第3章第3節(jié)基因工程的應(yīng)用和蛋白質(zhì)工程（課件）高二生物無憂（人教版選擇性必修3）

1978年，科學(xué)家將編碼人胰島素的基因?qū)氪竽c桿菌細(xì)胞中，使大腸桿菌表達(dá)重組人胰島素。我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因工程物---重組人胰島素已經(jīng)研制成功并得到廣泛應(yīng)用。

除了生產(chǎn)胰島素，基因工程還有那些應(yīng)用呢？重組人胰島素注射液第3節(jié)基因工程的應(yīng)用和蛋白質(zhì)工程1.基因工程的應(yīng)用2.蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用基因工程自20世紀(jì)70年代興起后，得到飛速發(fā)展，展示出廣闊前景。醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域食品工業(yè)方面農(nóng)牧業(yè)方面基因工程的應(yīng)用一、基因工程的應(yīng)用轉(zhuǎn)基因抗蟲植物農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用轉(zhuǎn)基因抗病植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物改良植物的品質(zhì)提高動(dòng)物的生長速率改良畜產(chǎn)品的品質(zhì)抗逆性一、基因工程的應(yīng)用1.基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用（1）轉(zhuǎn)基因抗蟲植物（2）轉(zhuǎn)基因抗病植物培育方法：從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，導(dǎo)入作物，使其具有抗蟲性。實(shí)例：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。培育方法：將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因?qū)胫参镏?，培育出轉(zhuǎn)基因抗病植物。實(shí)例：抗病毒轉(zhuǎn)基因甜椒、番木瓜和煙草等。一、基因工程的應(yīng)用1.農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用（3）轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物培育方法：將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胱魑铮膳嘤隹钩輨┑淖魑锲贩N。實(shí)例：轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。（4）改良植物的品質(zhì)培育方法：利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良植物的營養(yǎng)價(jià)值、觀賞價(jià)值等。一、基因工程的應(yīng)用1.農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用（5）提高動(dòng)物的生長速率培育方法：將外源生長激素基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)物的生長速率。實(shí)例：轉(zhuǎn)基因鯉魚的生長速率比非轉(zhuǎn)基因鯉魚提高了42%～115%。（6）改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)培育方法：將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，使獲得的轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響。實(shí)例：乳汁中乳糖的含量大大降低的轉(zhuǎn)基因牛一、基因工程的應(yīng)用1.農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用2.醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用（1）對微生物或動(dòng)植物的細(xì)胞進(jìn)行基因改造生產(chǎn)藥物藥物舉例：細(xì)胞因子、抗體、疫苗和激素等。應(yīng)用：可以用來預(yù)防和治療人類腫瘤、心血管疾病、傳染病、糖尿病和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等；實(shí)例：我國生產(chǎn)的重組人干擾素、血小板生成素、促紅細(xì)胞生成素和粒細(xì)胞集落刺激因子等。一、基因工程的應(yīng)用（2）讓轉(zhuǎn)基因哺乳動(dòng)物批量生產(chǎn)藥物實(shí)例：乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器培育過程：應(yīng)用：目前已經(jīng)在牛、山羊等動(dòng)物的乳腺生物反應(yīng)器中，獲得了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和α-抗胰蛋白酶等重要醫(yī)藥產(chǎn)品。一、基因工程的應(yīng)用2.醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用（3）用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作為器官移植的供體a.豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小、血管分布與人極為相似b.豬體內(nèi)隱藏的、可導(dǎo)致人類疾病的病毒遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于靈長類動(dòng)物豬的優(yōu)點(diǎn)：最大難題：免疫排斥改造方法：a.在器官供體的基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)；b.設(shè)法除去抗原決定基因，然后再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出不會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官。2.醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用一、基因工程的應(yīng)用3.食品工業(yè)方面的應(yīng)用（1）基因工程菌用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達(dá)的菌類。概念：應(yīng)用：利用基因工程菌，除了可以生產(chǎn)藥物，還能生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。2.實(shí)例①阿斯巴甜：一種普遍使用的甜味劑，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，這兩種氨基酸可通過基因工程實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。②凝乳酶：應(yīng)用：奶酪生產(chǎn)中用來凝聚固化奶中的蛋白質(zhì)。制備方法：將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業(yè)發(fā)酵批量生產(chǎn)凝乳酶。一、基因工程的應(yīng)用③淀粉酶、脂酶應(yīng)用：加工轉(zhuǎn)化糖漿需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶制備方法：構(gòu)建基因工程菌，然后用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)。優(yōu)點(diǎn)：基因工程獲得的工業(yè)用酶的純度更高，生產(chǎn)成本顯著降低，生產(chǎn)效率較高。④其他培育可以降解多種污染物的“超級細(xì)菌”來處理環(huán)境污染。利用經(jīng)過基因改造的微生物來生產(chǎn)能源。3.食品工業(yè)方面的應(yīng)用一、基因工程的應(yīng)用二、蛋白質(zhì)工程的概念

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。

蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。1.基礎(chǔ):蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系2.操作方法及對象:改造或合成基因3.結(jié)果:改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)4.目的:滿足人類生產(chǎn)和生活的需求5.與基因工程的關(guān)系:6.相關(guān)學(xué)科及技術(shù)：分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三、蛋白質(zhì)工程的基本原理1、目標(biāo)：根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。2、原理：改造基因（基因修飾或基因合成）3、流程：預(yù)期功能生物功能分子設(shè)計(jì)折疊DNA合成翻譯轉(zhuǎn)錄基因DNA蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)氨基酸序列mRNA思考·討論：蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？

人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成改造新胰島素基因B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置推測序列轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈行使功能速效胰島素類似物預(yù)期結(jié)構(gòu)折疊等定點(diǎn)突變1.醫(yī)藥工業(yè)方面四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能延長保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年1.醫(yī)藥工業(yè)方面（2）延長干擾素體外保存時(shí)間行使功能（3）降低人對小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)通過改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價(jià)值。3.農(nóng)業(yè)方面改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量。利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。2.其他工業(yè)方面四、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1．（2022·重慶·統(tǒng)考高考真題）將人胰島素A鏈上1個(gè)天冬氨酸替換為甘氨酸，B鏈末端增加2個(gè)精氨酸，可制備出一種人工長效胰島素。下列關(guān)于該胰島素的敘述，錯(cuò)誤的是（

）A．進(jìn)入人體后需經(jīng)高爾基體加工 B．比人胰島素多了2個(gè)肽鍵C．與人胰島素有相同的靶細(xì)胞 D．可通過基因工程方法生產(chǎn)【高考在線】2．（2021·遼寧·統(tǒng)考高考真題）腈水合酶（N0）廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)和醫(yī)藥原料生產(chǎn)等領(lǐng)域，但不耐高溫。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)在N0的α和β亞基之間加入一段連接肽，可獲得熱穩(wěn)定的融合型腈水合酶（N1）。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是（）A．N1與N0氨基酸序列的差異是影響其熱穩(wěn)定性的原因之一B．加入連接肽需要通過改造基因?qū)崿F(xiàn)C．獲得N1的過程需要進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯D．檢測N1的活性時(shí)先將N1與底物充分混合，再置于高溫環(huán)境AD基因工程和蛋白質(zhì)工程的比較比較項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別起點(diǎn)原理過程目標(biāo)結(jié)果聯(lián)系預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)