【课件】蛋白质工程的原理和应用课件 2022-2023学年高二下学期生物人教版选择性必修3.pptx

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1、本节聚焦本节聚焦:l蛋白质工程的基本原理是什么？蛋白质工程的基本原理是什么？l蛋白质工程已有哪些实际的应用？蛋白质工程已有哪些实际的应用？选择性必修选择性必修3/3/第第3 3章章/基因基因工程工程/第第4 4节节 蛋白质工程的原理和应用蛋白质工程的原理和应用钱永健实验室荧光细菌画 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

2、改造的呢?科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基因正下方的第第203203位的苏氨酸位的苏氨酸替换为酪氨酸替换为酪氨酸，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。改造绿色荧光蛋白基因改造绿色荧光蛋白基因黄色荧光蛋白功能黄色荧光蛋白功能表达表达蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念 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蛋白质分子的结构规律生物功能的关系生物功能的关系改造改造合成基因合成基因现有蛋白质现有蛋白质制造一种新的制造一种新

3、的人类生产和生活的需求人类生产和生活的需求蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系结构规律及其与生物功能的关系；改造或合成基因改造或合成基因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分子生物学、晶体学和计算机技术在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程第二代基因工程基础：基础：操作对象：操作对象：结果：结果：与基因工程的关系：与基因工程的关系：目的：目的：理论和技术：理论和技术：蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念 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的国际合作科研项目。

4、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。一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由1.1.缘由：缘由：基因工程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对天然蛋白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质实质：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

5、不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。实质：实质：结构和功能符合特定物种生存的需要。实质：实质：蛋白质工程崛起。一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由2.2.实例：实例：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对天然蛋白进行改造白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质 玉米中赖氨酸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：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶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赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性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

6、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。二二、蛋白质工程基本的原理、蛋白质工程基本的原理1.1.蛋白质工程的蛋白质工程的目标：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。3.3.蛋白质工程的蛋白质工程的途径：途径：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通过改造或合成基因来完成。2.2.蛋白质工程的蛋白质工程的基础：基础：对蛋白质结构与功能的认识。蛋白质工程是改造基因、创造新的目的基因，进而创造新的蛋白质改造基因、创造

7、新的目的基因，进而创造新的蛋白质的一条途径。三级结构一级结构四级结构二级结构二二、蛋白质工程基本的原理、蛋白质工程基本的原理4.4.蛋白质工程蛋白质工程的思路：的思路：预期的蛋白质功能蛋白质功能设计预期的蛋白质结构蛋白质结构找到相应的核苷酸序列核苷酸序列合成新的基因合成新的基因获得所所需蛋白质需蛋白质推测应有的氨基酸序列氨基酸序列蛋白质（三维结构）预期功能生物功能翻译折叠行使转录设计推测改造或合成mRNA目的基因二二、蛋白质工程基本的原理、蛋白质工程基本的原理4.4.蛋白质工程蛋白质工程的思路：的思路：预期功能预期功能生物功能生物功能分子设计分子设计折叠折叠DNADNA合成合成翻译翻译转录转录

8、基因基因DNADNA蛋白质蛋白质结构结构氨基酸氨基酸序列序列mRNA 思考：思考：对天然的蛋白质进行改造，为什么不是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的？蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；基因可以遗传，蛋白质无法遗传；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：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。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

9、或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）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）查密码子表密码子表得知：mRNAmRNA序列为序列为：DNADNA序列为序列为：人工合成目的基因人工合成目的基因或或从基因文库中获取目的基因从基因文库中获取目的基因加以加以改造。改造。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？蛋白质工程基本思路的应用蛋白质工程基本思路的应用 思考：思考：蛋白质真正开始操作的第一步是先对什么东西进行改造，改造后，又需要进行什么样的操作？真正

10、操作的第一步：对原基因进行改造原基因进行改造（如用基因的定点突变技术进行碱基的替换），或根据氨基酸序列推导出来的核苷酸序列直接合成新的基因推导出来的核苷酸序列直接合成新的基因。后续操作：以上述手段获取的基因作为目的基因，进行基因工程的操作进行基因工程的操作。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第二代基因工程。如何如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程 是否合成是否合成新的新的基因基因蛋白质工程蛋白质工程是否对原是否对原有基因进有基因进行行改造改造是是否否是是否否蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程看看蛋蛋白白质质看看基基因因是否为天是否

11、为天然蛋白质然蛋白质是是否否蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程比较项目比较项目蛋白质工程蛋白质工程基因工程基因工程区区别别过过程程实实质质结结果果联系联系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氧核苷酸序列（基因）或合成新的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的检测与鉴定定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品创造出自然界不存在的蛋白质创造出自然界不存在的蛋白质生产出自然界已有的蛋白质生产出自然界已有的蛋白质蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来

12、的第二代基因工程基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造比较基因工程和蛋白质工程比较基因工程和蛋白质工程三、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产生速效胰岛素速效胰岛素天然胰岛素易形成二聚体或六聚体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降低胰岛素的聚合作用改变B链第2029位氨基酸组成预期预期功能功能设计设计结构结构推测推测序列序列改造改造新胰岛新胰岛素基因素基因预期预期结构结构mRNAmRNA多肽链多肽链有效抑制胰有效抑制胰岛素的聚合岛素的聚合转录转录翻译翻译折叠折叠行使行使功能功能通过基因通过基因定点突变定点突变一个氨基

13、酸的改变或两个氨基酸位置互换一个氨基酸的改变或两个氨基酸位置互换半胱半胱氨酸氨酸丝氨丝氨酸酸产生易保存的干扰素易保存的干扰素三、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天然干扰素不易保存新干扰素基因延长保存时间氨基酸替换一个半胱氨酸变成丝氨酸预期预期功能功能推测序列推测序列设计结构设计结构改造改造mRNA转录转录多肽链翻译翻译预期结构折叠折叠在-70下可以保存半年行使功能行使功能通过基因通过基因定点突变定点突变一个氨基酸的一个氨基酸的改变改变生产人鼠嵌合抗体人鼠嵌合抗体三、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医学问题医学问题：小鼠单克

