人教版生物选修3 专题1 第4节 蛋白质工程的崛起 教学课件 （共25张PPT）
文档属性
| 名称 | 人教版生物选修3 专题1 第4节 蛋白质工程的崛起 教学课件 （共25张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 435.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2016-10-25 19:07:20 | ||
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文档简介
课件25张PPT。1.4 蛋白质工程的崛起玉米中赖氨酸的含量比较低。
干扰素在体外很难保存。
工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。
资料：提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等，因此就需要对蛋白质加以改造。1983年Ulmer首先提出蛋白质工程这个名词。什么叫蛋白质工程？它同基因工程有何区别和联系？又是如何设计和施工的？1、基因工程的应用
（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，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
2、天然蛋白质的不足：
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。一、蛋白质工程崛起的缘由改造玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造3、蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质。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分子设计。
2、原理：改造基因（基因修饰或基因合成）。
3、流程：
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列。蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？答：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。
蛋白质工程是按照以下思路进行的：
确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质基因
DNA氨基酸序列
多肽链蛋白质
三维结构预期功能生物功能mRNA转录翻译折叠DNA合成分子设计流程：蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构 胰岛素的三级结构血红蛋白质的四级结构 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重组和三维晶体结构;（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，如定点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：
……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—……
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？
（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（DNA）？（1）mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）
脱氧核苷酸序列：
CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）
（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。蛋白质工程的概念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，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。前提：了解蛋白质的结构和功能原理：改造基因（基因修饰或基因合成）目的：定向改造或制造蛋白质（二）蛋白质改造工程举例
1.水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。2．生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。
蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。三、蛋白质工程的进展和前景1、前景诱人：如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。
2、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。比较基因工程和蛋白质工程目的基因预期的蛋白质功能基因表达载体基因获取目的基因→
构建表达载体→
导入受体细胞→
目的基因的检测与表达预期蛋白质功能→
设计蛋白质结构→
推测氨基酸序列→
推测核苷酸序列→
合成DNA →表达出蛋白质定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品定向改造或生产人类所需的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质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。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋白质
干扰素在体外很难保存。
工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。
资料：提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等，因此就需要对蛋白质加以改造。1983年Ulmer首先提出蛋白质工程这个名词。什么叫蛋白质工程？它同基因工程有何区别和联系？又是如何设计和施工的？1、基因工程的应用
（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，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
2、天然蛋白质的不足：
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。一、蛋白质工程崛起的缘由改造玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造3、蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质。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分子设计。
2、原理：改造基因（基因修饰或基因合成）。
3、流程：
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列。蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？答：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。
蛋白质工程是按照以下思路进行的：
确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质基因
DNA氨基酸序列
多肽链蛋白质
三维结构预期功能生物功能mRNA转录翻译折叠DNA合成分子设计流程：蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构 胰岛素的三级结构血红蛋白质的四级结构 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重组和三维晶体结构;（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，如定点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：
……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—……
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？
（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（DNA）？（1）mRNA序列为：
GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）
脱氧核苷酸序列：
CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）
（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。蛋白质工程的概念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，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。前提：了解蛋白质的结构和功能原理：改造基因（基因修饰或基因合成）目的：定向改造或制造蛋白质（二）蛋白质改造工程举例
1.水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。2．生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。3．胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。
蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。三、蛋白质工程的进展和前景1、前景诱人：如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。
2、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。比较基因工程和蛋白质工程目的基因预期的蛋白质功能基因表达载体基因获取目的基因→
构建表达载体→
导入受体细胞→
目的基因的检测与表达预期蛋白质功能→
设计蛋白质结构→
推测氨基酸序列→
推测核苷酸序列→
合成DNA →表达出蛋白质定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品定向改造或生产人类所需的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质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。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋白质