3.4 蛋白質(zhì)工程的原理和應用課件-高二下學期生物人教版（2019）選擇性必修三

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應用學習目標（1）結(jié)合中心法則有關(guān)知識，說明蛋白質(zhì)工程的基本原理（2）基于蛋白質(zhì)工程的實例，采用模型建構(gòu)方法，表示蛋白質(zhì)工程的基本思路（3）嘗試通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)，運用逆向思維設計或改造某一蛋白質(zhì)（人胰島素）的設計流程豬胰島素

基因工程

胰島素類似物

資料一

20世紀80年代，以基因重組技術(shù)為基石的人胰島素應運而生，高度純化的人胰島素對于血糖的控制更加準確，因此很快取代了第一代的動物胰島素1、根據(jù)中心法則，說出由胰島素基因合成胰島素的過程2、回顧通過基因工程生產(chǎn)人胰島素的流程胰島素基因mRNA胰島素資料2人體內(nèi)，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。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。胰島素六聚體胰島素單體起效慢

基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)，這些天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，它們的結(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)和生活的需要。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基本思路？胰島素的分子結(jié)構(gòu)示意圖→空間結(jié)構(gòu)→氨基酸序列功能利用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)。起效慢如何改？資料3：科學研究發(fā)現(xiàn)，胰島素B鏈第20~29位的氨基酸是胰島素分子形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，若將第28位的脯氨酸替換為天冬氨酸，可以有效抑制胰島素的聚合，從而獲得胰島素單體。脯氨酸天冬氨酸討論1：要有效抑制胰島素的聚合，使應該如何對改造？方案1：直接改造胰島素上的氨基酸方案2：對胰島素基因進行改造

①蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)十分復雜，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)無法遺傳課堂活動1：已知天然胰島素β鏈27-29位氨基酸序列如下所示蘇氨酸脯氨酸賴氨酸β（1）、利用材料包中的彩色卡紙（密碼子），在課堂活動紙拼出該序列對應的mRNA序列（根據(jù)手中材料盡可能多種），分析出現(xiàn)多種情況的原因（2）、根據(jù)學案已知密碼子，寫出對應的基因片段的堿基序列（3）當脯氨酸被天冬氨酸替換后，基因的模板鏈發(fā)生的變化為六聚體單體蘇氨酸

脯氨酸

賴氨酸（ACUCCCAAG）蘇氨酸

天冬氨酸

賴氨酸(ACUGACAAG)基因mRNA氨基酸胰島素課堂活動1：根據(jù)已知密碼子，寫出對應的基因片段的堿基序列①②①②ACUCCCAAGACUGACAAGACTCCCAAGTGAGGGTTCACTGACAAGTGACTGTTC如何改造基因？

資料4：科學家運用PCR技術(shù)可以改變目的基因上特定位點的核苷酸，實現(xiàn)定點突變。常規(guī)下游引物課堂活動2：根據(jù)活動1結(jié)果設計引物部分堿基序列GACAAGCTGTTCGACAAGCTGTTCCTGTTCGACAAG1課堂活動3：基于前面的思考和活動，請同學們梳理總結(jié)出研發(fā)速效胰島素的流程圖。胰島素的新功能—3速效胰島素的三維結(jié)構(gòu)—6預測多肽鏈的氨基酸序列—2速效胰島素基因的堿基序列—1生成第28位的脯氨酸替換為天冬氨酸的多肽鏈—4速效胰島素—5新基因—7胰島素的新功能—3速效胰島素的三維結(jié)構(gòu)—6多肽鏈的氨基酸序列—2速效胰島素基因的堿基序列—1生成第28位脯氨酸替換為天冬氨酸的多肽鏈—4速效胰島素—5新基因—7

預期設計

推測

推測

合成或改造

表達

折疊

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。蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系基因在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來的第二代基因工程改造現(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)和生活的需求蛋白質(zhì)工程

①基礎(chǔ)：②操作對象：③操作手段：④目的：⑤地位：改造或合成基因閱讀課本P93，并總結(jié)以下問題課堂活動4：根據(jù)蛋白質(zhì)工程的概念及基本思路歸納概括

（1）、

蛋白質(zhì)工程的基本思路與基因工程的不同點？（2）、如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？基因工程是遵循中心法則，DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程的思路：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應有的高級結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列，創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)（1）、蛋白質(zhì)工程的基本思路與基因工程的不同點？（2）、如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質(zhì)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)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程應用1

干擾素可以用于治療癌癥，但在體外保存相當困難。如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，那么，其在－70℃條件下可保存半年，這需要利用蛋白質(zhì)工程來完成。蛋白質(zhì)工程的應用“生”在基因，“命”在蛋白天然干擾素不易保存預期結(jié)構(gòu)基因修飾或基因合成基因的脫氧核苷酸序列新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預期功能行使功能延長保存時間設計蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，將一個半胱氨酸變成絲氨酸推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年應用2：降低人對小鼠單克隆抗體的免疫反應

通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即

區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即

區(qū)）上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應的強度就會減低很多。如何對基因進行改造呢可變恒定蛋白質(zhì)工程的難點？基因融合和基因剪切未來已來

蛋白質(zhì)工程的原理與應用概念基礎(chǔ)手段目的操作對象基本思路應用醫(yī)藥工業(yè)農(nóng)業(yè)其他方面本節(jié)小結(jié)崛起1、科學家利用基因定點突變技術(shù)，對枯草桿菌堿性蛋白酶BAPB92第188、239和262位氨基酸殘基進行改造，構(gòu)建了突變體BAPB92（A188P）、BAPB92（Q239R）和BAPB92（A188P/V262I）。相對于野生型，BAPB92（A188P）酶活力提高了2.6倍，BAPB92（Q239R）酶活力提高了2.5倍，BAPB92（A188P/V262I）酶活力提高了3.3倍，并且突變體蛋白酶的熱穩(wěn)定性和耐堿情況均得到較大提高。下列相關(guān)敘述正確的是（）A．堿性蛋白酶BAPB92的改造無需設計蛋白酶突變體的結(jié)構(gòu)B．水解替換酶BAPB92第188位的氨基酸可獲得突變體BAPB92（A188P）C．枯草桿菌堿性蛋白酶的改造工程遵循的原理是基因重組D．三種突變體中BAPB92（A188P/V262I）降低反應活化能的效果最顯著D2、科研人員利用乳腺生物反應器表達重組人溶菌酶，使生產(chǎn)出的牛奶含有高抑菌活性的溶菌酶，實現(xiàn)營養(yǎng)、藥用雙重功能?；卮鹣铝袉栴}：

(1)科研人員根據(jù)人溶菌酶的氨基酸序列合成人溶菌酶基因，其步驟是

，依據(jù)氨基酸序列推測得到的目的基因堿基序列有多種的原因是

。為了便于將目的基因與運載體結(jié)合，需要在目的基因的兩端添加限制酶識別的序列，與選用EcoRⅠ識別序列相比，選擇BamHⅠ和HindⅢ識別序列的優(yōu)點是

。先推測氨基酸序列對應的mRNA序列，再推測對應的基因序列密碼子具有簡并性可防止目的基因和運載體的自身環(huán)化2000年，首個長效胰島素―—甘精胰島素獲批應用于臨床，成功填補了“理想基礎(chǔ)胰島素”的空白，其使用平穩(wěn)無峰，能更好的模擬生理性胰島素分泌，是目前臨床常用的基礎(chǔ)胰島素。2005年，另一