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

目錄/CONTENTS01發(fā)酵工程02細(xì)胞工程03基因工程04生物技術(shù)的安全性與倫理問(wèn)題第3章

基因工程第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)目標(biāo)010203嘗試通過(guò)蛋白質(zhì)工程技術(shù)，根據(jù)人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)改造某一蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)流程。（科學(xué)思維）說(shuō)明基因的堿基排列順序—蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)—蛋白質(zhì)功能的關(guān)系。（生命觀念）嘗試運(yùn)用逆向思維分析和解決問(wèn)題。（社會(huì)責(zé)任）視頻：細(xì)菌畫(huà)畫(huà)

細(xì)菌畫(huà)畫(huà)是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)"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(guò)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。那么，科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？

從社會(huì)中來(lái)

對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過(guò)蛋白質(zhì)工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。綠色熒光蛋白基因控制（轉(zhuǎn)基因）綠色熒光蛋白基因工程的局限性：

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)是生物長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)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(lèi)生產(chǎn)和生活的需要?；蚬こ痰膶?shí)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。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一蛋白質(zhì)工程的概念及其理解二（1）困難：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴(lài)正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。（2）與基因工程的聯(lián)系：①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(wú)法遺傳。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(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求。

問(wèn)題：為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？實(shí)例：提高玉米賴(lài)氨酸含量

：天冬氨酸

二氫吡啶二羧激酶

酸合成酶賴(lài)氨酸含量思考：蛋白質(zhì)工程是怎樣進(jìn)行的呢?基本原理是什么?調(diào)控賴(lài)氨酸合成達(dá)到一定濃度抑制兩種酶的活性提高

限制104位的天冬酰胺變成異亮氨酸提高提高2倍352位的蘇氨酸

變成異亮氨酸提高十蛋白質(zhì)工程的基本思路二基因表達(dá)形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能天然蛋白質(zhì)合成按照中心法則進(jìn)行蛋白質(zhì)工程的基本思路二預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))思路逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程相反。預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(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對(duì)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)蛋白質(zhì)工程的基本思路：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸…………色氨酸賴(lài)氨酸苯丙氨酸討論1．怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫(xiě)出來(lái)。查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴(lài)氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。推知mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）進(jìn)一步推知脫氧核苷酸序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）思考·討論—教材P94共32

種可能序列任務(wù)：基因工程和蛋白質(zhì)工程2.如果已經(jīng)推測(cè)出多肽中的氨基酸序列，那么推測(cè)出的基因中的堿基序列

(填“唯一”或“不唯一”)，理由是______________________

。不唯一一個(gè)氨基酸是由一個(gè)或多個(gè)密碼子決定的，因此獲得的基因中的堿基序列有多種探究—學(xué)習(xí)筆記P73不同的生物密碼子基本相同，即共用一套密碼子。丙氨酸…………色氨酸賴(lài)氨酸苯丙氨酸討論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？某多肽鏈的一段氨基酸序列是：3.確定目的基因的堿基序列后，可以

合成目的基因，或應(yīng)用______

來(lái)進(jìn)行堿基的替換等進(jìn)而改造基因。探究—學(xué)習(xí)筆記P73人工基因的定點(diǎn)突變技術(shù)蛋白質(zhì)工程的實(shí)例實(shí)例：提高水蛭素的抗凝血效率水蛭素第47位天冬酰胺改造成賴(lài)氨酸或精氨酸，以此來(lái)提高抗凝血效率，可提高4倍。

水蛭素是自然界存在的最強(qiáng)抗凝血物質(zhì)，

在防治心腦血管疾病和抗癌方面等具有特效。蛋白質(zhì)工程的基本思路二蛋白質(zhì)工程的基本思路二是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)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)工程基因工程蛋白質(zhì)工程的基本思路二蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較如何確定一個(gè)操作過(guò)程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)?視頻：蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三1.研發(fā)速效胰島素(1)原因：天然胰島素見(jiàn)效慢，是因?yàn)樘烊灰葝u素制劑往往以二聚體或六聚體的形式存在，需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間才能解離為單體，發(fā)揮作用。醫(yī)藥工業(yè)方面六聚體二聚體單體蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三(2)研究進(jìn)展：

研究人員發(fā)現(xiàn)，人胰島素B鏈的第20~29位氨基酸是胰島素分子相互作用形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域。

