【高中生物】蛋白质工程的原理和应用课件 高二下学期生物人教版选择性必修3.pptx
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1、第4节:蛋白质工程的原理和应用三级结构一级结构四级结构二级结构【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,是因为它们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?对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程 来实现的知识点回顾:基因工程知识点回顾:基因工程按照人们的愿望,通过转基因等技术,赋予生物新的遗传特性,创按照人们的愿望,通过转基因等技术,赋予生物新的遗传特性
2、,创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看,由于基因工程是在看,由于基因工程是在DNADNA分子水平上进行设计和施工的,因此又分子水平上进行设计和施工的,因此又叫作重组叫作重组DNADNA技术。技术。操作对象及环境操作对象及环境操作水平操作水平操作操作原理原理结果结果生物体外生物体外基因基因DNADNA分子水平分子水平按照人类的需要定向改造生物的遗传特性按照人类的需要定向改造生物的遗传特性基因重组基因重组优点:优点:能克服远缘杂交不亲和的障碍;能克服远缘杂交不亲和的障碍;定向改造生物的遗传特性。定向改造生物的遗传特
3、性。一、蛋白质工程崛起的缘由1.缘由基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质(天然蛋白质)天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要需要对天然蛋白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质实质: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。结构和功能符合特定物种生存的需要蛋白质工程崛起玉米中赖氨酸的含量比较低,原因是赖氨酸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
4、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。天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要需要对天然蛋白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质2.实例2.实例改造的天冬氨酸激酶异亮氨酸(352位)变为变为玉米赖氨酸含量提高5倍赖氨酸天冬氨酸激酶_(含量低)二氢吡啶二羧酸合成酶天冬酰胺(104位)苏氨酸(352位)玉米异亮氨酸(104位)改造二氢吡啶二羧酸合成酶变为变为玉米赖氨酸含量提高2倍蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以 及其与 作为基础,通过 或 ,来改造 或 蛋白质,以满足 。蛋白质分子的结构规律生物功能的关系改造合成基因现有蛋白质制造
5、一种新的人类生产和生活的需求基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系;操作对象:改造或合成基因结果:改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质与基因工程的关系:目的:以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理论和技术:分子生物学、晶体学和计算机技术基因工程产生的蛋白质是否完全基因工程产生的蛋白质是否完全符合人类生产和生活的需要?符合人类生产和生活的需要?1 1基因工程的局限性:基因工程的局限性:a、基因工程在原则上、基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质只能生产自然界已存在的蛋白质b、天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要、天然蛋白质不一定完全符合人类生产和
6、生活的需要2 2蛋白质工程的目的:蛋白质工程的目的:生产符合人类生产和生活需要的、并非自然界已存在生产符合人类生产和生活需要的、并非自然界已存在的蛋白质的蛋白质.天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的,它天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的,它们的结构和功能们的结构和功能符合符合特定物种特定物种生存的需要,却生存的需要,却不一定完全符合不一定完全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。可以创造自然界不存在的蛋白质!可以创造自然界不存在的蛋白质!你知道人类蛋白质组计划吗?它与蛋白质工程有什么关系?我国科学家承担了什么任务?人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后,生命科学乃至自然科学领域重大
7、的国际 合作科研项目。2001年,国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年,该组织正式提出启动两项重大国际合作项目:一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”;另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”,由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。对天然蛋白质进行改造,你认为应该直接对蛋白质对天然蛋白质进行改造,你认为应该直接对蛋白质分子进行操作,还是通过对基因的操作来实现?分子进行操作,还是通过对基因的操作来实现?答:毫无疑问应该从答:毫无疑问应该从对基因的操作对基因的操作来实现对天然蛋白来实现对天然蛋白 质改造质改造,主要原因如下:主要原因如下:蛋白质的合成蛋白质的合成遗传遗传
8、容易操作容易操作1.蛋白质工程的目标: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。2.改造蛋白质的方法:改造或合成基因3.天然蛋白质合成过程:按照中心法则进行基因表达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转录、翻译4.基因工程的思路基因mRNA转转录录翻翻译译具有特定氨基酸序列的多肽链具有高级结构的蛋白质行使生物功能思考:蛋白质工程的思路如何?预期的蛋白质功能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氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因获得所需蛋白质预期功能生物功能设计推测改造或合成行使折叠目的基因 转录mRNA翻译多肽链 蛋白质(三
9、维结构)5.蛋白质工程的思路发黄色荧光的蛋白质黄色荧光蛋白黄色荧光蛋白多肽链黄色荧光蛋白的基因mRNA设计推测改造或合成行使折叠翻译转录5.蛋白质工程的思路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如何区分?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
10、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,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。预期蛋白质功能目的基因蛋白质工程和基因工程的比较(练习册答案23页)思考思考讨论讨论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:丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸赖氨酸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:丙氨酸(GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(U
11、GG)、赖氨酸(AAA、AAG)、谷氨酸(GAA、GAG)、苯丙氨酸(UUU、UUC)。mRNA序列为:GCU(或C或A或G)UGG AAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)DNA序列为:CGA(或G或T或C)ACC TTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA(或G)TTT(或C)共共 32 种可能序列种可能序列【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:丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸赖氨酸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?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
12、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。学科交叉蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型;要制备蛋白质晶体,然后通过X射线衍射技术,分析晶体结构;要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。重叠延伸PCR大引物PCR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,
13、但需要耐高温的DNA聚合酶 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2023/5/11思考P95: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
14、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。拓展延伸拓展延伸根据改造蛋白质的部位的多少,对蛋白质的改造可分为三类:(1 1)大改:设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质(2 2)中改:在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。(3 3)小改:改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基 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
15、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:_ _;_;_;_。(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。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,基因改造或基因合成相反对蛋白质的结构进行分子设计习题巩固三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面产生速效胰产生速效胰岛素岛素产生易保存产生易保存的干扰素的干扰素生产人鼠嵌生产人鼠嵌合抗体合抗体行使功能设计结构天然胰岛素易形成二聚体或六聚体预期结构改造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新胰岛素基因mRNA折叠预
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