3.4蛋白质工程的原理和应用课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3(共14张PPT)
文档属性
| 名称 | 3.4蛋白质工程的原理和应用课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3(共14张PPT) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 3.4MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-05-23 19:10:19 | ||
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文档简介
(共14张PPT)
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
1955年由英国科学家桑格（S.Sanger）首先确定牛胰岛素中氨基酸的组成和排列顺序，桑格也因此荣获1958年诺贝尔化学奖。
从1958年开始，中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所和北京大学化学系三个单位联合，以王应睐为首，组成一个协作组，在前人对胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上，开始探索用化学方法合成胰岛素。
在1965年9月17日完成了结晶牛胰岛素的全合成。
经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。这项成果获1982年中国自然科学一等奖。
结晶牛胰岛素发展小史
我们还在利用化学方法合成胰岛素吗？
01
蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的优势及缺陷
①优势：
目的基因→重组DNA分子→受体细胞→定向改造生物遗传特性→获得蛋白质产品
②缺陷：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。不一定完全符合人类生产和生活的需要。
理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
蛋白质具有复杂的空间结构，表达生物特有的功能和性状。
中心法则：
蛋白质的功能由基因决定，要制造出新的蛋白质就要改造基因
第二代基因工程呼之欲出！
2.蛋白质工程概念
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，以满足人类生产和生活的需求。
思考：
1.对天然蛋白质分子进行改造，是以蛋白质分子为操作对象，还是基因？
2.蛋白质工程中如何构建新基因？
思考·讨论
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G） UUU(或C)
mRNA序列
脱氧核苷酸序列
GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G)
32种可能序列
（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？
确定目的基因的碱基序列后，
可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。
对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
产量提高
赖氨酸含量低
合成时需：
天冬氨酸激酶；
二氢吡啶二羧酸合成酶。
浓度影响酶活性
举例
异亮氨酸
苏氨酸(352位）
异亮氨酸
天冬酰胺(104位)
2020年AlphaFold（源自Google的Deepmind团队，曾设计过阿尔法狗）可实现精准预测蛋白质的三维结构
02
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的目标：
2.天然蛋白质合成过程：
按照中心法则进行
基因
表达
形成具有特定氨基酸序列的多肽链
形成具有高级结构的蛋白质
行使生物功能
转录、翻译
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，最终通过改造或合成基因来完成。
3.蛋白质工程的基本思路
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
思考：与中心法则的关系？
天然蛋白质合成的过程按照中心法则进行,
而蛋白质工程的原理却是中心法则的逆运用
合作探究
蛋白质工程与基因工程的关系
胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到人体后,会堆积在皮下,并且要经过较长时间才能进入血液中,而进入血液的胰岛素又容易被分解,因此,治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题:
1.对天然胰岛素进行改造时,操作对象是胰岛素还是胰岛素基因 请说明理由。
2.请从蛋白质角度对基因工程和蛋白质工程进行比较。
3.构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的主要依据是什么？
4.对天然蛋白质进行改造,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 5.图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么
胰岛素基因。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,且这种改造可以遗传下去。
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,而蛋白质工程则是对现有蛋白质进行改造,或制造一种
新的蛋白质。
图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的功能,即速效胰岛素。也就是蛋白质的预期功能
通过对基因的操作来实现对天然蛋白质改造。
根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列,推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因。
习题巩固
下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①______；②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计
03
蛋白质工程的应用
Ⅰ.医药工业方面
速效胰岛素类似物研发
可长期保存的干扰素
人鼠嵌合抗体
速效胰岛素（赖脯胰岛素注射液，B28脯氨酸与B29赖氨酸交换位置）
β-干扰素氨基酸序列（源自Genbank）
三个半胱氨酸易发生二硫键错配，将17位半胱氨酸替换为丝氨酸，可提高稳定性
对人体的不良反应减少
其它工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
如：适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶
农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量
设计微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，
使它防治病虫害的效果增强；
蛋白质食品的工厂化生产想象图
蛋白质工程——难度大
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。
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
（1）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质 （ ）
