3-4蛋白质工程的原理和应用 教学课件高中生物学人教版2019选择性必修三(共23张PPT)

(共23张PPT)
第4节蛋白质工程的原理和应用
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
蛋白质工程 概念：P93
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
操作对象： 改造或合成基因
结果： 改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质 与基因工程的关系：
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 理论和技术：分子生物学、晶体学和计算机技术
蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质
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.蛋白质工程崛起的缘由
①基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。
②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。
实 例
对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧 酸合成酶的改造
赖氨酸合成
业
达到一定浓度
抑制
两种酶的活性
业 限制
赖氨酸含量
104位的天冬
酰胺变成异亮
氨酸
提高2倍
352位的苏
氨酸变成异
亮氨酸
提高5倍
二氢吡啶二 羧酸合成酶
天冬氨 酸激酶
十
蛋白质工程的基本原理
对天然的蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白 质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现
二
1.蛋白质工程的目标
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构
进行设计改造。
2.蛋白质工程的实质
通过改造或合成基因，来定向改造现有蛋白质或制造
新的蛋白质。
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；
形成具有特 定氨基酸序 列的多肽链
3.天然蛋白质合成过程
天然蛋白质合成的过程是按照 中心法则 进行的：
形成具有
高级结构
的蛋白质
基因 表达
行使生物功能
转录、翻译
蛋白质工程的基本思路
设计
预期功能 蛋白质
生物功能行驶 结构
推测 改造或合成
翻译
多肽链 mRNA
4.蛋白质工程的基本思路
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反：
翻译mRNA 转录DNA
氨基酸 序列
蛋白质
(三维结构)
预期功能
生物功能
DNA 合成
设计
行使
基因
折叠
推测
转录
构建蛋白质三维结构图：借助计算机
制备蛋白质晶体：通 过X 射线衍射技术
碱基的替换：基因的定点突变技术
转录
mRNA
蛋白质
(三维结构)
预期功能
生物功能
翻译
多肽链
蛋白质工程的基本思路
设计
行使
改造或合成
推测
⑨ 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 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸
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。提示：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)。
mRNA序 列 ：GCU ( 或C或A或G)UGG AAA( 或G)GAA ( 或G)UUU ( 或C)
DNA 序列：CGA ( 或G 或T 或C) ACCTTT ( 或C) CTT ( 或C) AAA ( 或G)
GCT ( 或C或A或G)TGG AAA( 或G)GAA ( 或G)TTT ( 或C)
酸
丙
氨
苯
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。
某多肽链的一段氨基酸序列是：
苯丙 氨酸
思考 ·讨论 蛋白质工程基本思路的应用
谷氨酸
赖氨酸
丙氨酸
色氨酸
项目
内容
条件 原料
脱氧核苷酸
酶
DN A聚合酶和DN A连接酶
引物
含突变顺序的DN A分子片段
能量
dNTP
操作方法
PCR法
结果
后代中半数为诱变的DN A分子
适应范围
空间结构完全清楚的蛋白质
基因定点突变：是在体外特异性地取代、插入或缺失DNA序 列中任何一个特定碱基的技术.
插入正常基因
CTG
GAC
一GCC一
人工合成的引物中含
有所需的突变顺序
CTG
G C
用 DNA多聚酶合成完整的
链，再用DNA连接酶连接
CTG
G,C
引入细胞
复制和增殖
CCG
GCC
转录
GCC—
翻译
丙氨酸
合成突变的蛋白质(目的蛋白质)
克隆载体质粒
CTG
GAC
转录
GAC—
翻译
-因门冬氨酸
合成正常的蛋白质
基因定点诱变技术的示意图
蛋白质工程
是
是否对原
有基因进
行改造 否
基因工程
是否为天
然蛋白质
蛋白质工程
考：如何瓣别一个操作是基因工程还是蛋白质工程
蛋白质工程
基因工程
看 基 因 看 蛋 白 质
是否合成 新的基因
是
否
否
是[
依据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质。
改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特 定的结构。
利用基因工程中的定点诱变技术，改造蛋白质 分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基。
2 .根据基因工程的原理进行蛋白质的设计和改造
(1)对蛋白质的结构进行设计和改造，最终是通过改造基因来实现的。
(2)改造基因的方法：定点突(诱)变、基因融合和基因拼接。
大改
中改
小改
三 蛋白质工程的应用 1.蛋白质工程的类型
速效胰岛素
定点突(诱)变
一医药障2方面
1.研发速效胰岛素类似物
在-70℃ 下可以保 存半年
行使 预期 折叠 功能 结构
设计、 氨基酸 推测、一个半胱氨酸 结构 替换 序列 变成丝氨酸
2.延长干扰素体外保存时间 定点突(诱)变
改造
转录 新干扰 素基因
天然干扰素
不易保存
多肽链 翻译[ mRNA
延长保 存时间
预期 功能
鼠—人嵌合抗体
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原 的区域( 即可变区)“嫁接”到人的抗 体 ( 即恒定区)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。
人鼠嵌合抗体
鼠抗体
L: 轻 链 H: 重链
3.降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 基因融合
图1—1-22 嵌合抗体的合成示意图
人抗体
恒定区
可变区
H
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
可变区
恒定区
可变区
恒定区
鼠抗体
人抗体
制备人鼠 嵌合抗体
(二)、其他工业方面，用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
枯草杆菌蛋白酶常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。利用蛋白质工程 获得的该酶突变体已有上百种，从中筛选出优良突变体用于生产提高 其使用价值。
(三)农业方面
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.利用蛋白质工程的思路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。
蛋白质工程——难度大
原因：
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构。
这种高级结构很复杂，目前对其了解还很不够， 还需探索。
aggregationt or two or more pept
由计算机建立的血红 蛋白三维结构模型
和 管 … 的
(amrimarydstructurece)
tertiary structun
(folded individual pe
三 级 结 构
级结构
小结：蛋白质工程与基因工程的比较
项目 蛋白质工程
基因工程
操作对象 基因
基因
操作起点 预期蛋白质功能
目的基因
操作水平 DNA分子水平
DNA分子水平
操作流程 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
结果 可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
实质 通过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
将一种生物的基因转移到另一种生 物体内，后者可以产生它本不能产 生的蛋白质，进而表现出新的性状
联系 ①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； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作；