人教版（2019）高中生物选择性必修三 3.4 蛋白质工程的原理和应用 课件（27张PPT）

从社会中来
你见过用细菌画画吗？
右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
一、蛋白质工程概述
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。
①基础：___________________________________
②操作：___________________________________
③操作对象：_______________________________
④目的：___________________________________
___________________________________
⑤地位：___________________________________
⑥理论和技术：_____________________________
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因
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
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
基因
分子生物学、晶体学和计算机技术
二、蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质
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________
2.基因工程的局限性
___________________________
3.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存在的蛋白质；
②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；
基因
本不能产生的蛋白质
新的性状
只能生产自然界中已存在的蛋白质
4.实例
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
三、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的目标
根据人们对蛋白质_____的特定需求，因此要对蛋白质的_____进行设计改造
2.蛋白质工程的实质*
_____________________________________________
3.天然蛋白质合成过程
天然蛋白质合成的过程是按照________进行的
功能
结构
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）
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
形式生物功能
转录翻译
4.蛋白质工程思路
蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程_____：
从______________出发→设计______________→推测______________→找到并改变___________________或_________→获得所需要的蛋白质
相反
预期的蛋白质功能
预期的蛋白质结构
应有的氨基酸序列
相对应的脱氧核苷酸序列
合成新基因
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
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—苯丙氨酸—
讨论1.请写出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
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
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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—苯丙氨酸—
讨论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，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因；
补充：基因的定点突变技术1——重叠PCR
①该过程需要___种引物；
②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果；
③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果；
④产物AD的形成需要引物吗？_______________________
⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上
⑥引物b和引物c之间有什么关系？_________________
⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___和引物___
4
a
b
c
d
b
c
引物b和引物c应有部分碱基互补
a
d
不需要，需要耐高温的DNA聚合酶
现学现用：
利用重叠PCR技术进行定点突变可以实现对纤维素酶基因进行合理性改造，过程如下图，下列分析正确的是（ ）
A.PCR1过程中的产物AB是依赖引物a和引物b扩增的结果
B.引物c和引物b上均含有与模板链不能互补的碱基
C.①过程需要先加热至90-95℃再冷却至55-60℃
D.②过程需要利用引物a和引物d获得突变产物AD
ABC
补充：基因的定点突变技术2——大引物PCR
该过程需要三条引物，第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增；第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条链作为下游大引物，与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段；
补充：基因的定点突变技术3
补充：基因定点突变技术和基因突变的比较
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
定点突变
基因突变
相同点
类型
结果
不同点
场所
手段
方向
产生新基因
生物体外
生物体内
PCR技术
诱变因素
定向改造
不定向性
碱基对的增添、缺失、替换
四、蛋白质工程和基因工程的比较
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}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
思考：
如何辨别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
五、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
3.降低人对小鼠单抗了抗体的免疫反应
通过_______，将小鼠抗体上______的区域（即_____）“嫁接”到_______（即_____）上，经过这样改造的抗体______________________；
改造基因
结合抗原
可变区
人的抗体
恒定区
诱发免疫反应的强度就会降低很多
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；
蛋白质工程现状
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
主要原因是：
_____________________________________
_____________________________________
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
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
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；