高中生物 1.3 蛋白质工程同步课件 苏教版选修3.ppt

第三节蛋白质工程 课程标准 简述蛋白质工程课标解读 1 举例说出蛋白质工程崛起的缘由2 简述蛋白质工程的原理3 收集和处理资料 尝试撰写专题综述报告 是通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的 并借助计算机辅助设计 和 改造基因 以定向改造 甚至创造出 的蛋白质的技术 蛋白质工程的概念和原理 1 蛋白质工程概念 结构和功能 基因定点诱变 重组dna技术 天然蛋白质 自然界不存在 了解蛋白质 的关系 科学家测定蛋白质结构时主要采用哪两种方法 提示x射线晶体衍射法和核磁共振法 2 蛋白质工程的关键技术 3 蛋白质工程的前提条件 思维激活1 基因工程 结构和功能 1 对已知空间结构的蛋白质的改造 大改 即制造出 蛋白质 中改 即在蛋白质分子中替代 小改 即改造蛋白质分子中 残基 核心技术是基因的 其中 是常用的方法之一 2 对空间结构不清楚的蛋白质的改造 采用 来进行改造 定点诱变与非定点诱变相比较各有哪些优点 提示定点诱变有目的性和针对性 非定点诱变突变位点多 有时甚至会产生出意想不到的改造效果 4 蛋白质改造的方法 思维激活2 自然界中不存在的全新 某一个肽段或一个特定结构 域 某活性部位的1个或几个氨基酸 定点诱变技术 pcr技术 非定点诱变技术 1 实施前提 通过物理化学与生物化学等技术手段了解蛋白质结构与功能的关系 2 改造的对象 蛋白质 3 改造的手段 借助计算机辅助设计 基因定点诱变和重组dna技术改造基因 4 改造的目的 定向改造天然蛋白质 甚至创造出自然界不存在的蛋白质 5 关键技术 蛋白质工程一般先创造出适合人类需求的新基因 然后使其表达出具有特定结构和功能的蛋白质 所以基因工程是其关键技术 1 蛋白质工程 6 蛋白质工程别名 第二代基因工程 7 蛋白质工程兴起的缘由 基因工程原则上只能生产自然界中已存在的天然蛋白质 天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的 它们的结构和功能符合特定物种生存的需要 却不一定完全符合人类生产和生活的需要 因此在基因工程的基础上产生了蛋白质工程来定向改造天然蛋白质 甚至创造出自然界不存在的蛋白质 2 蛋白质工程与基因工程的比较 从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相对应的脱氧核苷酸序列 基因 利用基因工程手段生产所需蛋白质 3 蛋白质工程的设计思路 中心法则的逆推 4 基本原理 实施蛋白质工程的前提条件是通过物理化学与生物化学等技术手段了解蛋白质结构与功能的关系 所以首先要了解蛋白质的结构 1 三维结构 x射线晶体衍射法 2 构象 核磁共振法 3 一级结构 氨基酸序列 dna和蛋白质测序技术 5 了解蛋白质结构的方法 根据蛋白质被改造的多少 可分为以下几种类型 1 大改 根据氨基酸的性质和特点 设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质 使之具有特定的氨基酸序列 空间结构和预期功能 2 中改 是指在蛋白质分子中替代某一个肽段或一个特定的结构域 3 小改 通过基因工程中的定点诱变技术 有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基 以改善蛋白质的性质和功能 核心技术是基因工程中的定点诱变技术 其中pcr技术是常用的方法之一 6 对已知空间结构的蛋白质的改造 小改过程 一般先人工合成带有突变位点的引物 通过pcr扩增而获得定点突变的基因 再通过基因工程的方法 将突变基因导入受体细胞 经过转录和翻译就可合成所需的蛋白质 1 方法 采用非定点诱变的方法来进行改造蛋白质 2 缺点 缺乏像定点诱变那样的目的性和针对性 3 优点 突变位点多 有时会产生意想不到的改造效果 7 对空间结构不清楚的蛋白质的改造 下列说法正确的是 a 蛋白质工程和基因工程的目的都是获得人类需要的蛋白质 所以二者没有区别b 基因工程是蛋白质工程的关键技术c 通过蛋白质工程改造后的蛋白质有的仍然是天然蛋白质d 蛋白质工程是在蛋白质分子水平上直接改造蛋白质解析蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求 对蛋白质的结构进行分子设计 基因工程是关键技术 是蛋白质工程的基础 因为对蛋白质结构的改造是通过改造基因而实现的 所以蛋白质工程是在基因水平上进行改造 改造后的蛋白质不再是天然的蛋白质 答案b 巩固1 根据改造蛋白质的部位多少 对蛋白质的改造可分为三类 下列叙述不正确的是 a 大改 设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质b 中改 在蛋白质分子中替代一个肽段c 小改 改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基d 微改 改造蛋白质分子中的某种原子解析蛋白质工程根据蛋白质被改造部位的多少 可以将这些改造分为 大改 中改 小改 没有 微改 答案d 巩固2 通过改造酶的 有目的地提高酶的 1 将 和 转变为 氨基酸 