3.4 蛋白質(zhì)工程的原理與應(yīng)用課件-高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

第三章第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用從社會(huì)中來

你見過用細(xì)菌畫畫嗎？從社會(huì)中來

右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w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，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。用細(xì)菌“畫”的畫思考1：科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能發(fā)出熒光？基因工程技術(shù)：獲取熒光蛋白基因——>構(gòu)建熒光蛋白基因的表達(dá)載體——>導(dǎo)入細(xì)菌細(xì)胞——>表達(dá)熒光蛋白——>發(fā)出熒光基因工程技術(shù)：獲取熒光蛋白基因——>構(gòu)建熒光蛋白基因的表達(dá)載體——>導(dǎo)入細(xì)菌細(xì)胞——>表達(dá)熒光蛋白——>發(fā)出熒光思考2：科學(xué)家怎樣對(duì)綠色熒光蛋白進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造呢？是直接改造熒光蛋白的空間結(jié)構(gòu)嗎？科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用基因定點(diǎn)突變的技術(shù)，將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。通過改造基因來改造蛋白質(zhì)

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，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。蛋白質(zhì)工程的概念操作對(duì)象：基因目的：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)工程的實(shí)質(zhì)：相關(guān)學(xué)科及技術(shù)：分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。是對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造。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。實(shí)例：對(duì)天然酶的改造賴氨酸天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶玉米促進(jìn)促進(jìn)抑制抑制改造后的天冬氨酸激酶異亮氨酸（352位）蘇氨酸（352位）變?yōu)楫惲涟彼幔?04位）天冬酰胺（104位）改造后的二氫吡啶二羧酸合成酶變?yōu)橛衩踪嚢彼幔ê刻岣?倍）促進(jìn)（含量提高2倍）賴氨酸玉米促進(jìn)①基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。②天然蛋白質(zhì)不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。（含量低）天然蛋白質(zhì)的合成中心法則蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)氨基酸序列多肽鏈基因DNAmRNA生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯折疊預(yù)期功能DNA合成推測(cè)蛋白質(zhì)工程：預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到并改變相應(yīng)的脫氧核苷酸序列或合成新基因

轉(zhuǎn)錄翻譯，獲得需要的蛋白質(zhì)與中心法則相反設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)構(gòu)建蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖:制備蛋白質(zhì)晶體：堿基的替換：通過X射線衍射技術(shù)基因的定點(diǎn)突變技術(shù)蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：通過改造或合成基因，來改造蛋白質(zhì)包含蛋白質(zhì)工程步驟中是否包含基因工程的步驟？

1、基因決定蛋白質(zhì)，且基因可以遺傳；RNADNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制思考與討論：對(duì)天然蛋白質(zhì)的改造，為什么通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)，而不是直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作？2、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基因結(jié)構(gòu)簡單容易改造。二、蛋白質(zhì)工程的原理【資料】天然胰島素制劑往往以二聚體或六聚體的形式存在，需要經(jīng)歷長時(shí)間才能解離為單體，見效慢?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，胰島素β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。請(qǐng)用文字和箭頭寫出改造胰島素分子的思路。胰島素的分子結(jié)構(gòu)示意圖胰島素的3D示意圖α鏈β鏈脯氨酸天然胰島素易形成二聚體或六聚體B28位脯氨酸替換為天冬氨酸預(yù)期功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測(cè)序列脯氨酸（CCC）天冬氨酸(GAC)CTGGACGGGCCC胰島素單體結(jié)構(gòu)改造新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合1、醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物胰島素的分子結(jié)構(gòu)示意圖α鏈β鏈脯氨酸B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置有效抑制胰島素的聚合1、醫(yī)藥工業(yè)方面（2）延長干擾素體外保存時(shí)間改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外-70℃可以保存半年1、醫(yī)藥工業(yè)方面（3）降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價(jià)值。3、農(nóng)業(yè)方面（1）改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。2、其他工業(yè)方面項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對(duì)象操作起點(diǎn)操作水平操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→找到并改變對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定可生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過改造或合成基因來定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀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。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較例2

(2023·山東濟(jì)寧高二檢測(cè))纖維素酶廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品發(fā)酵、造紙、廢水處理等領(lǐng)域。研究人員利用蛋白質(zhì)工程將細(xì)菌纖維素酶的第137、179、194位相應(yīng)氨基酸替換為賴氨酸后，纖維素酶的熱穩(wěn)定性得到了提高。下列有關(guān)該技術(shù)的說法錯(cuò)誤的是(

