【公开课课件】3.4蛋白质工程的原理和应用课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3

1、 从社会中来 你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。 最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？3.4 蛋白质工程的原理和应用科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上在采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基因在下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物-黄色荧光蛋白。3.4 蛋白质

2、工程的原理和应用-蛋白质工程的概念：P93 是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求注意基础：操作对象：结果：目的：与基因工程的关系：理论和技术：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系改造或合成基因改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质满足人类生产和生活的需求在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程分子生物学、晶体学和计算机技术3.4 蛋白质工程的原理和应用一、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质: 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。

3、2.蛋白质工程崛起的缘由：基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，这些天然 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号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。 3.实例：例如，玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨合成过程中的两种关键酶-天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。3.4 蛋白质

4、工程的原理和应用二、蛋白质工程的基本原理1.蛋白质的目标：P94 根据人们对蛋白质功能的特定需求，因此要对蛋白质的结构进行设计改造。由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。2.天然蛋白质合成过程：是按照中心法则进行的基因表达(转录和翻译）形成具有特定氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能预期功能预期结构推测氨基酸序列（多肽链）改造或合成目的基因转录mRNA翻译折叠设计行使二、蛋白质工程的基本原理3.蛋白质工程：与天然蛋白质合成的过程相反。基本思路：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并改变相对应的脱

5、氧核苷酸序列（基因），或合成新的基因获得所需要的蛋白质练一练练一练: :基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路基于蛋白质的合成过程和蛋白质工程的基本思路, ,完成完成下列填空下列填空。_A A推测应有的推测应有的_B B找到并找到并改变改变_或合成新的或合成新的_C C_ _ D D _ _ 蛋白质蛋白质多肽链多肽链mRNAmRNA目的基因目的基因氨基酸序列氨基酸序列基因基因基因基因转录转录翻译翻译思考.讨论 蛋白质工程基本思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：讨论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。提示：通过查必修2P67密码子表中可知，氨基酸序列中 各

6、氨基酸的密码子如下，丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG) ；色氨酸(UGG)；赖氨酸(AAA、AAG）；谷氨酸（GAA、GAG）苯丙氨酸（UUU、UUC） 每种氨基酸都有对应的密码子，根据提示通过查密码子表可知，题中的氨基酸序列中的几个氨基酸是由多个密码子编码的，首先根据密码子推出mRNA的序列：GCU（C、A、G）UGG AAA（G）GAA（G）UUU（C），再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列为：CGA（G、T、C) ACC TTT(C) CTT(C) AAA(G)。因此，其碱基排列组合至少可以排列出32种。讨论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？ 可以人工合

7、成目的基因，或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。补充：基因的定点突变技术1-重叠PCR技术该过程需要_种引物；PCR1的产物AB是引物_和引物_扩增的结果；PCR2的产物CD是引物_和引物_扩增的结果；产物AD的形成需要引物吗？_需要改变的碱基位于引物_和引物_上引物b和引物c之间有什么关系？_PCR3中突变产物AD的扩增需要引物_和引物_4abcdbc引物b和引物c应有部分碱基互补的关系ad不需要，但需要耐高温的DNA聚合酶现学现用：利用重叠PCR技术进行定点突变可以实现对纤维素酶基因进行合理性改造，过程如下图，下列分析不正确的是（ ）

8、A.PCR1过程中的产物AB是依赖引物a和引物b扩增的结果B.引物c和引物b上均含有与模板链不能互补的碱基C.过程需要先加热至90-95再冷却至55-60D.过程需要利用引物a和引物d获得突变产物ADD 该过程需要三种引物，第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条链作为下游大引物，与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。补充：基因的定点突变技术2-大引物PCR技术 补充：基因的定点突变技术3-突变质粒噬菌体动植物病毒引物原料耐高温DNA聚合酶专一性Ca2+缓冲液三、蛋白质工程的应用：P951.医药工业方面:( (1)1)速效胰

9、岛素类似物速效胰岛素类似物: :改造胰岛素基因实现对氨基酸序列的改造胰岛素基因实现对氨基酸序列的改造改造, ,从而从而_了胰岛素了胰岛素的聚合。的聚合。(2)(2)干扰素干扰素: :将一个半胱氨酸替换为丝氨酸将一个半胱氨酸替换为丝氨酸, ,在在-70-70的条件下，的条件下，可以可以保存保存半年半年。( (3)3)单克隆抗体单克隆抗体: :将小鼠抗体上将小鼠抗体上_的区域的区域“嫁接嫁接”到人到人的抗体上的抗体上, ,改造后的抗体诱发改造后的抗体诱发免疫反应的免疫反应的强度就会降低很多。强度就会降低很多。抑制抑制结合抗原结合抗原三、蛋白质工程的应用：P952.其他工业方面：广泛广泛用于用于_或

10、或开发新的工业用酶开发新的工业用酶。例如，。例如，枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。洗涤剂工业、丝绸工业等。改进酶的性能改进酶的性能3.3.农业方面：农业方面：(1)(1)改造某些改造某些参与调控光合作用的酶参与调控光合作用的酶, ,以提高植物光合作用的以提高植物光合作用的效率。增加粮食的产量。效率。增加粮食的产量。(2)(2)通过改造通过改造微生物蛋白质的结构微生物蛋白质的结构, , 使它防治病虫害的效果增强。使它防治病虫害的效果增强。总结：基因工程与蛋白质工程的比较项 目蛋白质工程基因工程操作对象基因基因

11、操作起点预期蛋白质功能目的基因操作水平DNA分子水平DNA分子水平操作流程预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因获得所需要的蛋白质目的基因的筛选与获取基因表达载体的构建将目的基因导入受体细胞目的基因检测与鉴定结果可生产自然界没有的蛋白质可生产自然界已有的蛋白质实质通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状联系蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来第二代基因工程；蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作思考：如何辨别一个操作是基因工程还

12、是蛋白质工程？是否合成新的基因蛋白质工程是否对原有基因进行改造是否是否蛋白质工程基因工程看蛋白质看基因是否为天然蛋白质是否蛋白质工程基因工程4.现状：三、蛋白质工程的应用：P95 蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。我们相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。异想天开能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动

13、物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。思考：为什么蛋白质工程改造基因，而不是直接改造蛋白质？因为：蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；基因可以遗传，蛋白质无法遗传。课堂小结课堂小结：蛋

14、白质工程的概念：以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基 础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。一、蛋白质工程崛起的缘由：基因原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，这些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号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。二、蛋白质工程的基本原理：预期蛋白质功能设计预期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。三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面；2.其他工业方面； 3.农业方面。练习与应用：P96练习与应用：P96练习与应用：P96D练习与应用：P96A练习与应用：P96练习与应用：P961.属于蛋白质工程的范畴；属于蛋白质工程的