蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)工程優(yōu)質(zhì)食物蛋白3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

理科生的浪漫——細(xì)菌畫畫自然界中的細(xì)菌本身有顏色，但是不會發(fā)出熒光。想一想：如何讓細(xì)菌能發(fā)出熒光？熒光蛋白基因細(xì)菌熒光蛋白導(dǎo)入熒光蛋白基因表達基因工程：基因工程實質(zhì)：基因工程是將一種生物的

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

，進而表現(xiàn)出

。基因蛋白質(zhì)新性狀自然界中存在的熒光蛋白只有綠色熒光蛋白，能否通過基因工程，獲得黃色熒光蛋白呢？不能?；蚬こ滩蛔悖涸瓌t上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，它們的

符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合

的需要。

天然蛋白質(zhì)的不足:結(jié)構(gòu)和功能人類生產(chǎn)和生活一.蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程手段：實例：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。將賴氨酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏?，提高賴氨酸的含量，提高營養(yǎng)價值。例如：蛋白質(zhì)A和蛋白質(zhì)B均由8個氨基酸單體組成蛋白質(zhì)A：蛋白質(zhì)B：那么蛋白質(zhì)B的賴氨酸含量多，可以對應(yīng)找到編碼蛋白質(zhì)B的基因作為目的基因?qū)胗衩字?。表示賴氨酸?蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程手段：實例：提高玉米中賴氨酸的含量來滿足人類生活需求。玉米中賴氨酸合成受兩種關(guān)鍵酶：天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶影響，改造這兩種酶，使賴氨酸含量提高。天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量達到一定濃度（－）（－）天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶+賴氨酸合成（＋）賴氨酸含量提高第352位蘇氨酸變成異亮氨酸第104位天冬酰胺變成異亮氨酸↑5倍↑2倍改造前改造后一.蛋白質(zhì)工程崛起的緣由自然界中存在的熒光蛋白只有綠色熒光蛋白，能否通過基因工程，獲得黃色熒光蛋白呢？不能?；蚬こ滩蛔悖涸瓌t上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，它們的

符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合

的需要。

天然蛋白質(zhì)的不足:結(jié)構(gòu)和功能人類生產(chǎn)和生活對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的“蛋白質(zhì)工程”開始崛起！蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一.蛋白質(zhì)工程崛起的緣由12蛋白質(zhì)工程的概念對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。蛋白質(zhì)工程：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。①基礎(chǔ)：②手段：③結(jié)果：④目的：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律與生物功能關(guān)系回顧舊知種類蛋白質(zhì)氨基酸多肽脫水縮合盤曲折疊C、H、O、N等元素組成21種（13+8）結(jié)構(gòu)通式氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序、肽鏈的空間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)多樣性功能結(jié)構(gòu)成分催化（酶）運輸功能免疫調(diào)節(jié)功能多樣性生命活動的主要承擔(dān)者CCOOHHH2NR基本單位蛋白質(zhì)工程的概念對蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。蛋白質(zhì)工程：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。①基礎(chǔ)：②手段：③結(jié)果：④目的：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)規(guī)律與生物功能關(guān)系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)滿足人類生產(chǎn)和生活需求蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的，又叫作第二代基因工程。直接對蛋白質(zhì)進行改造？蛋白質(zhì)功能執(zhí)行依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，改造難度大且不能遺傳。對決定蛋白結(jié)構(gòu)的基因改造？任何一種天然蛋白質(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。合成和改造脫氧核苷酸序列比較容易。改造基因可以遺傳給下一代。

蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)：對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改造最終必須通過改造或合成基因來完成。蛋白質(zhì)工程的概念

思考：為什么蛋白質(zhì)工程需改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？回顧舊知轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)DNA復(fù)制RNA逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制中心法則TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻譯轉(zhuǎn)錄天然的蛋白質(zhì)合成過程時按照中心法則來進行的：形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能二.蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程與天然蛋白質(zhì)的合成方向相反：TACCACAACTCGAUGGUGUUGAGCMet-Val-Leu-Ser翻譯轉(zhuǎn)錄形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能預(yù)期的蛋白質(zhì)新功能設(shè)計預(yù)期的新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列推測應(yīng)有的脫氧核苷酸序列合成新基因或改變原來脫氧核苷酸序列轉(zhuǎn)錄出新的mRNA序列翻譯出新的蛋白質(zhì)行使蛋白質(zhì)預(yù)期功能二.蛋白質(zhì)工程的基本原理實例：蛋白質(zhì)工程的基本思路從預(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)?！镁G色熒光蛋白改造出黃色熒光蛋白讓熒光蛋白發(fā)黃色熒光設(shè)計黃色熒光蛋白的結(jié)構(gòu)推測黃色熒光蛋白的氨基酸序列找到并改變綠色熒光蛋白基因的脫氧核苷酸序列或合成新的基因獲得黃色熒光蛋白蛋白質(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?？茖W(xué)家要設(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。二.蛋白質(zhì)工程的基本原理●蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用實例●蛋白質(zhì)工程的發(fā)展前景三.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)資料分析：在正常人體內(nèi)，血液中胰島素的含量通常在進食后30-60分鐘就達到高峰，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?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，胰島素分子容易聚合成二聚體或六聚體，皮下注射胰島素后往往需要經(jīng)歷一個逐漸解聚為單體的過程。這在一定程度上延緩了療效。胰島素六聚體胰島素單體利用X射線晶體衍射，核磁共振等技術(shù)手段，充分了解胰島素的空間結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)人胰島素由a鏈和B鏈構(gòu)成，其中的第20-29位氨基酸是胰島素分子相互作用的形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，改變這個區(qū)域的分子組成就有可能降低胰島素分子間的作用力。①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸位置，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，同時能降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集，大大增加了吸收速率。B29賴氨酸如何設(shè)計？①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)B28脯氨酸B29賴氨酸B28賴氨酸B29脯氨酸①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)B28脯氨酸B28天冬氨酸①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)Aps天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設(shè)計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)