科學(xué)家通過(guò)改造胰島素基因使B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與B29位的賴(lài)氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合。B20B29B28蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三(3)解決辦法：將胰島素基因中編碼第28位的脯氨酸的堿基序列替換為編碼天冬氨酸的堿基序列改造胰島素基因?qū)⒁葝u素基因中編碼第28位脯氨酸的堿基序列與編碼第29位天冬氨酸的堿基序列對(duì)換天然胰島素易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴(lài)氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使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)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合PCR定點(diǎn)突變技術(shù)在基因改造中的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程通過(guò)改造基因?qū)崿F(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的定向改造。PCR定點(diǎn)突變技術(shù)是最常用的基因定點(diǎn)突變技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)含有非特異性配對(duì)堿基的引物，再通過(guò)PCR將突變位點(diǎn)引入產(chǎn)物中，它又可以分為重疊延伸PCR、大引物PCR等。拓展延伸—學(xué)習(xí)筆記P74天然胰島素B鏈部分氨基酸序列：酪氨酸蘇氨酸脯氨酸賴(lài)氨酸蘇氨酸設(shè)計(jì)后胰島素B鏈部分氨基酸序列：B28B29酪氨酸蘇氨酸賴(lài)氨酸脯氨酸蘇氨酸B28B29mRNAmRNA翻譯翻譯轉(zhuǎn)錄天然胰島素對(duì)應(yīng)的部分基因：改造后應(yīng)得到的基因序列：轉(zhuǎn)錄天然胰島素對(duì)應(yīng)的部分基因：待突變位點(diǎn)常規(guī)下游引物突變上游引物進(jìn)行PCR產(chǎn)物作為下一輪PCR的大引物產(chǎn)物作為下一輪PCR的大引物進(jìn)行PCR待突變位點(diǎn)下游大引物常規(guī)上游引物待突變位點(diǎn)下游大引物常規(guī)上游引物進(jìn)行PCR天然胰島素對(duì)應(yīng)的部分基因：待突變位點(diǎn)PCR合成的人胰島素突變基因PCR定點(diǎn)突變技術(shù)在基因改造中的應(yīng)用(2)大引物PCR的流程如圖2所示。該技術(shù)需要用到三條引物進(jìn)行兩輪PCR，這三條引物分別是突變上游引物、常規(guī)上游引物和常規(guī)下游引物。第一輪PCR利用突變上游引物和常規(guī)下游引物進(jìn)行擴(kuò)增，得到不完整的含有突變位點(diǎn)的DNA片段；第二輪PCR利用第一輪擴(kuò)增產(chǎn)物中的一條DNA鏈作為下游大引物，它與常規(guī)上游引物一起擴(kuò)增得到完整的含有突變位點(diǎn)的DNA片段。拓展延伸—學(xué)習(xí)筆記P74(1)重疊延伸PCR是發(fā)展最早的PCR定點(diǎn)突變技術(shù)。該技術(shù)的流程如圖1所示。該技術(shù)要使用四條引物。其中引物2和3的突起處代表與模板鏈不能互補(bǔ)的突變位點(diǎn)，而這兩條引物有部分堿基(包括突變位點(diǎn))是可以互補(bǔ)的。因此，分別利用引物1和2、引物3和4進(jìn)行PCR后，得到的DNA片段可以通過(guò)引物2和3互補(bǔ)的堿基雜交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成為一個(gè)完整的DNA。最后，用引物1和4進(jìn)行擴(kuò)增得到含有突變位點(diǎn)的DNA片段。通過(guò)測(cè)序可以檢驗(yàn)定點(diǎn)突變是否成功。拓展延伸—學(xué)習(xí)筆記P74四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年將干擾素分子上的一個(gè)