（2）对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的 （ ）
（3）由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大 （ ）
（4）蛋白质工程不能改变蛋白质的活性 （ ）
判断
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
1955年由英国科学家桑格（S.Sanger）首先确定牛胰岛素中氨基酸的组成和排列顺序，桑格也因此荣获1958年诺贝尔化学奖。
从1958年开始，中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所和北京大学化学系三个单位联合，以王应睐为首，组成一个协作组，在前人对胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上，开始探索用化学方法合成胰岛素。
在1965年9月17日完成了结晶牛胰岛素的全合成。
经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。这项成果获1982年中国自然科学一等奖。
结晶牛胰岛素发展小史
我们还在利用化学方法合成胰岛素吗？
01
蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的优势及缺陷
①优势：
目的基因→重组DNA分子→受体细胞→定向改造生物遗传特性→获得蛋白质产品
②缺陷：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。不一定完全符合人类生产和生活的需要。
理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
蛋白质具有复杂的空间结构，表达生物特有的功能和性状。
中心法则：
蛋白质的功能由基因决定，要制造出新的蛋白质就要改造基因
第二代基因工程呼之欲出！
2.蛋白质工程概念
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，以满足人类生产和生活的需求。
思考：
1.对天然蛋白质分子进行改造，是以蛋白质分子为操作对象，还是基因？
2.蛋白质工程中如何构建新基因？
思考·讨论
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G） UUU(或C)
mRNA序列
脱氧核苷酸序列
GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G)
32种可能序列
（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？
确定目的基因的碱基序列后，
可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。
对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
产量提高
赖氨酸含量低
合成时需：
天冬氨酸激酶；
二氢吡啶二羧酸合成酶。
浓度影响酶活性
举例
异亮氨酸
苏氨酸(352位）
异亮氨酸
天冬酰胺(104位)
2020年AlphaFold（源自Google的Deepmind团队，曾设计过阿尔法狗）可实现精准预测蛋白质的三维结构
02
蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的目标：
2.天然蛋白质合成过程：
按照中心法则进行
基因
表达
形成具有特定氨基酸序列的多肽链
形成具有高级结构的蛋白质
行使生物功能
转录、翻译
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，最终通过改造或合成基因来完成。
3.蛋白质工程的基本思路
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
思考：与中心法则的关系？
天然蛋白质合成的过程按照中心法则进行,
而蛋白质工程的原理却是中心法则的逆运用
合作探究
蛋白质工程与基因工程的关系
胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到人体后,会堆积在皮下,并且要经过较长时间才能进入血液中,而进入血液的胰岛素又容易被分解,因此,治疗效果受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题:
1.对天然胰岛素进行改造时,操作对象是胰岛素还是胰岛素基因 请说明理由。
2.请从蛋白质角度对基因工程和蛋白质工程进行比较。
3.构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的主要依据是什么？
4.对天然蛋白质进行改造,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 5.图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么
胰岛素基因。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,且这种改造可以遗传下去。
基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,而蛋白质工程则是对现有蛋白质进行改造,或制造一种
新的蛋白质。
图中构建新的胰岛素模型的依据是胰岛素的功能,即速效胰岛素。也就是蛋白质的预期功能
通过对基因的操作来实现对天然蛋白质改造。
根据新的胰岛素模型中氨基酸的序列,推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因。
习题巩固
下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：
①______；②______；③______；④______；⑤__________。
(3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
④⑤
①②③
转录
翻译
折叠
推测
改造合成
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
基因改造或基因合成
相反
对蛋白质的结构进行分子设计
03
蛋白质工程的应用
Ⅰ.医药工业方面
速效胰岛素类似物研发
可长期保存的干扰素
人鼠嵌合抗体
速效胰岛素（赖脯胰岛素注射液，B28脯氨酸与B29赖氨酸交换位置）
β-干扰素氨基酸序列（源自Genbank）
三个半胱氨酸易发生二硫键错配，将17位半胱氨酸替换为丝氨酸，可提高稳定性
对人体的不良反应减少
其它工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
如：适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶
农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量
设计微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，
使它防治病虫害的效果增强；
蛋白质食品的工厂化生产想象图
蛋白质工程——难度大
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。
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
（1）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质 （ ）
（2）对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的 （ ）
（3）由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大 （ ）
（4）蛋白质工程不能改变蛋白质的活性 （ ）
判断