長、入侵、轉(zhuǎn)移和新生?；仡櫯f知回顧舊知轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNADNARNARNA翻譯翻譯肽鏈肽鏈逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制復(fù)制復(fù)制折疊等折疊等具有空間結(jié)具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達生物特有表達生物特有的功能或性狀的功能或性狀天然蛋白質(zhì)的合成過程與性狀表達蛋白質(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血紅蛋白的三血紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)級結(jié)構(gòu)6三三級級結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)一一級級結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)四四級級結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)二二級級結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 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)

4、，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。 基礎(chǔ)：_ 操作：_ 操作對象：_ 目的：_ _ 地位：_ 理論和技術(shù)：_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)系改造或合成基因改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)，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)和生活的需求以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程基因基因分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計算機技術(shù)分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計算機技術(shù)一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.蛋白質(zhì)工程定義2.蛋白質(zhì)工程

5、崛起的緣由 缺陷：原則上只能產(chǎn)生自然界已存在的蛋白質(zhì)(天然蛋白)基因工程 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)和生活需要天然蛋白缺陷 對天然蛋白進行改造，產(chǎn)生更符合人類需要的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程崛起實質(zhì)：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。產(chǎn)量提高產(chǎn)量提高賴氨酸賴氨酸含量低含量低合成時需：合成時需：天冬氨酸激酶；天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。二氫吡啶二羧酸合成酶。濃度影響濃度影響酶活性酶活性實例實例異亮氨酸異亮氨酸蘇氨酸蘇氨酸(352(352位）位）異亮氨酸異亮氨酸天冬酰胺天冬酰胺(104(104位位) )預(yù)期的

6、蛋白質(zhì)功能設(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蛋白質(zhì)預(yù)期功能生物功能設(shè)計推測改造或合成行使折疊目的基因 轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈 蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（1）目標(biāo)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 （2）方法改造或合成基因思考思考討論討論某多肽鏈的一段氨基酸序列是：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨丙氨酸酸色氨色氨酸酸賴氨賴氨酸酸谷氨谷氨酸酸苯丙苯丙氨酸氨酸1.1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸虛列？請把相應(yīng)的堿基怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸虛列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。序列寫

7、出來。每種氨基酸都有對應(yīng)的密碼子，每種氨基酸都有對應(yīng)的密碼子，只要查密碼子表就能將氨基就能將氨基酸蓄力的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾酸蓄力的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多種密碼子編碼的，所以相應(yīng)的堿基排列組合個氨基酸是由多種密碼子編碼的，所以相應(yīng)的堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排列起來就比較復(fù)雜，至少可以排列32種，可根據(jù)學(xué)過的排列組種，可根據(jù)學(xué)過的排列組合知識自己排列一下。首先應(yīng)根據(jù)密碼子推出合知識自己排列一下。首先應(yīng)根據(jù)密碼子推出mRNA序列，序列，再根據(jù)堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列再根據(jù)堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列丙氨酸丙氨酸

8、 ：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：色氨酸：UGG賴氨酸：賴氨酸： AAA 、AAG甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU 、UUC丙氨酸丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC色氨酸：色氨酸： ACC賴氨酸：賴氨酸：TTT 、TTC甲硫氨酸：甲硫氨酸：TAC苯丙氨酸：苯丙氨酸：TTT 、TTG思考思考討論討論丙氨丙氨酸酸色氨色氨酸酸賴氨賴氨酸酸谷氨谷氨酸酸苯丙苯丙氨酸氨酸2.2.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？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？確定目的基因的堿基序列后，可以根據(jù)人類的需要改造它，通過人確定目的基因的堿基序列后，可以

9、根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的方法獲取。工合成的方法獲取。拓展延伸拓展延伸根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對蛋白質(zhì)的改造可根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對蛋白質(zhì)的改造可分為三類：分為三類：（1 1）大改大改：設(shè)計并制造出自然界中不存在的設(shè)計并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)全新蛋白質(zhì)（2 2）中改中改：在蛋白質(zhì)分子中在蛋白質(zhì)分子中替換某一個肽段或某一個特定的結(jié)構(gòu)域替換某一個肽段或某一個特定的結(jié)構(gòu)域。（3 3）大改大改：改造改造蛋白質(zhì)分子中的蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基幾個氨基酸殘基下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：(1)代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過程是_；代表中心法則內(nèi)容的是_

