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(共28張PPT)
第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應用
【本節(jié)聚焦】
1.蛋白質(zhì)工程的基本原理是什么？
2.蛋白質(zhì)工程已有哪些實際的應用？
第三章 基因工程
從社會中來
你見過用細菌畫畫嗎？而且是帶色彩的！
為什么這些細菌會發(fā)出不同顏色的熒光？
因為在它們的體內(nèi)導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
改造
黃色熒光蛋白
及其他顏色的熒光蛋白
這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應用。
這個團塊就是長在患兒肝臟上的腫瘤
如何改造蛋白質(zhì)？
從社會中來
綠色熒光蛋白結(jié)構(gòu)
綠色熒光蛋白功能
相互關(guān)系
晶體學、分子生物學和計算機技術(shù)等
掌握
改造綠色熒光蛋白基因
黃色熒光蛋白功能
表達
依據(jù)
對蛋白質(zhì)分子的設計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。
（1）基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)分子的 及其與_________的關(guān)系。
（2）操作方法和對象： 。
（3）目的： 的蛋白質(zhì)，或 的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。
閱讀P93第1、2段內(nèi)容，理解蛋白質(zhì)工程的概念
一、蛋白質(zhì)工程的概念
改造或合成基因
結(jié)構(gòu)規(guī)律
生物功能
改造現(xiàn)有
制造一種新
概念：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。
（4）地位：在________的基礎(chǔ)上,延伸出來的第 代基因工程。
（5）學科和技術(shù)： 。
分子生物學、晶體學和計算機技術(shù)
基因工程
二
問:為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？
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；
二
1.天然蛋白質(zhì)合成的過程：
目的基因
轉(zhuǎn)錄
mRNA
翻譯
多肽鏈
折疊
蛋白質(zhì)
（三維結(jié)構(gòu)）
行使
生物功能
二、蛋白質(zhì)工程的基本原理
按照中心法則進行
說一說：蛋白質(zhì)多樣性的原因是什么？
蛋白質(zhì)工程是中心法則的逆推
二
蛋白質(zhì)工程的基本原理
天然蛋白質(zhì)合成的過程
目的基因
轉(zhuǎn)錄
mRNA
翻譯
多肽鏈
折疊
蛋白質(zhì)
（三維結(jié)構(gòu)）
行使
生物功能
2.蛋白質(zhì)工程的基本思路：
預期功能
設計
推測
改造或合成
二
蛋白質(zhì)工程的基本原理
3.蛋白質(zhì)工程的基本思路：
①預期蛋白質(zhì)的功能
②設計預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
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(zhì)
下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請據(jù)圖回答下列問題：
（1）代表蛋白質(zhì)工程操作思路的是_____,
代表中心法則內(nèi)容的是________。(填寫數(shù)字)
（2）寫出圖中各數(shù)字代表的生物學過程的名稱或內(nèi)容：
①______；②______；③______；④______；⑤__________。
（3）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。
④⑤
①②③
轉(zhuǎn)錄
翻譯
折疊
推測
改造合成
相反
【及時反饋】
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。
--- 蛋白質(zhì)工程基本思路的應用
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
思考·討論
GCU
GCC
GCA
GCG
UGG
AAA
AAG
丙氨酸
…
色氨酸
賴氨酸
谷氨酸
苯丙
氨酸
…
UUU
UUC
GAA
GAG
---蛋白質(zhì)工程基本思路的應用
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
思考·討論
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？
GCU
GCC
GCA
GCG
UGG
AAA
AAG
丙氨酸
…
色氨酸
賴氨酸
谷氨酸
苯丙
氨酸
…
UUU
UUC
GAA
GAG
由于密碼子具有簡并性,獲得的基因堿基序列有多種。
可人工合成目的基因，或從基因文庫中獲取目的基因后對基因進行改造。
用到基因的定點突變技術(shù)進行堿基的替換、增添等
32種
思考：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
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。
三、蛋白質(zhì)工程的應用
應用 實例
醫(yī)藥工業(yè)方面 改造胰島素基因，獲得____________類似物
獲得在一定條件下延長保存時間的 ；
將小鼠抗體上 “嫁接”到 上
其他工業(yè)方面 改進 或開發(fā) ；
提高玉米葉片和種子中游離_______的含量（P93）
農(nóng)業(yè)方面 改造某些 ；
設計優(yōu)良微生物______
速效胰島素
賴氨酸
農(nóng)藥
閱讀P95內(nèi)容，解決表格問題：
干擾素
結(jié)合抗原的區(qū)域
人的抗體
酶的性能
新的工業(yè)用酶
參與調(diào)控光合作用的酶
1.醫(yī)藥工業(yè)方面
（1）研發(fā)速效胰島素類似物
天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體
預期功能
降低胰島素的聚合作用
設計結(jié)構(gòu)
改變B鏈第20～29位氨基酸組成
改造
新胰島素基因
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
推測序列
轉(zhuǎn)錄
mRNA
翻譯
多肽鏈
行使功能
速效胰島素類似物
預期結(jié)構(gòu)
折疊等
阻礙胰島素從注射部位進入血液，延緩了降血糖作用
三、蛋白質(zhì)工程的應用
定點突變
研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸，或者將B28脯氨酸替換為天冬氨酸，可以保持天然胰島素的主要構(gòu)象，同時能降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集，大大增加了吸收速率。