14、隆抗体会使人体产生免疫反应产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低。解决办法：解决办法：通过改造基因改造基因，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。基因融合基因融合鼠抗体人抗体恒定区恒定区可变区可变区嵌合抗体对人体的不对人体的不良反应减少良反应减少通过基因片段的拼接两条多肽片段拼接三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用2.2.工业方面的应用工业方面的应用广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。枯草杆菌蛋白酶突变体枯草杆菌蛋白酶突变体 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。利用蛋

15、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。科学家对T4溶菌酶进行改造，使其氨基酸之间形成二硫键，提高了该酶的耐热性。耐热耐热T4T4溶菌酶溶菌酶三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用3.3.农业方面的应用农业方面的应用改造某些参与调控光合作用的酶光合作用的酶 科学家正在尝试尝试改造某些参与调控光合作用的酶调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。还有科学家将蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路设计优良微生物农药的新思路，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。改造微生物蛋白质结构蛋白质结构

16、，防治害虫三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用4.4.蛋白质工程是一项难度很大的工程蛋白质工程是一项难度很大的工程由计算机建立的血红由计算机建立的血红蛋白三维结构模型蛋白三维结构模型主要原因：主要原因：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。前景展望前景展望：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。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。三级结构一级结构四级结构二级结构 能不能根据人类需要的蛋白质的构,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？理论上讲可以理论上讲可以，但目前还没有真正成功

17、的例子，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。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂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很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质有功能的蛋白质。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都需要长期深入的研究。酶制剂在食品工业、医药

18、工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。练习与应用（练习与应用（P P9696）一一.概念检测概念检测 1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。（1）基因

19、工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（）（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（）（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（）练习与应用（练习与应用（P P9696）一一.概念检测概念检测 2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到 的目的是（）A.分析蛋白质的三维结构 B.研究蛋白质的氨基酸组成 C.获取编码蛋白质的基因序列信息 D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求D练习与应用（练习与应用（P P9696）一一.概念检测概念检测 3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，

20、用赖氨酸替换水蛭素第 47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（）A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质A练习与应用（练习与应用（P P9696）二二.拓展应用拓展应用 T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生

21、改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？这项工作属于蛋白质工程的范畴属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化空间结构发生了变化,因此它的一些基本特基本特性需要重新明确性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围温度范围、催化反应的最适温度最适温度、酶活力的大小酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。复习与提高（复习与提高（P P9696）1.某动物体内含有研究者感兴

22、趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因(AmpR)、LacZ 基因及一些酶切位点,其结构和简单的操作步骤如下图所示。将连接产物将连接产物导入大肠杆菌导入大肠杆菌复习与提高（复习与提高（P P9696）请根据以上信息回答下列问题。(1)在第步中,应怎样选择限制酶？应选择用相同的限制酶或切割能产生相相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA片段，并且注意限制酶的切割位点不能位注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子也不能破坏质粒的启动子、终止子终

23、止子、标标记基因记基因、复制原点复制原点等结构。(2)在第步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？加入加入DNADNA连接酶连接酶复习与提高（复习与提高（P P9696）请根据以上信息回答下列问题。(3)选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势？该质粒便于进行双重筛选便于进行双重筛选。标记基因 AmpR基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。复

24、习与提高（复习与提高（P P9696）请根据以上信息回答下列问题。(4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白呈白色色。因为目的基因的插入破坏了破坏了LacLacZ Z基基因的结构，使其不能正常表达因的结构，使其不能正常表达，形成 B-半乳糖苷酶，底物X-gal也就不会被分解。复习与提高（复习与提高（P P9696）2.科学家将Or3/4、Sox2、c-Myc和KIf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（1）

25、在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？逆转录病毒是载体，能将逆转录病毒是载体，能将外源基因外源基因OctOct3/43/4、SoxSox2 2、c-c-MycMyc和和K Klflf4 4 送入送入小鼠成纤维细胞。小鼠成纤维细胞。（2）如何证明iPs细胞的产生不是由于培养基的作用？可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成如果只有转入外源基因的细胞转化成了了iPSiPS细胞细胞，就可以，就可以证

26、明证明i iPSPS细胞细胞的产生不是由于培养基的作用。的产生不是由于培养基的作用。复习与提高（复习与提高（P P9696）2.科学家将Or3/4、Sox2、c-Myc和KIf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（3）如果要了解Or3/4、Sox2、c-Myc和KIf4基因在诱导iPs细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。可以依次去掉依次去掉1 1个基因，将其他个基因，将其他3 3个基因转入小鼠成纤维细胞中，个基因转

27、入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入然后通过与转入4 4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。(其他合理答案均可)复习与提高（复习与提高（P P9696）2.科学家将Or3/4、Sox2、c-Myc和KIf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2-3周后,这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。（4）若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPs细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病

28、，这是否会引起免疫排斥反应?为什么？iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？不会引起免疫排斥反应不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自休”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。复习与提高（复习与提高（P P9696）3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氨肥的施用量。方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细

29、胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。（1）请评估这两种方案哪种更容易实现。从从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。复习与提高（复习与提高（P P9696）3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。方案一 把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氨肥的施用量。方案二 直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。（2）如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？请说出你的理由。此题不要求有唯一的答案，学生可便捷性、安全性、经济性等角度进行分析，之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值能固氮的水稻新品种更值得推广得推广；或从转基因全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广固氮的水稻根系微生物更值得推广等。