3.4蛋白质工程的原理和应用 课件(共19张PPT)人教版高中生物选修三ppt
文档属性
| 名称 | 3.4蛋白质工程的原理和应用 课件(共19张PPT)人教版高中生物选修三ppt |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 3.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2023-09-12 14:40:49 | ||
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文档简介
(共19张PPT)
3.4 蛋白质工程的原理和应用
基因指导蛋白质的合成
知识回顾
DNA
RNA
肽链
转录
翻译
复制
逆转录
复制
具有特定空间结构的蛋白质
盘曲折叠
表达生物特有的功能和性状
大麦蛋白酶抑制剂CI-2
你见过用细菌画画吗？左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，是因为它们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。
从社会中来
蛋白质工程
那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
蛋白质工程
0
蛋白质工程
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，以满足人类生产和生活的需求。
途径
目的
特别提醒：
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
蛋白质工程崛起的缘由
一
1.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：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。
蛋白质工程崛起的缘由
1
2.蛋白质工程崛起的缘由
②天然蛋白质的缺陷：
①理论和技术条件:
蛋白质工程改造
分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
天然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。
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
蛋白质工程崛起的缘由
一
实例：对天然酶的改造
赖氨酸含量较低
目标：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。
蛋白质工程的基本原理
二
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
蛋白质工程是如何进行的呢？
基因
表达(转录和翻译）
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
天然蛋白质合成过程：按照中心法则进行的
蛋白质工程却与之相反！
从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
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
蛋白质工程的基本原理
二
基本思路
实质：通过改造或合成基因，定向改造或生产人类所需的蛋白质。
蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程。改造后相应基因的表达仍旧需要借助基因工程来实现。
比较 项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
创造出自然界不存在的蛋白质
只能生产自然界已有的蛋白质
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
通过改造相应的基因从而达到对蛋白质进行改造的目的
蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程操作来获得预期蛋白质
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使其产生它原本不能产生的蛋白质
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否合成新的基因
蛋白质工程
基因工程
是
否
是否为天然蛋白质
是
否
笔记：
为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
天然胰岛素易形成
二聚体或六聚体
改造
B链第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
新胰岛素基因
有效抑制胰岛素的聚合
蛋白质工程的应用
三
医药工业方面
阻碍胰岛素从注射部位进入血液
①研发速效胰岛素类似物
A链
B链
β-干扰素氨基酸序列
蛋白质工程的应用
三
医药工业方面
②延长干扰素体外保存时间
干扰素
（半胱氨酸）
干扰素
（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
③降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。
科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
医药工业方面
蛋白质工程的应用
三
其它工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶
设计微生物农药
蛋白质工程的应用
三
练习与应用
一、概念检测
1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 （ ）
A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶
B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物
C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传
D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等
2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是（ ）
A.培育青霉菌并从中提取青霉素
B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.制造一种能降解石油的“超级细菌"
D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌
C
A
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘腾没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘麟的作物。
（1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程，请补充完整。
①用__________________等处理含有目的基因的DNA片段和Ti质粒,构建重组Ti质粒；
②将重组Ti质粒转入农杆菌中；
③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染________细胞，再通过培育得到转基因植株；
④用草甘瞬同时喷酒转基因植株和对照组植株。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。
结论：________________________________________
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
练习与应用
3.4 蛋白质工程的原理和应用
基因指导蛋白质的合成
知识回顾
DNA
RNA
肽链
转录
翻译
复制
逆转录
复制
具有特定空间结构的蛋白质
盘曲折叠
表达生物特有的功能和性状
大麦蛋白酶抑制剂CI-2
你见过用细菌画画吗？左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，是因为它们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。
从社会中来
蛋白质工程
那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
蛋白质工程
0
蛋白质工程
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，以满足人类生产和生活的需求。
途径
目的
特别提醒：
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
蛋白质工程崛起的缘由
一
1.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：
基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。
蛋白质工程崛起的缘由
1
2.蛋白质工程崛起的缘由
②天然蛋白质的缺陷：
①理论和技术条件:
蛋白质工程改造
分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
天然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。
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
蛋白质工程崛起的缘由
一
实例：对天然酶的改造
赖氨酸含量较低
目标：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。
蛋白质工程的基本原理
二
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
蛋白质工程是如何进行的呢？
基因
表达(转录和翻译）
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
天然蛋白质合成过程：按照中心法则进行的
蛋白质工程却与之相反！
从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
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
蛋白质工程的基本原理
二
基本思路
实质：通过改造或合成基因，定向改造或生产人类所需的蛋白质。
蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程。改造后相应基因的表达仍旧需要借助基因工程来实现。
比较 项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
创造出自然界不存在的蛋白质
只能生产自然界已有的蛋白质
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
通过改造相应的基因从而达到对蛋白质进行改造的目的
蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程操作来获得预期蛋白质
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使其产生它原本不能产生的蛋白质
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否合成新的基因
蛋白质工程
基因工程
是
否
是否为天然蛋白质
是
否
笔记：
为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
天然胰岛素易形成
二聚体或六聚体
改造
B链第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
新胰岛素基因
有效抑制胰岛素的聚合
蛋白质工程的应用
三
医药工业方面
阻碍胰岛素从注射部位进入血液
①研发速效胰岛素类似物
A链
B链
β-干扰素氨基酸序列
蛋白质工程的应用
三
医药工业方面
②延长干扰素体外保存时间
干扰素
（半胱氨酸）
干扰素
（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
③降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。
科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
医药工业方面
蛋白质工程的应用
三
其它工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶
设计微生物农药
蛋白质工程的应用
三
练习与应用
一、概念检测
1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 （ ）
A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶
B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物
C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传
D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等
2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是（ ）
A.培育青霉菌并从中提取青霉素
B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.制造一种能降解石油的“超级细菌"
D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌
C
A
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘腾没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘麟的作物。
（1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程，请补充完整。
①用__________________等处理含有目的基因的DNA片段和Ti质粒,构建重组Ti质粒；
②将重组Ti质粒转入农杆菌中；
③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染________细胞，再通过培育得到转基因植株；
④用草甘瞬同时喷酒转基因植株和对照组植株。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。
结论：________________________________________
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
练习与应用