可以有效地提高酶的热稳定性 2 在蛋白质分子中引入 可以显著提高蛋白质的热稳定性 在 领域 蛋白质工程也有广泛的应用 1 的改造在 水平上对抗体进行重组 生产人 和鼠 的 抗体 对人体的不良反应减少 蛋白质工程的应用 1 2 结构 热稳定性 天门冬酰胺 谷氨酰胺 其他 二硫键 生物工程制药 鼠源杂交瘤抗体 基因 恒定区 可变区 鼠 人嵌合 2 纤维蛋白溶解酶原激活因子 t pa 的改造是通过 工程 将t pa分子中的 替换为 后 t pa在血液循环中的停留时间就会大大延长 1 方法 2 原理 我国科学家为蛋白质工程的理论和技术发展做出了积极贡献 成功的范例之一是完成了 的人工合成 人工合成 结晶牛胰岛素 属于蛋白质工程的应用吗 提示不属于 思维激活3 3 sars病毒的检测与诊断 4 蛋白质 天门冬酰胺 谷氨酰胺 蛋白质芯片 抗原 抗体杂交 结晶牛胰岛素 1 原因工业化生产中所使用的酶需要具有高度的稳定性和催化活性 特别是对高温的稳定性 一般来说 热稳定性高的酶也具有较强的耐酸 碱和有机溶剂的能力 2 方法 方法一 通过替换酶的几种氨基酸 可以提高酶的热稳定性 原理是 研究发现 高温可使酶肽链中的天门冬酰胺和谷氨酰胺发生脱氨反应 引起酶结构的破坏 进而使酶丧失功能 若将这些氨基酸转变为其他氨基酸 则可以提高酶的热稳定性 1 提高酶的热稳定性 方法二 在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性 1 原因 胰岛素进入血液速度缓慢的主要原因是胰岛素分子会聚合成二聚体或多聚体 2 方法 通过基因定点诱变 将胰岛素b链由b28脯氨酸 b29赖氨酸改为b28赖氨酸 b29脯氨酸 获得单体速效胰岛素 1 原因 小鼠单克隆抗体的制备比较简单 但这种鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥 不能直接用于人体 2 方法 在基因水平上对抗体进行重组嵌合抗体就是保留鼠单克隆抗体的可变区 而用人抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区 这种嵌合抗体的抗原性显著下降 而抗体的特异识别功能没有丧失 可用于临床治疗 2 制造速效胰岛素 3 鼠 人嵌合抗体的形成 1 原因 组织纤溶酶原激活物 t pa 专一激活人体内的纤溶系统 保证血液循环的畅通 但t pa进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物 并迅速失去活性 2 方法 利用基因定点诱变技术 将纤维蛋白溶解酶原激活因子 t pa 分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺 使t pa在血液循环中的停留时间大大延长 疗效更加显著 4 制造长效纤维蛋白溶解酶原激活因子 下列不属于蛋白质工程成果的是 a 改造酶的结构 提高酶的热稳定性b 生产出鼠 人嵌合抗体c 将t pa分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺d 蛋白酶洗衣粉容易洗掉或除去奶渍 血渍解析a b c三项所述都是对现存的蛋白质分子进行改造 属于蛋白质工程的成果 而加酶洗衣粉属于酶制剂的应用 属于酶工程的成果 答案d 巩固3 科学家为提高玉米中的赖氨酸含量 计划将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸 将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的氨基酸由天冬氨酸变成异亮氨酸 就可以使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍 下列对蛋白质的改造 操作正确的是 a 直接通过分子水平改造蛋白质b 直接改造相应的mrnac 对相应的基因进行操作d 重新合成新的基因 例1 示例一蛋白质工程的原理 思维导图 深度剖析蛋白质工程的目的是对蛋白质进行改造 从而使蛋白质的功能可以满足人类的生产和生活的需要 蛋白质的功能与其高级结构密切相关 而蛋白质高级结构又十分复杂 所以直接对蛋白质进行改造非常困难 而蛋白质是由基因控制合成的 对基因进行操作则容易得多 另外 改造基因能使改造后的蛋白质能遗传下去 答案c思维发散题中蛋白质改造属于哪种改造类型 可以采用什么方法进行改造蛋白质的结构 提示小改 定点诱变技术 猪的胰岛素用于人体时降血糖效果不明显 原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同 为了使猪胰岛素用于治疗人类糖尿病 在蛋白质工程中蛋白质分子设计的最佳方案是 a 对猪胰岛素进行一个氨基酸的替换b 将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素c 将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病d 根据人的胰岛素设计制造出一种全新的胰岛素思维导图 例2 示例二蛋白质工程的应用 深度剖析由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人胰岛素中的不同 