B28脯氨酸
B29賴氨酸
如何設計？
B28賴氨酸
B29脯氨酸
調(diào)換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸。
- - - - - -可以保持天然胰島素的主要構(gòu)象，同時能降低分子自聚力。
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
天然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
（2）延長干擾素體外保存時間
定點突變
同步P.66-10
（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應
問題：小鼠單克隆抗體會使人體產(chǎn)生免疫反應，從而導致治療效果大大降低。
解決辦法：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)免疫反應的強度就會減低很多。
基因融合
思考：小鼠單克隆抗體的免疫反應主要是由哪一區(qū)域誘發(fā)的？
同步P.67-12
枯草桿菌蛋白酶
枯草桿菌
2. 在其他工業(yè)方面
（1）改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶
如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高該酶的使用價值。
水解蛋白質(zhì)，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。
一
蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
玉米中賴氨酸的含量比較低
天冬氨酸
賴氨酸
天冬氨酸激酶
二氫吡啶二羧酸合成酶
抑制
（很難提高）
怎么解決這個問題？
（2）對天然酶的改造
P.93
一
蛋白質(zhì)工程崛起的緣由
天冬氨酸激酶
二氫吡啶二羧酸合成酶
第352位:
蘇氨酸
異亮氨酸
變成
第104位:
天冬酰胺
異亮氨酸
變成
就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。
【構(gòu)建概念圖】
賴氨酸合成
調(diào)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
葉片中提高5倍
種子中提高2倍
P.93
提高玉米賴氨酸含量
3. 在農(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。
伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥
②設計優(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。
蛋白質(zhì)工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而這種高級結(jié)構(gòu)往往十分復雜。要設計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會給人類帶來更多的福祉。
異想天開
能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設計相應的基因，導入合適的宿主細胞中，讓宿主細胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？
理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。
主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復雜，人類對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設計出一個全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設計并獲得了一個全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長期深入的研究。
蛋白質(zhì)食品的工廠化生產(chǎn)想象圖
項目 蛋白質(zhì)工程 基因工程
操作對象
操作起點
操作水平
操作流程
結(jié)果
實質(zhì)
聯(lián)系
基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
預期蛋白質(zhì)功能→設計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→找到并改變對應的脫氧核苷酸序列（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)建基因表達載體→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定
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。
預期蛋白質(zhì)功能
目的基因
小結(jié)：蛋白質(zhì)工程和基因工程
1. 蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸，判斷：
(1)基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進行操作。（ ）
(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。（ ）
√
×
×
一、概念檢測
練習與應用
P92
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)上進行的，它最終要達到 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
3. 水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預防和治療血栓。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 項替換研究中，目前可行的直接操作對象是（ ）
A.基因 B.氨基酸　　C.多肽鏈 D.蛋白質(zhì)
D
A
28
03
第3位上的
異亮氨酸
半胱氨酸
與第97位的半胱氨酸形成-s-s-
定點突變
T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進行了研究。然后以此為依據(jù)對相關(guān)基因進行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷Ｓ谑牵谠摪腚装彼崤c第97位的半胱氨酸之間形成了一個二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項工作屬于什么工程的范疇？在該實例中引起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用到生產(chǎn)實踐，還需要做哪些方面的工作？
二、拓展應用

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