資源簡介

(共26張PPT)
第4節 蛋白質工程的原理和應用
【本節聚焦】
1.蛋白質工程的基本原理是什么？
2.蛋白質工程已有哪些實際的應用？
第三章 基因工程
學習目標、重難點 核心素養
1.說出蛋白質工程崛起的緣由。 2.概述蛋白質工程的基本原理。 3.舉例說明依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程。 1.生命觀念：說明基因的堿基排列順序—蛋白質的結構—蛋白質功能的關系。
2.科學思維：嘗試通過蛋白質工程技術，根據人類需要的蛋白質結構，設計改造某一蛋白質的設計流程。
3.社會責任：嘗試運用逆向思維分析和解決問題。
1.教學重點 （1）蛋白質工程的基本原理 （2）依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程 2.教學難點 （1）蛋白質工程的基本原理 （2）依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程。
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一、蛋白質工程崛起的緣由
一、基因工程的實質和不足：
將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新性狀。
思考：什么是蛋白質工程呢？
一、蛋白質工程崛起的緣由
二、實例：
賴氨酸合成
調控
達到一定濃度
兩種酶的活性
352位的蘇氨酸變成異亮氨酸
二氫吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺變成異亮氨酸
賴氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
一、蛋白質工程概念：
以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。
基礎
操作方法及對象
結果
目的
蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學科的綜合科技工程。
二、蛋白質工程的基本原理
二、蛋白質工程的基本原理
對天然的蛋白質進行改造，為什么不是直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現的？
①基因決定蛋白質的合成，改造基因即為改造蛋白質；
②改造基因可以遺傳，改造蛋白質無法遺傳；
③改造基因比改造蛋白質更容易操作。
蛋白質工程的思路是什么？
二、蛋白質工程的基本原理
二、天然蛋白質合成的過程：
目的基因
轉錄
mRNA
翻譯
多肽鏈
折疊
蛋白質
（三維結構）
行使
生物功能
三、蛋白質工程的基本思路：
預期功能
設計
推測
改造或合成
蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜。科學家要設計出更加符合人類需要的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。
二、蛋白質工程的基本原理
目的基因
轉錄
mRNA
翻譯
多肽鏈
折疊
蛋白質
（三維結構）
行使
生物功能
三.蛋白質工程的基本思路：
預期功能
設計
推測
改造或合成
①預期蛋白質的功能
②設計預期的蛋白質結構
③推測應有的氨基酸序列
④找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因
⑤獲得所需蛋白質
逆中心法則，與天然蛋白質合成的過程相反
二、蛋白質工程的基本原理
思考·討論 ：蛋白質工程基本思路的應用
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
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？請把相應的堿基序列寫出來。
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：
二、蛋白質工程的基本原理
查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(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）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
進一步推知脫氧核苷酸序列為：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
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？請把相應的堿基序列寫出來。
思考·討論 ：蛋白質工程基本思路的應用
二、蛋白質工程的基本原理
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。對基因的改造經常會用到基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等。
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
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？
思考·討論 ：蛋白質工程基本思路的應用
二、蛋白質工程的基本原理
四、蛋白質工程的難點
蛋白質工程是一項難度很大的工程。
由計算機建立的血紅蛋白三維結構模型
科學家要設計出更加符合人類需要的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發展，蛋白質工程將會給人類帶來更多的福祉。
主要原因
蛋白質發揮功能必須依賴正確的高級結構，
而蛋白質的高級結構是十分復雜、難度很大的工程。
前景展望
二、蛋白質工程的基本原理
比較項目 蛋白質工程 基因工程
區別 過程
實質
結果
聯系
