3.4 蛋白质工程的原理和应用 课件+素材（新人教版2019选择性必修3-高二生物）

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第三章 基因工程第4节 蛋白质工程的原理和应用新人教版2019选择性必修三学习目标理解蛋白质的原理（生命观念）用列表法比较蛋白质工程和基因工程（科学思维）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？荧光蛋白发出的光穿透性极强，即使蛋白质位于小动物体内深处，其发出的光也可以穿透生物体外界看到。在癌症研究过程中，荧光蛋白的出现使得科学家们能够观测到肿瘤细胞的具体活动，比如中休息宝的成长、入侵、转移和新生。DNARNA肽链具有空间结构的蛋白质天然蛋白质的合成过程与性状表达蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能新课讲授1一、蛋白质工程崛起的缘由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一种新的人类生产和生活的需求对本概念的理解应从以下几个方面进行：①基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系；②手段：基因修饰或基因合成；③改造对象：蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构；④产物：改造的蛋白质、新的蛋白质。基因工程的实质及缺陷（1）实质：基因工程是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。（2）缺陷：原则上，基因工程只能产生自然界中已经存在的蛋白质。蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程的崛起主要是由于工业生产和基础理论研究的需要。（1）天然蛋白质的缺陷：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，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。（2）蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活需要的非天然蛋白质。合成时需：天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成酶。实例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?新课讲授2二、蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的目标根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质分子结构进行设计改造，生产符合人们需求的、自然界中不存在的蛋白质。蛋白质工程的实质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。蛋白质工程的原理预期功能生物功能预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列→合成新基因→获得所需要的蛋白质某多肽链的一段氨基酸序列是：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？请把相应的碱基序列写出来。每种氨基酸都有对应的密码子，只要查一下遗传密码子表就能将氨基酸蓄力的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多种密码子编码的，所以相应的碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列32种，可根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应根据密码子推出mRNA序列，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG赖氨酸： AAA 、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU 、UUC丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC色氨酸： ACC赖氨酸：TTT 、TTC甲硫氨酸：TAC苯丙氨酸：TTT 、TTG2.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，可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法获取。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）大改：设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质（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）大改：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基新课讲授3三、蛋白质工程的应用在医药方面的应用（1）研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造___________使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了_______________，研发出速效胰岛素类似物。胰岛素基因胰岛素的聚合（3）改造抗体：将小鼠单克隆抗体上______________________“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。（2）提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个___________变成___________，提高了干扰素的保存时间。半胱氨酸丝氨酸结合抗原的区域（2）开发新的工业用酶。在工业方面的应用（1）改进酶的性能，从而提高其使用价值。如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的_________，从中筛选出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。突变体在农业方面的应用（1）尝试改造某些调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。（2）改造微生物蛋白质的结构，使其防治病虫害的效果增强。实例水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。水蛭素改造蛋白质工程与中心法则的关系（1）蛋白质工程的过程是中心法则的逆推。中心法则中遗传信息的传递过程是：基因→ mRNA →氨基酸种类和序列→蛋白质的性质和功能。而蛋白质工程的操作过程与之相反：由预期的蛋白质的功能出发，逆着中心法则方向推出控制该蛋白质合成的 DNA 序列。中心法则和蛋白质结构的相关知识是蛋白质工程设计的核心理论。（2）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造基因也就是对蛋白质进行改造，并且改造过的基因可以遗传下去。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也无法遗传给下一代。（3）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。蛋白质工程与基因工程的比较预期蛋白质功能目的基因预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的基因重组可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②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1.基因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。（ ）基础检测2.蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列（ ）××