) A.經(jīng)改造后的纖維素酶熱穩(wěn)定性提高這一性狀可遺傳

C.改造纖維素酶也需要構(gòu)建基因表達(dá)載體 D.改造后的纖維素酶和原纖維素酶不是同一種酶B.對(duì)纖維素酶的改造是通過直接改造mRNA實(shí)現(xiàn)的典例應(yīng)用例3.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：①______；②______；③______；④______；⑤__________。（3）蛋白質(zhì)工程的目的是____________________________________________________________，通過___________________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______的。④⑤①②③轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測(cè)改造合成根據(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)基因改造或基因合成相反練習(xí)與應(yīng)用一、概念檢測(cè)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(duì)基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對(duì)基因進(jìn)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。（）xx√2.蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是（）A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求練習(xí)與應(yīng)用D3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是（）A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D.蛋白質(zhì)練習(xí)與應(yīng)用A二、拓展應(yīng)用T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇？在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么？如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作？這項(xiàng)工作屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是基因的堿基序列發(fā)生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,還有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,因此它的一些基本特性需要重新明確,包括它能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等;需要建立規(guī)模化生產(chǎn)該酶的技術(shù)體系,評(píng)估生產(chǎn)成本等。1.(3)該質(zhì)粒便于進(jìn)行雙重篩選。標(biāo)記基因AmpR基因可用于檢測(cè)質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，一般只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長。而由于LacZ基因的效應(yīng)，含有空質(zhì)粒（沒有連接目的基因的質(zhì)粒）的大腸桿菌菌落呈藍(lán)色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。復(fù)習(xí)與提高（P96）(4)含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。因?yàn)槟康幕虻牟迦肫茐牧薒acZ基因的結(jié)構(gòu)，使其不能正常表達(dá)，形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就不會(huì)被分解。能分解X-gal:藍(lán)色；不能分解X-gal:白色(1)應(yīng)選擇用相同的限制酶或切割能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割質(zhì)粒和含有目的基因的DNA片段，并且注意限制酶的切割位點(diǎn)不能破壞目的基因，也不能破壞質(zhì)粒的啟動(dòng)子、終止子、標(biāo)記基因、復(fù)制原點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。(2)加入DNA連接酶。2.(1)逆轉(zhuǎn)錄病毒是載體，能將外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纖維細(xì)胞。復(fù)習(xí)與提高（P96）(2)可以設(shè)置對(duì)照組。將轉(zhuǎn)入外源基因和沒有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞分別培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)基中，并確保其他培養(yǎng)條件相同。如果只有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞轉(zhuǎn)化成了iPS細(xì)胞，就可以證明iPS細(xì)胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用。(3)可以依次去掉1個(gè)基因，將其他3個(gè)基因轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，然后通過與轉(zhuǎn)入4個(gè)基因的小鼠成纖維細(xì)胞的誘導(dǎo)情況進(jìn)行比較，來推測(cè)缺失的那個(gè)基因?qū)φT導(dǎo)iPS細(xì)胞的影響，進(jìn)而判斷每個(gè)基因作用的相對(duì)大小。（其他合理答案均可）(4）不會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)，因?yàn)閕PS細(xì)胞誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化的過程中細(xì)胞的遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生變化，理論上產(chǎn)生的還是“自體”細(xì)胞。iPS細(xì)胞擁有分化為各種細(xì)胞的潛能，因此存在分化成腫瘤細(xì)胞的風(fēng)險(xiǎn)。3.水稻根部一般沒有根瘤菌，在種植時(shí)常需要施加氮肥?？茖W(xué)家想利用基因工程技術(shù)來減少施用氮肥的生產(chǎn)成本及可能造成的環(huán)境污染，他們提出了以下兩種方案。方案一把根瘤菌的固氮相關(guān)基因?qū)胨靖滴⑸镏校刮⑸锬茉诟堤幑痰?，從而減少氮肥的施用量。方案二直接將固氮相關(guān)基因?qū)胨炯?xì)胞中，建立水稻的“小型化肥廠”，讓水稻直接固氮，這樣就可以免施氮肥了。(1)請(qǐng)?jiān)u估這兩種方案哪種更容易實(shí)現(xiàn)。從親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近來看，固氮相關(guān)基因可能更容易在水稻根系微生物中穩(wěn)定存在和表達(dá)，進(jìn)而使其具有固氮的能力。復(fù)習(xí)與提高（P96）3.水稻根部一般沒有根瘤菌，在種植時(shí)常需要施加氮肥?？茖W(xué)家想利用基因工程技術(shù)來減少施用氮肥的生產(chǎn)成本及可能造成的環(huán)境污染，他們提出了以下兩種方案。方案一把根瘤菌的固氮相關(guān)基因?qū)胨靖滴⑸镏?，使微生物能在根系處固氮，從而減少氮肥的施用量。方案二直接將固氮相關(guān)基因?qū)胨炯?xì)胞中，建立水稻的“小型化肥廠”，讓水稻直接固氮，這樣就可以免施氮肥了。(2)如果兩個(gè)方案都實(shí)現(xiàn)的話，你認(rèn)為哪種更值得推廣？請(qǐng)說出你的理由。此題不要求有唯一的答案，學(xué)生可從便捷性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行分