蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用（教學(xué)課件） 高二下學(xué)期生物人教版（2019）選擇性必修3

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(guó)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(jiǎng)?！駨?958年開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)

院上海有機(jī)化學(xué)研究所和北京大學(xué)化學(xué)系三個(gè)單位聯(lián)合，以

王應(yīng)睞為首，組成一個(gè)協(xié)作組，在前人對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)和肽鏈

合成方法研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)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(guò)嚴(yán)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(gè)人工

合成的蛋白質(zhì)。這項(xiàng)成果獲1982年中國(guó)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。我們還在利用化學(xué)方法合成胰島素嗎?結(jié)晶牛胰島素發(fā)展小史01蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的優(yōu)勢(shì)及缺陷①優(yōu)勢(shì)：目的基因→

重組DNA

分子→受體細(xì)胞→定向改造生物遺傳特

性→獲得蛋白質(zhì)產(chǎn)品②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(lèi)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(jì)算機(jī)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(dá)生物特有的功能和性狀。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!中心法則：纂翻譯蛋白質(zhì)復(fù)

(

RNA制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄DNA2

.

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(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)，以滿足人

類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求。思考：1.對(duì)天然蛋白質(zhì)分子進(jìn)行改造，是以蛋白質(zhì)分子為操作對(duì)象，還是基因?2.蛋白質(zhì)工程中如何構(gòu)建新基因?(1)怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?氨基酸序列

……-丙氨酸-色氨酸-賴(lài)氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……mRNA

序列

GCU(或C或A或G)UGG

AAA(或G)GAA(或G)UUU

(或C)CGA(或G或T或C)ACC

TTT(或C)CTT(

或C)AAA(或G)脫氧核苷酸序列

GCT(

或C或A或G)TGGAAA(

或G)GAA

(

或G)TTT(

或C)32種可能序列思考

·討論苯丙

氨酸賴(lài)氨酸丙氨酸色氨酸谷氨酸(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，可以人工合成目的

基

因

或從基因文庫(kù)中獲取目的基因。對(duì)

基

因的

改

造經(jīng)常

會(huì)

用

到基

因定點(diǎn)突變技

術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的

替換、增添等

。舉例賴(lài)氨酸含量低合成時(shí)需：

天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。蘇氨酸(352位)產(chǎn)量提高異亮氨酸濃度影響酶活性天冬酰胺(104位)異亮氨酸02

蛋白質(zhì)工程的基本原理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，最終通過(guò)改造或合成基因來(lái)完成。行使生物功能2020年AlphaFold

(源自Google的Deepmind團(tuán)隊(duì)，曾設(shè)計(jì)過(guò)阿爾法狗)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)形成具有特

定氨基酸序

列的多肽鏈轉(zhuǎn)錄、翻譯hing

D48-4nde'Itwillchangeeverything':DeepMind'sAImakesgigantic

leap

insolvingproteinstructuresGooglesdep

katningpogam

MDshapestransformbiobogy.sy2.

天然蛋白質(zhì)合成過(guò)程：按照中心法則進(jìn)行形成具有

高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)基因表達(dá)mm思考：與中心法則的關(guān)系?天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程按照中心法則進(jìn)行，

而蛋白質(zhì)工程的原理卻是中心法則的逆運(yùn)用目的基因轉(zhuǎn)錄行使蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測(cè)

改造或合成折疊

翻譯多肽鏈

mRNA3.

蛋白質(zhì)工程的基本思路1.對(duì)天然胰島素進(jìn)行改造時(shí)，操作對(duì)象是胰島素還是胰島素基因?請(qǐng)說(shuō)明理由。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(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，且這種改造可以遺傳下去。2.請(qǐng)從蛋白質(zhì)角度對(duì)基因工程和蛋白質(zhì)工程進(jìn)行比較。3構(gòu)建新的蛋血質(zhì)模型是蛋質(zhì)正程的聯(lián)鍵，痰中構(gòu)建新的胰鼾素模型的莊要健據(jù)是造，線制造一種

新的蛋白質(zhì)。4.對(duì)吞然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，

是就通是

實(shí)現(xiàn)?5.圖解中從新的胰島素模型到薪的胰島素基因的基苯患路是行么?通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造。根據(jù)新的胰島素模型中氨基酸的序列，推測(cè)出其基因中的脫氧核苷酸序列，然后利用DNA合成儀來(lái)合成新的

胰島素基因。也還合作探究

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(huì)堆積在皮下，并且要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)入

血液中，而進(jìn)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(jì)速效胰

島素的生產(chǎn)過(guò)程，請(qǐng)據(jù)圖回答有關(guān)問(wèn)題：新的胰島素在大腸桿菌或其他細(xì)胞中表達(dá)人工合成DNA新的胰島素基因高級(jí)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

及作圖新的胰島素模型生化制備與重折疊

胰島素結(jié)晶X射線晶體衍射(1)代表蛋白質(zhì)工程操作思路的過(guò)程是④⑤;代表中心法則內(nèi)容的是

①②③

。(填寫(xiě)數(shù)字)(2)寫(xiě)出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過(guò)程的名稱(chēng)或內(nèi)容：①轉(zhuǎn)錄；②翻譯；③折疊；④推測(cè)；⑤改造合成。(3)蛋白質(zhì)工程的目的是根據(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)行分子設(shè)計(jì)，通過(guò)基因改造或基因合成實(shí)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相反的。習(xí)題鞏固下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問(wèn)題：蛋白質(zhì)

—

預(yù)期功能

三維結(jié)構(gòu)→

生物功能氨基酸序列

②

多肽鏈基因DNA

①⑤mRNA④③I.醫(yī)藥工業(yè)方面√速效胰島素類(lèi)似物研發(fā)

√可長(zhǎng)期保存的干擾素√人鼠嵌合抗體OAWTIVRVEILRNFYFINRLTGYLRNβ

-干擾素氨基酸序列(源自Genbank)三個(gè)半胱氨酸易發(fā)生二硫鍵錯(cuò)配，將17位

半胱氨酸替換為絲氨酸，可提高穩(wěn)定性MSYNLLGFLQRSSNFCOQKLLWQLNGRLEYOLKDRMNFDIPEEIKQLQQF

QKEDAALNIY

EMLQNIFAIF

RQDSSSTGWN

ETIVENLLAN

VYHQINHLKT

VLEEKLEKED

FTRGKLMSSL

HLKRYYGRILHYLKAKEYSH速效胰島素(賴(lài)脯胰島素注射液，B28

脯氨酸與B29

賴(lài)氨酸交換位置)蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用03對(duì)人體的不良反應(yīng)減少改進(jìn)酶的性能或開(kāi)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III.

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(jì)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(chóng)害的效果增強(qiáng)；

蛋白質(zhì)食品的工廠化生產(chǎn)想象圖II.其它工業(yè)方面蛋白質(zhì)工程——難度大蛋白質(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。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。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白