(共30张PPT)
第四节 蛋白质工程的原理和应用
理科生的浪漫——细菌画画
自然界中的细菌本身有颜色,但是不会发出荧光。
想一想:如何让细菌能发出荧光?
荧光蛋白基因
细菌
荧光
蛋白
导入
荧光蛋白
基因表达
基因工程:
基因工程实质:
基因工程是将一种生物的 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 ,进而表现出 。
基因
蛋白质
新性状
自然界中存在的荧光蛋白只有绿色荧光蛋白,能否通过基因工程,获得黄色荧光蛋白呢?
不能。
基因工程不足:
原则上只能生产自然界中已存在(天然)的蛋白质。
天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们的 符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合 的需要。
天然蛋白质的不足:
结构和功能
人类生产和生活
对蛋白质分子进行设计和改造的“蛋白质工程”开始崛起!
思考·讨论
为什么蛋白质工程需改造基因,而不直接改造蛋白质?
1.蛋白质工程的操作对象:
基因!
谁指导蛋白质的合成?
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;
一、蛋白质工程的基本原理
阅读教材P94,回答问题:
1.天然蛋白质合成过程是按照什么法则进行的?具体过程?
2.蛋白质工程的基本思路?
一、蛋白质工程的基本原理
天然蛋白质合成过程:
按照 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
蛋白质工程如何进行?
中心法则
盘曲折叠
2.天然蛋白质的合成过程
3.蛋白质工程的基本思路
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。
——用绿色荧光蛋白改造出黄色荧光蛋白
让荧光蛋白发黄色荧光
设计黄色荧光蛋白的结构
推测黄色荧光蛋白的
氨基酸序列
找到并改变绿色荧光蛋白基因的脱氧核苷酸序列或合成新的基因
获得黄色荧光蛋白
3.蛋白质工程的基本思路
借助计算机
构建蛋白质三维结构图:
制备蛋白质晶体,
碱基的替换:
然后通过X射线衍射技术,分析晶体结构
基因的定点突变技术
目的基因
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反:
蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以蛋白质分子的 及其与 的关系作为基础,通过 ,来改造 ,或制造 ,以满足 的需求。
结构规律
生物功能
改造或合成基因
现有蛋白质
一种新的蛋白质
人类生产和生活
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,是涉及多学科的综合科技工程。
【思考·讨论】蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是:
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。
密码子表
丙氨酸(GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG)、谷氨酸(GAA、GAG)、苯丙氨酸(UUU、UUC)。
推知mRNA序列为:
共 种可能序列
32
【思考·讨论】蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是:
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
密码子表
丙氨酸(GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG)、谷氨酸(GAA、GAG)、苯丙氨酸(UUU、UUC)。
推知mRNA序列为:
共 种可能序列
32
GCUUGGAAAGAAUUU
其中1种mRNA序列:
脱氧核苷酸序列:
GCTTGGAAAGAATTT
CGAACCTTTCTTAAA
【思考·讨论】蛋白质工程基本思路的应用
某多肽链的一段氨基酸序列是:
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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?
可以人工合成目的基因
对基因的改造:基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
二、蛋白质工程的基本应用
1.医药工业方面
2.其他工业方面
3.农业方面
阅读课本P95,了解蛋白质工程的基本应用
4.蛋白质工程面临的问题?
人胰岛素由A链和B链构成,其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域
一定程度上会延缓疗效
1.医药工业方面
(1)实例1:研发速效胰岛素类似物
天然胰岛素易形成二聚体或六聚体
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
天然胰岛素有什么缺陷?改造它的目的是?改造的思路是?
(1)实例1:研发速效胰岛素类似物
天然胰岛素易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造或合成
B28位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
转录
mRNA
折叠
行使功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20~29位氨基酸组成
推测氨基酸序列
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
预期功能
1.医药工业方面
(2)实例2:延长干扰素体外保存时间
1.医药工业方面
解决办法:将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在一定条件下可以延长保存时间。
存在问题:干扰素不易保存
(3)实例3:降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
解决办法:通过改造基因,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减低很多。
存在问题:小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应
1.医药工业方面
2.其他工业方面
——广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
例如:
枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用,常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
迄今为止,利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种,从中可能筛选出一些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。
3.农业方面的应用
(1)改造某些参与调控光合作用的酶,以提高植物光合作用的速率,增加粮食的产量;
(2)设计优良微生物农药,通过改造微生物蛋白质的结构,使它防治病虫害的效果增强。
玉米中赖氨酸含量低
阅读教材P93-94,回答问题:
1.玉米赖氨酸含量低的原因?
2.如何提高玉米中赖氨酸含量?
3.农业方面的应用
赖氨酸合成
调控
达到一定浓度
第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
+
第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
如何提高
赖氨酸含量
提高
提高
提高5倍
提高2倍
抑制
抑制
受限
3.农业方面的应用
三、蛋白质工程面临的困难
蛋白质工程是一项难度很大的工程。
主要原因:
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。
科学家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。
四、前景展望
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作过程
结果
实质
联系 基因
基因
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
可生产自然界没有的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
基因转移到另一种生物体内,产生它本不能产生的蛋白质
①都在生物体外对基因进行操作;
②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;
③蛋白质工程离不开基因工程,其包含基因工程的基本操作。
总结-蛋白质工程和基因工程的比较
课堂小结
蛋白质工程的概念: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。
一、蛋白质工程崛起的缘由:基因原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质,这些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号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。
二、蛋白质工程的基本原理:预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。
三、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面;2.其他工业方面; 3.农业方面。
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)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 。
(2)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)
(3)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求,
,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。
转录
翻译
盘曲折叠
推测
改造或合成
对蛋白质的结构进行设计改造
改造或合成基因
相反
④⑤
①②③
课堂练习
课堂练习p96
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
(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。 ( )
(2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 ( )
(3)蛋白质工程可以改造酶,提高酶的热稳定性。 ( )
练习与应用
一、概念检测
2. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的,它最终要达到的目的是 ( )
A. 分析蛋白质的三维结构
B. 研究蛋白质的氨基酸组成
C. 获取编码蛋白质的基因序列信息
D. 改造现有蛋白质或制造新的蛋白质,满 足人类的需求
D
3. 水蛭素是一种蛋白质,可用于预防和治疗血栓。研究人员发现,用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中,目前可行的直接操作对象是( )
A.基因 B.氨基酸
C.多肽链 D.蛋白质
A
(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( )
判断正误
√
×
√
×
1.葡萄糖异构酶(GI)在工业上应用广泛,为提高其热稳定性,科学家对GI基因进行体外定点诱变,以脯氨酸(Pro138)替代甘氨酸(Gly138),含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达,结果最适反应温度提高10~12 ℃。这属于生物工程中的
A.基因工程 B.蛋白质工程
C.发酵工程 D.酶工程
典题应用
及时反馈 知识落实
√
2.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一,被称为“活化石”。研究者试图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质,使其更加适应现在的水域环境,以下说法错误的是
A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构
B.改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的
C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
√