思考：如何找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列呢？查密碼子表得知推知mRNA序列推知DNA序列①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)查密碼子表得知推知mRNA序列共64種可能序列推知DNA序列共64種可能序列天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：蘇氨酸脯氨酸賴氨酸蘇氨酸設(shè)計后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNAmRNA酪氨酸酪氨酸①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)改造后得到的基因序列：①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)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。然后如何獲得所需蛋白質(zhì)呢？改造后得到的基因序列：①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)改造后得到的基因序列通過PCR擴增后，通過基因工程技術(shù)獲得轉(zhuǎn)基因生物。從而生產(chǎn)出所需蛋白。獲得所需蛋白質(zhì)：酪氨酸蘇氨酸賴氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNA翻譯改造后得到的基因序列：轉(zhuǎn)錄①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測應(yīng)有的氨基酸序列④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⑤獲得所需蛋白質(zhì)拓展基因定點突破技術(shù)基因定點突變的目的是通過定向地改變基因內(nèi)一個或少數(shù)幾個堿基來改變多肽鏈上一個或幾個氨基酸。該技術(shù)是蛋白質(zhì)工程的重要技術(shù)?；蚨c點突變技術(shù)主要分為PCR定點突變技術(shù)和不依賴PCR的定點突變技術(shù)，這兩類定點突變技術(shù)互為補充。拓展基因定點突破技術(shù)1.PCR定點突變技術(shù)該技術(shù)要使用四條引物。引物2和引物3的突起處代表與模板鏈不能互補的突變位點，而這兩條引物有部分堿基(包括突變位點)是可以互補的。因此，分別利用引物1和引物2，引物3和引物4進行PCR后，得到的DNA片段可以通過引物2和引物3互補的堿基雜交在一起，它們再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成為一條完整的DNA片段。最后，用引物1和引物4進行擴增得到含有突變位點的DNA片段。通過測序可以檢測定點突變是否成功。拓展基因定點突破技術(shù)2.不依賴PCR定點突變技術(shù)寡核苷酸引導(dǎo)的突變的技術(shù)流程如圖3-11所示。首先人工合成一段含有特定突變位點的單鏈寡核苷酸片段(除突變位點外，該片段的其他部分可以與目的基因互補配對);然后將該寡核苷酸片段與帶有目的基因的單鏈載體(通常由M13噬菌體衍生而來)進行雜交;繼而在DNA聚合酶和DNA連接酶的作用下分別進行DNA鏈的合成和連接反應(yīng)，得到含有突變位點的雙鏈載體;最后將雙鏈載體引入宿主細(xì)胞復(fù)制，并進行篩選和鑒定。三.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用延長干擾素的保存時間背景：干擾素是抗病毒特效藥，但是在體外保存相當(dāng)困難。改造：將干擾素分子的一個半胱氨酸變成絲氨酸，在-70℃條件下可以保存半年。降低鼠單克隆抗體的免疫反應(yīng)——人鼠嵌合抗體原理：將小鼠抗原的可變區(qū)與人抗體的恒定區(qū)“拼接”，使改造后的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)強度降低很多。三.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶；嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，提高光合作用效率，增加糧食產(chǎn)量；例如：利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，從中篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高這種酶的使用價值。工業(yè)方面的應(yīng)用農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用設(shè)計優(yōu)良微生物農(nóng)藥（如蘇云金桿菌-Bt殺蟲蛋白），改造微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強。蛋白質(zhì)工程與基因工程的區(qū)別與聯(lián)系比較項目基因工程蛋白質(zhì)工程區(qū)別起點過程實質(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,以獲得人類所需要的生物類型或生物產(chǎn)品改造或制造人類所需要的蛋白質(zhì)預(yù)期的蛋白質(zhì)功能目的基因獲取目的基因→構(gòu)建表達載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測與鑒定預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期蛋白質(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)①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程；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。判斷蛋白質(zhì)工程與基因工程是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程二看蛋白質(zhì)一看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程基因工程還是或蛋白質(zhì)工程辨別課堂小結(jié)蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程的局限性蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用速效胰島素類似物的設(shè)計醫(yī)藥工業(yè)方面的其他應(yīng)用天然蛋白質(zhì)不能完全滿足生產(chǎn)生活需求蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的基本思路蛋白質(zhì)工程的改造必須通過改造或合成基因完成蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程在工業(yè)、農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

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(xì)胞中，讓宿主細(xì)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。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計出一個全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計并獲得了一個全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長期深入的研究。蛋白質(zhì)食品的工廠化生產(chǎn)想象圖異想天開一、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