變成

，在一定條件下，可以延長(zhǎng)保存時(shí)間。半胱氨酸絲氨酸半胱氨酸絲氨酸蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三醫(yī)藥工業(yè)方面2.延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三醫(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)抗體的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)Y型的四肽鏈，由完全相同的兩條重鏈（Heavychain，H鏈）和相同的兩條輕鏈（Lightchain，L鏈）組成。重鏈和輕鏈?zhǔn)歉鶕?jù)它們分子量大小來(lái)命名的，其相對(duì)分子質(zhì)量分別約為50-75kDa和25kDa。在結(jié)構(gòu)上，重鏈和重鏈之間、重鏈和輕鏈之間以二硫鍵相連，結(jié)合成一個(gè)輕重鏈配對(duì)的對(duì)稱(chēng)分子。輕鏈重鏈二硫鍵可變區(qū)恒定區(qū)四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用解決辦法：通過(guò)_________，將小鼠抗體上________的區(qū)域（即________）“嫁接”到_________（即_______）上，經(jīng)過(guò)這樣改造的抗體__________________________；醫(yī)學(xué)問(wèn)題：小鼠單克隆抗體會(huì)使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低。改造基因結(jié)合抗原可變區(qū)人的抗體恒定區(qū)誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)降低很多蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三醫(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)四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三其他工業(yè)方面（1）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，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體，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(jià)值。廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶。枯草桿菌四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三其他工業(yè)方面（2）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。廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶。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，提高了T4溶菌酶的耐熱性。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三農(nóng)業(yè)方面（1）科學(xué)家正在嘗試改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三農(nóng)業(yè)方面（2）科學(xué)家利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過(guò)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)。伊維菌素是由土壤中發(fā)現(xiàn)的一種新型鏈霉菌提取出了一種名為阿維菌素的抗生素，經(jīng)過(guò)多年的不斷改造獲得的，伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗動(dòng)物寄生蟲(chóng)病獸藥。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用三五、蛋白質(zhì)工程難度很大的原因蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要是因?yàn)榈鞍踪|(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。蛋白質(zhì)工程小結(jié)四蛋白質(zhì)工程理論基礎(chǔ)技術(shù)手段目標(biāo)基本思路實(shí)踐應(yīng)用蛋白質(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)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)改造從預(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→找到并改變相對(duì)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)。藥物研發(fā)改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶增加糧食產(chǎn)量、研發(fā)新型農(nóng)藥1.科研人員利用相關(guān)技術(shù)改變了胰島素B鏈的第9位氨基酸，從而避免了胰島素結(jié)合成無(wú)活性的二聚體形式。下列相關(guān)敘述不正確的是(

)A．胰島素的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，不宜口服使用B．可通過(guò)測(cè)定DNA的序列確定突變是否成功C．對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)的改造屬于蛋白質(zhì)工程D．該過(guò)程的操作對(duì)象是胰島素分子D

蛋白質(zhì)工程從屬于基因工程，蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象是基因考點(diǎn)訓(xùn)練

2.擾素在體外保存非常困難。干擾素由166個(gè)氨基酸組成，如果將其分子上第17位的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，那么在70℃的條件下可以保存半年。若利用蛋白質(zhì)工程的原理和方法生產(chǎn)新型干擾素，下列思路最可行的是(

)A．用DNA合成儀合成新的干擾素基因B．利用基因定點(diǎn)突變技術(shù)改造干擾素基因C．直接改造mRNA，進(jìn)行密碼子的替換D．生產(chǎn)正常干擾素，再進(jìn)行氨基酸的替換蛋白質(zhì)工程的目的是改造蛋白質(zhì)，但其方法是通過(guò)改造或合成基因來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不是直接改造氨基酸；若直接改造mRNA，可獲得改造后的蛋白質(zhì)，但不能遺傳、不能復(fù)制?？键c(diǎn)訓(xùn)練

考點(diǎn)訓(xùn)練

3.β-葡聚糖酶是一種在酒類(lèi)、飼料等行業(yè)中具有重要用途的工業(yè)用酶。為提高β-葡聚糖酶的催化活性，科學(xué)家將其第20位、117位和165位賴(lài)氨酸突變?yōu)榻z氨酸。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是（

）A.改造后的β-葡聚糖酶的耐酸堿能力增強(qiáng)B.改造后的β-葡聚糖酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變C.對(duì)β-葡聚糖酶結(jié)構(gòu)的改造屬于蛋白質(zhì)工程D.可通過(guò)DNA分子測(cè)序法檢測(cè)突變是否成功不能得出改造后的β-葡聚糖酶的耐酸堿能力增強(qiáng)考點(diǎn)訓(xùn)練

4.胰島素可用于治療糖尿病，但胰島素注射后易在皮下堆