蛋白质工程原理和应用 高二下学期生物人教版选择性必修3.pptx

选择性必修3 生物技术与工程2023-05-25 2023-05-25第3 章 基因工程新课讲解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?从社会中来用细菌“画”的画新课讲解蛋白质工程的概念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，以满足人类的生产和生活的需求。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。目的：改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。实现途径：改造基因或合成基因。基础(依据)：结构生物学(蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系。新课讲解一、蛋白质工程崛起的缘由(一)基因工程的实质和不足：1.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(但这种蛋白质自然界已存在)，进而表现出新的性状。2.不足：基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质是生物长期在进化过程中形成的，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。二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（104104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（异亮氨酸）（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）酶（异亮氨酸）天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352352位的苏氨酸）位的苏氨酸）改造改造改造改造玉米中赖氨酸的含量较低，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。玉米中赖氨酸含量可提高数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍 玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低新课讲解(二)蛋白质工程崛起的缘由：1.基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些蛋白质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。2.蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。思考：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？提示：应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：1.任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的，因为蛋白质不能复制。而基因(DNA)能进行复制，随细胞分裂而遗传下去。2.对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。新课讲解二、蛋白质工程的基本原理天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因表达(转录和翻译)具有特定氨基酸序列的多肽链折叠、卷曲盘旋形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能。1.蛋白质工程的基本思路：设计预期的蛋白质结构(三维结构)推测应有的氨基酸 序列改造基因或合成新的基因预期蛋白质功能生产所需要的蛋白质思考讨论某多肽链的一段氨基酸序列是：思考：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应碱基序列写出来。2.确定目的基因的碱基序列后，怎样合成或改造目的基因？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 mRNA 序列为：GCU UGG AAA GAA UUUDNA 序列为：CGA ACC TTT CTT AAA GCT TGG AAA GAA TTT共32 种可能序列2.确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。新课讲解项目 基因工程 蛋白质工程区别过程获取目的基因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预期蛋白质功能设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测相应核苷酸序列改造基因或合成新的基因表达出新的蛋白质结果生产自然界中已有的蛋白质生产自然界中没有的蛋白质联系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，二者都需要通过基因表达才能产生特定的蛋白质。2.基因工程与蛋白质工程比较新课讲解三、蛋白质工程的应用1.蛋白质工程可以改变蛋白质的性状和功能(1)提高蛋白质的热稳定性(2)改变蛋白质的活性，延长作用时间(3)提高蛋白质的效能(4)合成嵌合抗体2.蛋白质工程难度很大，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。新课讲解(1)提高蛋白质的热稳定性第第33位上的位上的异亮氨酸异亮氨酸半胱氨酸半胱氨酸-s-s-s-s-定点突变 定点突变新课讲解(2)改变蛋白质的活性，延长作用时间【材料1】组织纤溶酶原激活物(t-PA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。但 t-PA 用于溶栓治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程技术对t-PA 进行改造，就可以消除上述缺点，从而增加溶栓效能，减少药用剂量并降低副作用。【材料2】延长白细胞介素-2 的作用时间白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，能够促进T 淋巴细胞增殖以及增强某些免疫细胞的活性，已被广泛运用于各种肿瘤和病毒感染疾病的治疗。IL-2 作为临床药物在血浆中的作用时间较短，治疗期间需要频繁给药。科学家通过蛋白质工程，将长效人血清白蛋白（HSA)与IL-2 重组，获得了一种新的融合蛋白(HSA/IL-2)，这种融合蛋白既具有普通IL-2 的生物活性，作用时间又有所延长，可明显提高IL-2 的疗效。基因拼接定点突（诱）变新课讲解(3)提高蛋白质的效能 天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。因此，科学家希望对胰岛素进行改解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。因此，科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素造，从而降低它的聚合作用。研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素由由AA链和链和BB链构成，其中链构成，其中BB链的第链的第20292029位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。目前，关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。目前，科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28B28位脯氨酸替换位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与为天冬氨酸或者将它与B29B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。定点突（诱）变速效胰岛素的生产新课讲解(4)合成嵌合抗体 小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥，不能直接用于人体。嵌合抗体（chimeric antibody）就是保留鼠单克隆抗体的可变区，而 用人抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区，这种嵌合抗体的抗原性显著下降，而抗体的特 异识别功能没有丧失。目前，已有多种嵌合抗体用于临床治疗。基因融合