從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質
目的基因的篩選與獲取→基因表達載體的構建→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
定向改造或生產人類所需的蛋白質
定向改造生物的遺傳特性，
以獲得人類所需的
新的生物類型和生物產品
創造出自然界不存在的蛋白質
生產出自然界已有的蛋白質
①蛋白質工程是在基因工程的基礎上延伸出來的第二代基因工程
②基因工程中所利用的某些酶可以通過蛋白質工程進行修飾、改造
二、蛋白質工程的基本原理
是否合成新的基因
蛋白質工程
是否對原有基因進行改造
是
否
是
否
蛋白質工程
基因工程
看蛋白質
看基因
是否為天然蛋白質
是
否
蛋白質工程
基因工程
思考：如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質工程？
三、蛋白質工程的應用
合作探究一：請同學們自主閱讀教材P95，小組合作思考討論總結蛋白質工程可以應用于哪些領域，有哪些案例。
應用 實例
醫藥工業方面
其他工業方面
農業方面
三、蛋白質工程的應用
一、在醫藥工業方面
1.實例1：研發速效胰島素類似物
天然胰島素易形成二聚體或六聚體
預期結構
改造
B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或將它與B29位的賴氨酸交換位置
新胰島素基因
mRNA
折疊
預期功能
功能
降低胰島素的聚合作用
設計結構
改變B鏈第20～29位
氨基酸組成
推測 序列
翻譯
多肽鏈
有效抑制胰島素的聚合
轉錄
三、蛋白質工程的應用
2.實例2：延長干擾素體外保存時間
天然干擾素
（體外保存困難）
改造后的干擾素
（-70℃可保存半年）
半胱氨酸
絲氨酸
干擾素在體外保存相當困難
將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸
在-70℃下干擾素可保存半年
三、蛋白質工程的應用
3.實例3：制備人鼠嵌合抗體
通過改造基因，將小鼠抗體上結合抗原的區域（即可變區）“嫁接”到人的抗體（即恒定區）上，經過這樣改造的抗體誘發免疫反應的強度就會減低很多。
三、蛋白質工程的應用
一、在醫藥工業方面
1.產生速效胰島素
2.產生易保存的干擾素
3.生產人鼠嵌合抗體
通過基因定點突變
一個氨基酸的改變或兩個氨基酸位置互換
通過基因定點突變
一個氨基酸的改變
通過基因片段的拼接
兩條多肽片段拼接
三、蛋白質工程的應用
二、在其他工業方面
枯草桿菌蛋白酶突變體
枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質的作用，
因此常被用于洗滌劑工業、絲綢工業等。
廣泛用于改進酶的性能或開發新的工業用酶
利用蛋白質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化生產需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。
三、蛋白質工程的應用
三、在農業方面
1.改造某些參與調控光合作用的酶
科學家正在嘗試改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產量。
還有科學家將蛋白質工程作為設計優良微生物農藥的新思路，通過改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。
2.改造微生物蛋白質結構，防治害蟲
課堂小結
蛋白質工程
理論基礎
技術手段
目標
基本思路
實踐應用
蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系
通過改造或合成基因,來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質
根據人們對蛋白質功能的特定需求,對蛋白質的結構進行設計改造
從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質。
藥物研發
改進酶的性能或開發新的工業用酶
增加糧食產量、研發新型農藥
不能直接改變
1．蛋白質工程中對蛋白質分子進行設計時，主要包括哪幾種
①進行少數氨基酸的替換
②對不同來源的蛋白質的拼接
③從預期蛋白質的功能出發去推測氨基酸排列順序
④直接改變蛋白質的空間結構
A．①③④ B．①②③ C．②③④ D．①②④
√
課堂練習
2.下列關于蛋白質工程的說法，錯誤的是
A.蛋白質工程能定向改造蛋白質的分子結構，使之更加符合人類的需要。
B.蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子結構。
C.蛋白質工程能產生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質分子。
D.蛋白質工程與基因工程密不可分，又稱為第二代基因工程。
課堂練習
對基因分子直接進行操作
√
課堂練習
3.下圖為蛋白質工程操作的基本思路，請據圖回答下列問題：
（1）代表蛋白質工程操作思路的過程是_____；代表中心法則內容的是________。(填寫數字)
（2）寫出圖中各數字代表的生物學過程的名稱或內容： ①______；②______；③______；④______；⑤__________。
（3）蛋白質工程的目的是_______________________________________ _____________________，通過___________________實現。
（4）從圖中可以看出蛋白質工程的基本途徑與中心法則是______的。
④⑤
①②③
轉錄
翻譯
折疊
推測
改造合成
根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白
質的結構進行分子設計
基因改造或基因合成
相反

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