蛋白質(zhì)工程原理和應(yīng)用課件-高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

1.科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能發(fā)出熒光？從社會(huì)中來(lái)基因工程

基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)！對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造2.早期被發(fā)現(xiàn)的是綠色熒光蛋白，怎樣讓細(xì)菌也能發(fā)出黃色熒光？蛋白質(zhì)工程這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。必2P.57第3章基因工程第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用基因工程目錄/CONTENTS0102蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程的原理03蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用2014年6月，中國(guó)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃（視頻）

人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃取得的成果有力推動(dòng)了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。（1）基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)分子的

及其與_________的關(guān)系。（2）操作方法和對(duì)象：

。（3）目的：

的蛋白質(zhì)，或

的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。閱讀P93第1、2段內(nèi)容，理解蛋白質(zhì)工程的概念一、蛋白質(zhì)工程的概念改造或合成基因結(jié)構(gòu)規(guī)律生物功能改造現(xiàn)有制造一種新概念：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(guò)改造或合成基因，來(lái)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。（4）地位：在________的基礎(chǔ)上,延伸出來(lái)的第

代基因工程。（5）學(xué)科和技術(shù)：

。分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)基因工程二問(wèn):為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳；二1.天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程：目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質(zhì)（三維結(jié)構(gòu)）行使生物功能二、蛋白質(zhì)工程的基本原理按照中心法則進(jìn)行說(shuō)一說(shuō)：蛋白質(zhì)多樣性的原因是什么？蛋白質(zhì)工程是中心法則的逆推二蛋白質(zhì)工程的基本原理天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈折疊蛋白質(zhì)（三維結(jié)構(gòu)）行使生物功能2.蛋白質(zhì)工程的基本思路：預(yù)期功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成二蛋白質(zhì)工程的基本原理3.蛋白質(zhì)工程的基本思路：①預(yù)期蛋白質(zhì)的功能②設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)下圖為蛋白質(zhì)工程操作的基本思路，請(qǐng)據(jù)圖回答下列問(wèn)題：（1）代表蛋白質(zhì)工程操作思路的是_____,

代表中心法則內(nèi)容的是________。(填寫數(shù)字)（2）寫出圖中各數(shù)字代表的生物學(xué)過(guò)程的名稱或內(nèi)容：

①______；②______；③______；④______；⑤__________。（3）從圖中可以看出蛋白質(zhì)工程的基本途徑與中心法則是______的。④⑤①②③轉(zhuǎn)錄翻譯折疊推測(cè)改造合成相反【及時(shí)反饋】討論1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來(lái)。---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：思考·討論GCUGCCGCAGCG

UGGAAAAAG丙氨酸…色氨酸賴氨酸谷氨酸苯丙氨酸…UUUUUCGAAGAG---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：思考·討論討論：1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來(lái)。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？GCUGCCGCAGCGUGGAAAAAG丙氨酸…色氨酸賴氨酸谷氨酸苯丙氨酸…UUUUUCGAAGAG由于密碼子具有簡(jiǎn)并性,獲得的基因堿基序列有多種。可人工合成目的基因，或從基因文庫(kù)中獲取目的基因后對(duì)基因進(jìn)行改造。用到基因的定點(diǎn)突變技術(shù)進(jìn)行堿基的替換、增添等32種思考：如何辨別一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程?！九幸慌小?1)蛋白質(zhì)工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質(zhì)(

)(2)對(duì)蛋白質(zhì)的改造是通過(guò)直接改造相應(yīng)的mRNA來(lái)實(shí)現(xiàn)的(

)(3)由于蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，空間結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，蛋白質(zhì)工程操作難度很大(

)(4)蛋白質(zhì)工程不能改變蛋白質(zhì)的活性(

)解析(2)對(duì)蛋白質(zhì)的改造是通過(guò)直接改造相應(yīng)的基因來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

(4)通過(guò)蛋白質(zhì)工程可以改變蛋白質(zhì)的活性?！獭獭痢痢炯皶r(shí)反饋】1．(2023·河南洛陽(yáng)高二期中)下列各項(xiàng)與蛋白質(zhì)工程沒(méi)有直接關(guān)系的是(

