【课件】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.pptx
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1、3.4 蛋白质工程的原理和应用蛋白质工程的原理和应用2023/3/272023/3/27从社会中来从社会中来 你你见见过过用用细细菌菌画画画画吗吗?右右图图是是用用发发出出不不同同颜颜色色荧荧光光的的细细菌菌“画画 的的美美妙妙图图案案。这这些些细细菌菌能能够够发发出出荧荧光光,是是因因为为在在它它们们的的体体内内导导入入了了荧荧光光蛋蛋白白的的基基因因。最最早早被被发发现现的的荧荧光光蛋蛋白白是是绿绿色色荧荧光光蛋蛋白白,科科学学家家通通过过改改造造它它,获获得得了了黄黄色色荧荧光光蛋蛋白白等等。这这些些荧荧光光蛋蛋白白在在细细胞胞内内生生命命活活动动的的检检测测、肿肿瘤瘤的的示示踪踪研研究
2、究等等领领域域有有着着重重要要应应用用。那那么么,科科学学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢?家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢?科科学学家家解解析析了了多多管管水水母母绿绿色色荧荧光光蛋蛋白白的的晶晶体体结结构构,并并利利用用计计算算机机进进行行辅辅助助设设计计,在在此此基基础础上上再再采采用用定定点点突突变变的的技技术术将将绿绿色色荧荧光光蛋蛋白白发发光光基基团团正正下下方方的的第第203203位位的的苏苏氨氨酸酸替替换换为为酪酪氨氨酸酸,从从而而获获得得了了一一种种新的绿色荧光蛋白的衍生物新的绿色荧光蛋白的衍生物-黄色荧光蛋白黄色荧光蛋白。用细菌用细菌“画画”的画的画2023/3
3、/27 蛋蛋白白质质工工程程是是指指以以蛋蛋白白质质分分子子的的结结构构规规律律及及其其与与生生物物功功能能的的关关系系作作为为基基础础,通通过过改改造造或或合合成成基基因因,来来改改造造现现有有蛋蛋白白质质,或或制制造造一一种种新新的的蛋蛋白白质质,以以满满足人类生产和生活的需求足人类生产和生活的需求。蛋蛋白白质质工工程程是是在在基基因因工工程程的的基基础础上上,延延伸伸出出来来的的第二代基因工程第二代基因工程。蛋蛋白白质质工工程程的的操操作作对对象象,为为什什么么说说是是基基因因,而而不是蛋白质?不是蛋白质?逆转录逆转录转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链复制复制复制复制折叠等
4、折叠等具有空间结具有空间结构的蛋白质构的蛋白质表达生物特有表达生物特有的功能或性状的功能或性状天然蛋白质的合成过程与性状表达天然蛋白质的合成过程与性状表达回顾旧知回顾旧知:蛋白质只有具有一定空间结构,蛋白质只有具有一定空间结构,才能表达特有性状或具有特定功能才能表达特有性状或具有特定功能2023/3/27蛋白质工程的操作对象蛋白质工程的操作对象是基因,而不是蛋白质是基因,而不是蛋白质2023/3/27一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质基因工程的实质 将将一一种种生生物物的的基基因因转转移移到到另另一一种种生生物物体体内内,后后者者可可以以产产生生它本不能产生的蛋
5、白质,进而表现出新的性状它本不能产生的蛋白质,进而表现出新的性状。2.基因工程的局限性基因工程的局限性 原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。3.天然蛋白质的不足天然蛋白质的不足 天天然然蛋蛋白白质质是是生生物物在在长长期期进进化化过过程程中中形形成成的的,它它们们的的结结构构和和功功能能符符合合特特定定物物种种生生存存的的需需要要,却却不不一一定定完完全全符符合合人人类类生生产产和和生生活活的的需需要要。如如玉玉米米中中赖赖氨氨酸酸含含量量较较低低,经经人人工工设设计计改改造造,可可使其叶片和种子中使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高游离赖氨酸的含量分
6、别提高5 5倍和倍和2 2倍倍。赖氨酸合成赖氨酸合成调控调控达到一定浓度达到一定浓度两种酶的活性两种酶的活性352352位的苏氨酸变位的苏氨酸变成异亮氨酸成异亮氨酸二氢吡啶二二氢吡啶二羧酸合成酶羧酸合成酶天冬氨天冬氨酸激酶酸激酶+104104位的天冬酰胺位的天冬酰胺变成异亮氨酸变成异亮氨酸赖氨酸含量赖氨酸含量抑制抑制提高提高提高提高限制限制提高提高2023/3/27玉米中赖氨酸含量较低,原因在于赖氨酸合成的两种关键酶。玉米中赖氨酸含量较低,原因在于赖氨酸合成的两种关键酶。2023/3/27二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的目标蛋白质工程的目标 根根据据人人们们对对
7、蛋蛋白白质质功功能能的的特特定定需需求求,对对蛋蛋白白质质的的结结构构进进行设计改造。行设计改造。2.蛋白质工程的实质蛋白质工程的实质 通通过过改改造造或或合合成成基基因因,来来定定向向改改造造现现有有蛋蛋白白质质或或制制造造新新的蛋白质的蛋白质。3.天然蛋白质合成天然蛋白质合成的的过程过程 天天然然蛋蛋白白质质合合成成的的过过程程是是按按照照中中心心法法则则进进行行的的。基基因因表表达达(转转录录和和翻翻译译)形形成成具具有有特特定定氨氨基基酸酸序序列列的的多多肽肽链链形成具有形成具有高级结构高级结构的蛋白质的蛋白质行使行使生物功能。生物功能。而蛋白质工程却与之而蛋白质工程却与之相反相反!2
8、023/3/274.蛋白质工程蛋白质工程的的基本思路基本思路 从从预预期期的的蛋蛋白白质质功功能能出出发发设设计计预预期期的的蛋蛋白白质质结结构构推推测测应应有有的的氨氨基基酸酸序序列列找找到到并并改改变变相相对对应应的的脱脱氧氧核核苷苷酸酸序序列列(基基因因)或或合成新的基因合成新的基因获得获得所需要的蛋白质所需要的蛋白质。折叠折叠目的基因目的基因2023/3/27思考思考讨论讨论P94 蛋白质工程基本思路的应用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:某多肽链的一段氨基酸序列是:丙氨酸丙氨酸苯丙苯丙氨酸氨酸色氨酸色氨酸谷氨酸谷氨酸赖氨酸赖氨酸1.1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧
9、核苷酸序列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请把相应的碱基序列写出来。提示:丙氨酸(出来。提示:丙氨酸(GCUGCU、GCCGCC、GCAGCA、GCG)GCG)、色氨酸、色氨酸(UGG)(UGG)、赖氨酸赖氨酸(AAA(AAA、AAGAAG)、谷氨酸(谷氨酸(GAAGAA、GAGGAG)、苯丙氨酸(苯丙氨酸(UUUUUU、UUCUUC)。2.2.确定目的基因的碱基序列后,怎样确定目的基因的碱基序列后,怎样才能才能合成或改造目的基因?合成或改造目的基因?mRNAmRNA序列为:序列为:GCUGCU(或(或C C或或A A或或G G)UGG AAAUGG AAA(或(或
10、G G)GAAGAA(或(或G G)UUUUUU(或(或C C)DNADNA序列为:序列为:CGACGA(或(或G G或或T T或或C C)ACC TTTACC TTT(或(或C C)CTTCTT(或(或C C)AAAAAA(或(或G G)GCT GCT(或(或C C或或A A或或G G)TGG AAATGG AAA(或(或G G)GAAGAA(或(或G G)TTTTTT(或(或C C)确定目的基因的碱基序列后,可以确定目的基因的碱基序列后,可以人工合成目的基因人工合成目的基因或或从基因文从基因文库中获取目的基因库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进
11、基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添行碱基的替换、增添等等。项目目蛋白蛋白质工程工程基因工程基因工程操作操作对象象操作起点操作起点操作水平操作水平操作流程操作流程结果果实质联系系基因基因基因基因DNADNA分子水平分子水平DNADNA分子水平分子水平预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计蛋白质结构推测氨推测氨基酸序列基酸序列找到并改变对应的脱氧核苷酸序找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新基因列(基因)或合成新基因获得所需要的蛋获得所需要的蛋白质白质目的基因的筛选与获取目的基因的筛选与获取构建基因构建基因表达载体表达载体将目的基因导入受体细将目的基因导入受体细胞胞目的基因的检
12、测与鉴定目的基因的检测与鉴定可生产自然界没有的蛋白质可生产自然界没有的蛋白质生产自然界已有的蛋白质生产自然界已有的蛋白质改造或合成基因来定向改造现有蛋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白质或制造新的蛋白质基因转移到另一种生物体内,基因转移到另一种生物体内,产生它本不能产生的蛋白质产生它本不能产生的蛋白质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;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;蛋白质工程离不开基因工程,其包含基因工程的基本操作。蛋白质工程离不开基因工程,其包含基因工程的基本操作。预期蛋白质功能预期蛋白质功能目的基因目的基因拓展拓展 5.5.蛋白质
13、工程和基因工程的比较蛋白质工程和基因工程的比较2023/3/27思思考考P95:能能不不能能根根据据人人类类需需要要的的蛋蛋白白质质的的结结构构,设设计计相相应应的的基基因因,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?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?理理论论上上讲讲可可以以,但但目目前前还还没没有有真真正正成成功功的的例例子子。利利用用改改造造后后的的动动物物细细胞胞、微微生生物物细细胞胞等等可可以以生生产产人人类类需需要要的的蛋蛋白白质质,但但这这些些蛋蛋白白质质往往往往都都是是自自然然界界中中已已经经存存在在的的蛋蛋白白质质,并并非非完完全
14、全是是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主主要要原原因因是是蛋蛋白白质质的的高高级级结结构构非非常常复复杂杂,人人类类对对大大多多数数蛋蛋白白质质的的高高级级结结构构和和蛋蛋白白质质在在生生物物体体内内如如何何行行使使功功能能了了解解得得还还不不够,很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。够,很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即即使使设设计计并并获获得得了了一一个个全全新新的的蛋蛋白白质质,它它的的生生理理生生化化特特性性、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。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。天然蛋白质易
15、天然蛋白质易形成二聚体或形成二聚体或六聚体六聚体预期结构预期结构改造改造B28B28位脯氨酸替换位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它为天冬氨酸或将它与与B29B29位的赖氨酸位的赖氨酸交换位置交换位置新胰岛新胰岛素基因素基因转录转录mRNAmRNA折叠折叠预期预期功能功能行使行使功能功能降低胰岛降低胰岛素的聚合素的聚合作用作用设计设计结构结构改变改变B B链第链第20202929位氨位氨基酸组成基酸组成推测推测序列序列翻译翻译多肽链多肽链有效抑制有效抑制胰岛素的胰岛素的聚合聚合2023/3/27三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用1.1.医药工业方面医药工业方面(1 1)研发速效胰岛素类似物)研发
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