3.4 蛋白质工程的原理和应用(第一课时)课高二下学期生物人教版选择性必修3

选择性必修三《生物技术与工程》第3章

基因工程

第4节

蛋白质工程的原理和应用血红蛋白的三级结构为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？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改造黄色荧光蛋白及其他颜色的荧光蛋白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。这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤如何改造蛋白质？蛋白质工程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操作对象：结果：与基因工程的关系：理论和技术：改造或合成基因改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质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011.基因工程的实质及缺陷①实质：基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。②缺陷：基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。2.蛋白质工程崛起的缘由②天然蛋白质的缺陷：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。①理论和技术条件:

分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。一.蛋白质工程崛起的缘由501产量提高赖氨酸含量低合成时需：天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成酶。浓度影响酶活性实例异亮氨酸苏氨酸(352位）异亮氨酸天冬酰胺(104位)一.蛋白质工程崛起的缘由61.目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造，由于基因决定蛋白质，因此，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。2.天然蛋白质合成过程：思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大，基因结构相对简单，容易改造；②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；02按照中心法则二.蛋白质工程的基本原理新蛋白质预期功能找到并改变或合成推测转录翻译折叠基因DNA所需新蛋白质新功能氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构mRNA起点：目的：终点：实质：前提：蛋白质的预期功能了解蛋白质结构和功能的关系获得大量的改造后的蛋白质改造或合成基因结构生产出符合人们生活需要的蛋白质关键技术：基因工程又称第二代基因工程3.蛋白质工程的一般过程二.蛋白质工程的基本原理逆中心法则设计4.蛋白质工程的实例实例：提高水蛭素的抗凝血效率水蛭素第47位天冬酰胺改造成赖氨酸或精氨酸，以此来提高抗凝血效率，可提高4倍。

水蛭素是自然界存在的最强抗凝血物质，

在防治心脑血管疾病和抗癌方面等具有特效。二.蛋白质工程的基本原理a.以据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质（到目前还没有成功的例子）b.改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构域c.利用基因工程中的定点诱变技术，改造蛋白质分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基（实践中运用的最多）借助计算机构建蛋白质三维结构图4.蛋白质工程的类型二.蛋白质工程的基本原理新蛋白质预期功能找到并改变或合成推测转录翻译折叠基因DNA所需新蛋白质新功能氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构mRNA起点：目的：终点：实质：前提：蛋白质的预期功能了解蛋白质结构和功能的关系获得大量的改造后的蛋白质改造或合成基因结构生产出符合人们生活需要的蛋白质关键技术：基因工程又称第二代基因工程3.蛋白质工程的一般过程二.蛋白质工程的基本原理逆中心法则设计蛋白质工程基本思路的应用P94思考.讨论某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸赖氨酸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。查密码子表得知：推知mRNA序列为：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）。GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共

种可能序列32二.蛋白质工程的基本原理蛋白质工程基本思路的应用思考.讨论丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸赖氨酸查密码子表得知：推知mRNA序列为：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）。GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共

种可能序列32脱氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)共

种可能序列32二.蛋白质工程的基本原理蛋白质工程基本思路的应用思考.讨论

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？

确定目的基因的碱基序列后，可以人工合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。

提示：天然蛋白质改造蛋白质二.蛋白质工程的基本原理❖定点诱变法的过程示意图引物突变DNA聚合酶DNA连接酶受体细胞转录突变二.蛋白质工程的基本原理归纳总结定点诱变技术项目内容条件原料酶引物操作方法结果适用范围特点4种脱氧核苷酸DNA聚合酶和DNA连接酶含突变位点的DNA分子片段先通过PCR扩增已获得定点突变的基因，再通过基因工程将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译合成所需的蛋白质后代中半数为诱变的DNA分子空间结构完全清楚的蛋白质，进行“小改”定点诱变有目的性和针对性二.蛋白质工程的基本原理归纳总结定点诱变技术项目内容条件原料酶引物操作方法结果适用范围特点4种脱氧核苷酸DNA聚合酶和DNA连接酶含突变位点的DNA分子片段先通过PCR扩增已获得定点突变的基因，再通过基因工程将突变基因导入受体细胞，经过转录和翻译合成所需的蛋白质后代中半数为诱变的DNA分子空间结构完全清楚的蛋白质，进行“小改”定点诱变有目的性和针对性二.蛋白质工程的基本原理项目蛋白质工程基因工程区别

起点过程实质结果应用及现状联系预期蛋白质功能目的基因预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定通过改造相应的基因达到对蛋白质的改造基因重组可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质①主要集中在对现有蛋白质进行改造，②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程二.蛋白质工程的基本原理蛋白质工程与基因工程的比较项目蛋白质工程基因工程操作对象操作起点操作水平操作流程结果实质联系基因基因DNA分子水平DNA分子水平预期蛋白质功能→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→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定可生产自然界没有的蛋白质生产自然界已有的蛋白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(基因重组），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①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。预期蛋白质功能目的基因思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？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二.蛋白质工程的基本原理蛋白质工程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操作对象：结果：与基因工程的关系：理论和技术：改造或合成基因改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质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课堂练习.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是_____；代表中心法则内容的是________。(填写数字)（2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①______；②______；③______；④______；⑤__________。（3）蛋白质工程的目的是____________________________________________________________，通过___________________实现。（4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。④⑤①②③转录翻译折叠推测改造合成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改造或基因合成相反预期功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第20～29位氨基酸组成改造新胰岛素基因B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置推测序列转录mRNA翻译多肽链行使功能速效胰岛素类似物预期结构折叠等天然蛋白质易形成二聚体或六聚体阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用(1)研发速效胰岛素类似物定点突变1.医药工业方面三.蛋白质工程的应用2303（2）延长干扰素体外保存时间天然干扰素不易保存改造新干扰素基因预期功能延长保存时间设计结构氨基酸替换一个半胱氨酸变成丝氨酸推测序列预期结构转录mRNA折叠翻译多肽链行使功能在-70℃下可以保存半年定点突变1.医药工业方面三.蛋白质工程的应用2403（3）提高蛋白质的热稳定性第3位上的异亮氨酸半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成-s-s-定点突变三.蛋白质工程的应用1.医药工业方面2503（4）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应基因融合通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。三.蛋白质工程的应用1.医药工业方面人鼠嵌合体03蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。2.其他