3.4蛋白质工程的原理和应用课件(共43张PPT)

(共43张PPT)
第三章 基因工程
第4节 蛋白质工程的原理和应用
新课标 核心素养
1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 1.科学思维——尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计或改造某一蛋白质的设计流程。
2.社会责任——尝试运用逆向思维分析和解决问题。
荧光蛋白
上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
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的
学识决定眼界，眼界激发向上的动力
将一种生物的____转移到另一种生物体内，后者可以产生它__________________，进而表现出________。
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质：
基因
本不能产生的蛋白质
新的性状
2.基因工程的局限性：_______________________________
原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质
3.天然蛋白质的不足：
天然蛋白质是生物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
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程实现的。
基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质
天然蛋白质
干扰素
治疗病毒感染、癌症。
保存半年
改变分子结构
半胱氨酸
丝氨酸
体外保存困难
实例1：
符合特定物种生存需要
不一定符合人类生产、生活需要
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
提高
实例分析2：
玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
速效胰岛素类似物
实例分析2：
天然胰岛素制剂易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。因此，科学家对胰岛素进行了改造，从而降低它的聚合作用。
4、蛋白质工程
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。
---第二代基因工程
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）.基础:
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
（2）操作方法及对象:
改造或合成基因
（3）结果:
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
（4）目的:
满足人类生产和生活的需求
（5）与基因工程的关系:
（6）相关学科及技术：
分子生物学、晶体学和计算机技术
思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？
逆转录
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
天然蛋白质的合成过程与性状表达
温故知新：
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
蛋白质的结构三级结构一级结构四级结构二级结构胰岛素的三级结构
---多肽链既盘曲又折叠
血红蛋白质的四级结构
---四条多肽链的盘曲和折叠
二、蛋白质工程的基本原理
1、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、原理：
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；
二、蛋白质工程的基本原理
3.天然蛋白质合成的过程：
天然蛋白质合成的过程是按照________进行的
中心法则
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
4.蛋白质工程基本思路
①蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？
基因工程是遵循中心法则，DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
思考：
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。
②蛋白质工程的基本思路：
天然蛋白质的合成途径：
基因　　　表达（转录和翻译）　　　　形成氨基酸序列的多肽
链　　　　 形成具有高级结构的蛋白质　　　　 行使生物功能
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　　　找到相应的脱氧核苷酸序列(基因)
蛋白质工程的途径：
（基因工程）
遵循中心法则
因此蛋白质工程与天然蛋白质的合成（基因工程）相反！
预期功能
预期结构
推测
氨基酸序列（多肽链）
改造或合成
目的基因
转录
mRNA
翻译
折叠
设计
行使
蛋白质工程流程图：
蛋白质工程基本思路的应用
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。
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
查密码子表
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。
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
…
…
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序列为：GCU UGG AAA GAA UUU
DNA序列为： CGA ACC TTT CTT AAA
GCT TGG AAA GAA TTT
共___种可能序列
32
资料---蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；
（2）测定其氨基酸序列；
（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地
了解蛋白质的二维结构和三维晶体结构;
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠
等对其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。
基因定点诱变技术的示意图
基因定点诱变技术的理解
　项目 　　　　　　内容
条件 原料
酶
引物
能量 ＡＴＰ
操作方法 ＰＣＲ法
结果
适应范围
后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子
脱氧核苷酸
ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶
含突变顺序的ＤＮＡ分子片段
空间结构完全清楚的蛋白质
思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较
比较 基因定点诱变 基因突变
相同点 发生的过程 结果 不同点 场所
手段
方向
DNA复制过程中
产生新基因，从而产生新性状
生物体外
生物体内
定向改造
不定向性
PCR技术
物理化学方法
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作水平
操作流程
结果
实质
联系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
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
可生产自然界已有的蛋白质
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
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；
预期蛋白质功能
目的基因
5. 蛋白质工程与基因工程的比较
小结：如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
四、蛋白质工程的应用
1.研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期结构
改造
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
预期功能
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
推测序列
翻译
多肽链
有效抑制胰岛素的聚合
2.延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
预期结构
改造
一个半胱氨酸变成丝氨酸
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
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。
小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
3.改造抗体—降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
医学问题:
解决办法:
4.其他
①改进酶的性能或开发新的工业用酶；
②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；
③设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强；
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。
5.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
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
6.前景展望：
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。
酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
练习
1.判断正误。
(1)蛋白质工程的基础是基因工程。( √ )
(2)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。( × )
(3)蛋白质工程中对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的。( × )
(4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。( × )
(5)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。( √ )
(6)蛋白质工程需要使用限制性内切核酸酶和DNA连接酶。( √ )
(1)蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而产生出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术。( )
解析：蛋白质工程直接改造的是基因，而非蛋白质。
(2)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要。( )
(3)通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶上352位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅度提高玉米中赖氨酸的含量。( )
(1)蛋白质工程的目标是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)蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。( )
(3)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。( )
×
√
√
√
×
√
【基础过关】
2.下列有关蛋白质工程与基因工程的叙述,正确的是(　　)
A.基因工程原则上能生产任何蛋白质
B.蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质
C.蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现
D.蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第三代基因工程
B
3.(多选)下列关于蛋白质工程的叙述,不正确的是(　　)
A.通过对基因结构的定点突变实现对玉米赖氨酸合成的关键酶结构的改变,属于蛋白质工程
B.将人的胰岛素基因导入大肠杆菌细胞内,使大肠杆菌生产人的胰岛素,属于蛋白质工程
C.对蛋白质进行分子设计必须从蛋白质的功能特点入手
D.蛋白质工程具有广阔的发展前景,且技术难度不大,目前成功的例子很多
BD
4.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　)
A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一
B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质
C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、生活的需要
D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造
B
5.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是(　　)
A.蛋白质工程的崛起符合工业生产和基础理论研究的需要
B.蛋白质工程可对酶的催化活性、抗氧化性等加以改变
C.理论上对关键氨基酸的置换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法
D.蛋白质工程能将人抗体的某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度
C
6.镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β 肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。回答下列问题：
(1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的____________序列发生改变。
(2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作_______(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作___________________________________________。
(3)用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的________，以其作为模板，在________酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和_____________酶的作用下，构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。
(4)检测受体菌是否已合成血红蛋白，可从受体菌中提取________，用相应的抗体进行______________杂交，若出现杂交带，则表明该受体菌已合成血红蛋白。
碱基
不属于
没有对现有蛋白质进行改造
mRNA
逆转录
DNA连接
蛋白质
抗原-抗体
7.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
练习与应用
一、概念检测
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
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
3.水经素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水经素第47位的天冬酰肢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
D
A
练习与应用
二、拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等；需要建立规模化生产该的技术体系，评估生产成本等。