10、。(填寫數(shù)字)(2)寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過程的名稱或內(nèi)容： _； _；_；_；_。(3)蛋白質(zhì)工程的目的是_ _，通過_實現(xiàn)。(4)從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是_的。轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測改造合成根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，基因改造或基因合成相反對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行分子設(shè)計習(xí)題鞏固改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年（2 2）提高干擾素的保存期提高干擾素的保存期天然胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，延緩療效改造速效胰島素類似物產(chǎn)品有效抑制胰島素的聚合三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.在醫(yī)藥方面的應(yīng)用在醫(yī)藥方面的應(yīng)用（1 1）研發(fā)速效胰島素類似物：研發(fā)速效

11、胰島素類似物：科學(xué)家通過改造科學(xué)家通過改造_使使B B鏈鏈2828位脯氨位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與酸替換為天冬氨酸或者將它與2929位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了_，研發(fā)出速效胰島素類似物。，研發(fā)出速效胰島素類似物。胰島素基因胰島素基因胰島素的聚合胰島素的聚合（3 3）改造抗體改造抗體：將小鼠單克隆抗體上將小鼠單克隆抗體上_“嫁接嫁接”到到人的抗體上，降低了誘發(fā)人體免疫反應(yīng)的強度。人的抗體上，降低了誘發(fā)人體免疫反應(yīng)的強度。結(jié)合抗原的區(qū)域結(jié)合抗原的區(qū)域鼠抗體人抗體恒定區(qū)恒定區(qū)可變區(qū)可變區(qū)嵌合抗體對人體的不良反應(yīng)減少制備人鼠嵌合抗體（2 2）開發(fā)新的工業(yè)

12、用酶。開發(fā)新的工業(yè)用酶。2.在工業(yè)方面的應(yīng)用在工業(yè)方面的應(yīng)用（1 1）改進酶的性能，從而提高其使用價值。如利用蛋白質(zhì)工程改進酶的性能，從而提高其使用價值。如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的獲得枯草桿菌蛋白酶的_，從中篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需，從中篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。突變體突變體3.在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用（1 1）嘗試改造某些嘗試改造某些調(diào)控光合作用的酶調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。效率，增加糧食的產(chǎn)量。（2 2）改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使其改造微生物蛋白質(zhì)的

13、結(jié)構(gòu)，使其防治病蟲害的效果增強防治病蟲害的效果增強?；蚬こ袒蚬こ蘓SVS蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程拓展延伸拓展延伸蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較項目項目蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程基因工程基因工程區(qū)區(qū)別別 起點起點過程過程實質(zhì)實質(zhì)結(jié)果結(jié)果應(yīng)用應(yīng)用及現(xiàn)及現(xiàn)狀狀聯(lián)系聯(lián)系預(yù)期預(yù)期蛋白質(zhì)功能蛋白質(zhì)功能目的基因目的基因預(yù)期蛋白質(zhì)功能設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測氨基酸序列推測脫氧核苷酸序列合成DNA表達出蛋白質(zhì)獲取目的基因構(gòu)建基因表達載體導(dǎo)入受體細胞目的基因的檢測與鑒定通過改造相應(yīng)的基因達到對蛋白質(zhì)進行改造的目的基因重組可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)主要集中在對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造

14、，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等對創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)還有許多技術(shù)難題未突破，因為蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們對此知之甚少已被廣泛應(yīng)用，如轉(zhuǎn)基因植物、動物、藥品生產(chǎn)等已商業(yè)化基因治療僅處于初期的臨床試驗階段蛋白質(zhì)工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預(yù)期蛋白質(zhì)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一.概念檢測1.蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸。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基因進行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進行操作（ ）（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。 （ ）練習(xí)與應(yīng)用2.蛋白質(zhì)工程是在