所以在蛋白质工程中的蛋白质分子设计中 只需替换这一个不同的氨基酸即可 虽然根据人胰岛素分子的结构设计一种全新的胰岛素也可以用于临床治疗 但分子设计和胰岛素的生产方面都存在很多困难 所以不是最佳方案 答案a思维发散胰岛素为什么能降血糖 提示胰岛素能促进血糖进入组织细胞 并在组织细胞内氧化分解 合成糖原或脂肪 同时抑制肝糖原分解和非糖物质转化为葡萄糖 从而使血糖浓度降低 蛋白质的功能是由其结构决定的 而蛋白质的结构是由基因控制合成的 因此 蛋白质工程实际上是通过创造符合人类需求的新基因来实现的 即要想获得某种蛋白质 必须先要通过基因工程获得某种基因 再由该基因经转录和翻译而来 当然 了解蛋白质的结构与功能的关系是实施蛋白质工程的前提条件 技法必备 设计蛋白质工程 某多肽链的一段氨基酸序列是 甲硫氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 部分氨基酸的密码子为 甲硫氨酸 aug 色氨酸 ugg 苯丙氨酸 uuu uuc 1 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列 请把相应的碱基序列写出来 2 确定目的基因的碱基序列后 怎样才能合成或改造目的基因 dna 能力展示 解析本题考查蛋白质工程的原理 也就是要求根据中心法则逆向推理 由蛋白质的氨基酸序列逆向推出决定它的基因的核苷酸序列 由已知的氨基酸序列推知翻译该蛋白质的mrna上碱基序列为 augugguucugg 或 augugguuuugg 由mrna上碱基序列知 转录产生mrna的dna分子碱基序列为 答案 1 根据氨基酸序列反推mrna密码子序列 再反推dna上脱氧核苷酸序列 其dna碱基序列为 2 根据dna的碱基对序列或改造后的dna碱基对序列 利用四种脱氧核苷酸进行人工合成 规律方法在解答蛋白质工程的问题时要注意以下方法 1 蛋白质工程不管怎样设计 最终还是回到基因工程上来 因为蛋白质的合成是由基因控制的 2 基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因 而蛋白质工程中的基因一般不是自然界存在的 蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 a 氨基酸结构b 蛋白质空间结构c 肽链结构d 基因结构解析蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础 通过基因修饰或基因合成 对现有蛋白质进行改造 或制造一种新的蛋白质 以满足人类的生产或生活需要 因此 归根到底要对基因进行改造 答案d 1 蛋白质工程与基因工程相比 其突出特点是 a 基因工程原则上能生产任何蛋白质b 蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造 或制造一种新的蛋白质c 蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现d 蛋白质工程是在基因工程的基础上 延伸出来的第三代基因工程解析蛋白质工程通过基因修饰或基因合成 对现有蛋白质进行改造 或制造一种新的蛋白质 以满足人类的生产和生活的需求 是延伸出来的第二代基因工程 答案b 2 下列关于蛋白质工程的叙述中 错误的是 a 蛋白质工程的实现需要多种科学技术参与b 蛋白质工程创造了自然界不存在的蛋白质c 蛋白质工程又称为第二代基因工程d 定点诱变技术用于蛋白质的 中改 解析蛋白质工程的实现需要多种科学技术参与 结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果 为改造天然蛋白质提供了蓝图 分子遗传学以定点诱变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段 定点诱变技术用于蛋白质的 小改 答案d 3 下列属于蛋白质工程应用的是 a 抗虫棉b 巨型鼠c 鼠 人嵌合抗体d 超级细菌解析抗虫棉 巨型鼠 超级细菌都是利用基因工程培养出来的生物 而鼠 人嵌合抗体是科学家对抗体进行改造生产的 答案c 4 5 胰岛素可以用于治疗糖尿病 但是胰岛素被注射到人体后 会堆积在皮下 要经过较长的时间才能进入血液 而进入血液的胰岛素又容易分解 因此 治疗效果受到影响 如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程 请据图回答有关问题 1 构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键 图中构建新的胰岛素模型的主要依据是 2 通过dna合成形成的新基因应与 结合后转移到 中才能得到准确表达 3 若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素 需用到的生物工程有 和发酵工程 4 图解中从胰岛素模型到新的胰岛素基因的合成的基本思路是什么 解析 1 蛋白质工程首先要根据人们对蛋白质功能的特定需求 对蛋白质的结构进行分子设计 因此 图中构建新的胰岛素模型的主要依据是预期胰岛素的功能 即速效胰岛素 2 合成的目的基因应与载体