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)期生物人教版選擇性必修3

1、第3章 基因工程第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用1955年由英國科學(xué)家桑格（S.Sanger）首先確定牛胰島素中氨基酸的組成和排列順序，桑格也因此榮獲1958年諾貝爾化學(xué)獎。從1958年開始，中國科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所、中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所和北京大學(xué)化學(xué)系三個單位聯(lián)合，以王應(yīng)睞為首，組成一個協(xié)作組，在前人對胰島素結(jié)構(gòu)和肽鏈合成方法研究的基礎(chǔ)上，開始探索用化學(xué)方法合成胰島素。在1965年9月17日完成了結(jié)晶牛胰島素的全合成。經(jīng)過嚴格鑒定，它的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶形狀都和天然的牛胰島素完全一樣。這是世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)。這項成果獲1982年中國自然科學(xué)一等獎。結(jié)晶牛胰

2、島素發(fā)展小史我們還在利用化學(xué)方法合成胰島素嗎？ 01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的優(yōu)勢及缺陷優(yōu)勢：目的基因重組DNA分子受體細胞定向改造生物遺傳特性獲得蛋白質(zhì)產(chǎn)品缺陷：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)。不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。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。蛋白質(zhì)具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，表達生物特有的功能和性狀。中心法則：蛋白質(zhì)的功能由基因決定，要制造出新的蛋白質(zhì)就要改造基因第二代基因工程呼之欲出！2.蛋白質(zhì)工程概念以蛋白質(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)

3、和生活的需求。思考：1.對天然蛋白質(zhì)分子進行改造，是以蛋白質(zhì)分子為操作對象，還是基因？2.蛋白質(zhì)工程中如何構(gòu)建新基因？思考討論丙氨酸色氨酸賴氨酸谷氨酸苯丙氨酸（1）怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-氨基酸序列GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G） UUU(或C)mRNA序列 脫氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C)CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G)32種可能序列（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

4、因的堿基序列后，可以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。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)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(zhǔn)預(yù)測蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu) 02蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：2.天然蛋白質(zhì)合成過程：按照中心法則進行基因表達形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能轉(zhuǎn)錄、翻譯根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)

5、構(gòu)進行設(shè)計改造，最終通過改造或合成基因來完成。3.蛋白質(zhì)工程的基本思路預(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多肽鏈思考：與中心法則的關(guān)系？天然蛋白質(zhì)合成的過程按照中心法則進行,而蛋白質(zhì)工程的原理卻是中心法則的逆運用合作探究蛋白質(zhì)工程與基因工程的關(guān)系胰島素可以用于治療糖尿病,但是胰島素被注射到人體后,會堆積在皮下,并且要經(jīng)過較長時間才能進入血液中,而進入血液的胰島素又容易被分解,因此,治療效果受到影響。如圖是用蛋白質(zhì)工程設(shè)計速效胰島素的生產(chǎn)過程,請據(jù)圖回答有關(guān)問題:1.對天然胰島素進行改造時,操作對象是胰島素還是胰島素基因?請說明理由。2.請從蛋白質(zhì)

6、角度對基因工程和蛋白質(zhì)工程進行比較。3.構(gòu)建新的蛋白質(zhì)模型是蛋白質(zhì)工程的關(guān)鍵,圖中構(gòu)建新的胰島素模型的主要依據(jù)是什么？4.對天然蛋白質(zhì)進行改造,應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作,還是通過對基因的操作來實現(xiàn)?5.圖解中從新的胰島素模型到新的胰島素基因的基本思路是什么?胰島素基因。天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的,改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造,且這種改造可以遺傳下去。基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì),而蛋白質(zhì)工程則是對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造,或制造一種新的蛋白質(zhì)。圖中構(gòu)建新的胰島素模型的依據(jù)是胰島素的功能,即速效胰島素。也就是蛋白質(zhì)的預(yù)期功能通過對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造。根據(jù)新的胰島素模

7、型中氨基酸的序列,推測出其基因中的脫氧核苷酸序列,然后利用DNA合成儀來合成新的胰島素基因。習(xí)題鞏固下圖為蛋白質(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_。(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 03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用.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

8、素（賴脯胰島素注射液，B28脯氨酸與B29賴氨酸交換位置）-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)定性對人體的不良反應(yīng)減少其它工業(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，提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量設(shè)計微生物農(nóng)藥，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；蛋白質(zhì)食品的工廠化生產(chǎn)想象圖蛋白質(zhì)工程難度大蛋白質(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。三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)（1）