)A．利用各種高科技手段分析蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)B．研究并改變某種蛋白質(zhì)相關(guān)基因的堿基序列C．設(shè)計(jì)和制造自然界中沒(méi)有的人工蛋白質(zhì)D．將編碼牛凝乳酶的基因?qū)虢湍妇幕蚪M中獲得凝乳酶答案：D將編碼牛凝乳酶的基因?qū)虢湍妇幕蚪M中獲得凝乳酶是基因工程的成果，與蛋白質(zhì)工程沒(méi)有直接關(guān)系，D符合題意。D【及時(shí)反饋】2．下列有關(guān)基因工程和蛋白質(zhì)工程的敘述中，正確的是(

)A．蛋白質(zhì)工程難度很大是因?yàn)閷?duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)了解不夠B．基因工程和蛋白質(zhì)工程都可以生產(chǎn)自然界不存在的蛋白質(zhì)C．不同來(lái)源的DNA分子能夠拼接，其原因是所有生物共用一套遺傳密碼D．基因工程的直接操作對(duì)象是基因，蛋白質(zhì)工程的直接操作對(duì)象是蛋白質(zhì)答案：A蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，蛋白質(zhì)工程難度很大是因?yàn)閷?duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)了解不夠，A正確；基因工程生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)自然界中不存在的蛋白質(zhì)，B錯(cuò)誤；不同來(lái)源的DNA分子能夠拼接，其原因是不同來(lái)源的DNA分子具有相同的結(jié)構(gòu)及遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，C錯(cuò)誤；蛋白質(zhì)工程需要進(jìn)行基因修飾或合成，蛋白質(zhì)工程的直接操作對(duì)象仍然是基因，D錯(cuò)誤。A三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例醫(yī)藥工業(yè)方面改造胰島素基因，獲得____________類似物獲得在一定條件下延長(zhǎng)保存時(shí)間的

；將小鼠抗體上

“嫁接”到

上其他工業(yè)方面改進(jìn)

或開發(fā)

；提高玉米葉片和種子中游離_______的含量（P93）農(nóng)業(yè)方面改造某些

；設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物______速效胰島素賴氨酸農(nóng)藥閱讀P95內(nèi)容，解決表格問(wèn)題：干擾素結(jié)合抗原的區(qū)域人的抗體酶的性能新的工業(yè)用酶參與調(diào)控光合作用的酶1.醫(yī)藥工業(yè)方面（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(cè)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)折疊等阻礙胰島素從注射部位進(jìn)入血液，延緩了降血糖作用三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用定點(diǎn)突變研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸，或者將B28脯氨酸替換為天冬氨酸，可以保持天然胰島素的主要構(gòu)象，同時(shí)能降低分子自聚力，顯著抑制單聚體聚集，大大增加了吸收速率。B28脯氨酸B29賴氨酸如何設(shè)計(jì)？B28賴氨酸B29脯氨酸調(diào)換胰島素B鏈B28脯氨酸和29位B29賴氨酸。

------可以保持天然胰島素的主要構(gòu)象，同時(shí)能降低分子自聚力。天然干擾素（體外保存困難）改造后的干擾素（-70℃可保存半年）半胱氨酸絲氨酸天然干擾素在體外保存相當(dāng)困難將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸在-70℃下干擾素可保存半年（2）延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間定點(diǎn)突變同步P.66-10（3）降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)問(wèn)題：小鼠單克隆抗體會(huì)使人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)，從而導(dǎo)致治療效果大大降低。解決辦法：通過(guò)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(guò)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?；蛉诤纤伎迹盒∈髥慰寺】贵w的免疫反應(yīng)主要是由哪一區(qū)域誘發(fā)的？同步P.67-12枯草桿菌蛋白酶枯草桿菌2.在其他工業(yè)方面（1）改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高該酶的使用價(jià)值。水解蛋白質(zhì)，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。一蛋白質(zhì)工程崛起的緣由玉米中賴氨酸的含量比較低天冬氨酸賴氨酸天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶抑制（很難提高）怎么解決這個(gè)問(wèn)題？（2）對(duì)天然酶的改造P.93一蛋白質(zhì)工程崛起的緣由天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶第352位:蘇氨酸異亮氨酸變成第104位:天冬酰胺異亮氨酸變成就可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍?！緲?gòu)建概念圖】賴氨酸合成調(diào)控達(dá)到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴氨酸含量抑制提高提高限制提高葉片中提高5倍種子中提高2倍P.93提高玉米賴氨酸含量3.在農(nóng)業(yè)方面①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。伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥②設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過(guò)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)。

蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會(huì)給人類帶來(lái)更多的福祉。異想天開

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？理論上講可以，但目前還沒(méi)有真正成功的例子。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計(jì)并獲得了一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長(zhǎng)期深入的研究。蛋白質(zhì)食品的工廠化生產(chǎn)想象圖項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對(duì)象操作起點(diǎn)操作水平操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→找到并改變對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定可生產(chǎn)自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過(guò)改造或合成基因來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因小結(jié)：蛋白質(zhì)工程和基因工程1.蛋白質(zhì)工程可以說(shuō)是基因工程的延伸，判斷：(1)基因工程需要在分子水平對(duì)基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對(duì)基因進(jìn)行操作。（

）(2)蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。（

）(3)蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。（

）√××一、概念檢測(cè)

練習(xí)與應(yīng)用P922.

蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是（

）

A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成

C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息

D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是（

）

A.基因

B.氨基酸C.多肽鏈

D.蛋白質(zhì)DA3103第3位上的異亮氨酸半胱氨酸與第97位的半胱氨酸形成-s-s-定點(diǎn)突變T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷Ｓ谑?，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇？在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么？如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作？二、拓展應(yīng)用蛋白質(zhì)工程是中心法則的逆推提高T4溶菌酶耐熱性推測(cè)折疊改造或合成翻譯轉(zhuǎn)錄耐熱性T4溶菌酶的結(jié)構(gòu)耐熱T4溶菌酶mRNA耐熱T4溶菌酶氨基酸的序列耐熱T4溶菌酶基因設(shè)計(jì)第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼嵝惺筎4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇？在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么？如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作？

蛋白質(zhì)工程。

二、拓展應(yīng)用還需重新明確：該酶的耐受溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等;需要建立規(guī)模化生產(chǎn)該酶的技術(shù)體系,評(píng)估生產(chǎn)成本等。根本原因：基因的堿基序列發(fā)生了變化。（晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)）④將連接產(chǎn)物導(dǎo)入大腸桿菌P98復(fù)習(xí)與提高重組質(zhì)粒空質(zhì)粒導(dǎo)入空質(zhì)粒導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能存活也有其他連接產(chǎn)物導(dǎo)入重組質(zhì)粒1.某動(dòng)物體內(nèi)含有研究者感興趣的目的基因，研究者欲將該基因?qū)氪竽c桿菌的質(zhì)粒中保存。該質(zhì)粒含有氨芐青霉素抗性基因(AmpR)、LacZ基因及一些酶切位點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的操作步驟如下圖所示。

復(fù)習(xí)與提高挑選白色菌落請(qǐng)根據(jù)以上信息回答下列問(wèn)題。（1）在第②步中,應(yīng)怎樣選擇限制酶？（2）在第③步中，為了使質(zhì)粒DNA與目的基因能連接，還需要在混合物中加入哪種物質(zhì)？（3）選用含有AmpR和LacZ基因的質(zhì)粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有哪些優(yōu)勢(shì)？（4）含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落將呈現(xiàn)什么顏色？

為什么？相同的限制酶或切割能產(chǎn)生相同末端的限制酶DNA連接酶便于進(jìn)行雙重篩選。AmpR

基因可用于檢測(cè)質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，含LacZ

基因是空質(zhì)粒，菌落呈藍(lán)色。

目的基因的插入破壞了LacZ基因，使其不能表達(dá)出B-半乳糖苷酶，底物X-gal不能被分解產(chǎn)生藍(lán)色。白色同步P.60-142.科學(xué)家將Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，然后在培養(yǎng)ES細(xì)胞的培養(yǎng)基上培養(yǎng)這些細(xì)胞。2?3周后，這些細(xì)胞顯示出ES細(xì)胞的形態(tài)、具有活躍的分裂能力，它們就是iPS細(xì)胞。請(qǐng)回答下列問(wèn)題。⑴在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，逆轉(zhuǎn)錄病毒的作用是什么？⑵如何證明iPS細(xì)胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用？載體，將外源基因（Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4）送入小鼠成纖維細(xì)胞。

設(shè)置對(duì)照組。將轉(zhuǎn)入外源基因和沒(méi)有轉(zhuǎn)入外源基因的成纖維細(xì)胞分別培養(yǎng)在相同的培養(yǎng)基中，并確保其他培養(yǎng)條件相同。

如果只有轉(zhuǎn)入外源基因的細(xì)胞