資源簡(jiǎn)介

(共27張PPT)
蛋白質(zhì)工程
【教學(xué)目標(biāo)】
1．簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程的基本原理
2．舉例說(shuō)明蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用和發(fā)展
3．嘗試運(yùn)用逆向思維分析和解決問(wèn)題
積極思維
1.1958年，由中國(guó)科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所、上海有機(jī)化學(xué)研究所和北京大學(xué)生物系組成的聯(lián)合協(xié)作組，開始探索用化學(xué)方法合成牛胰島素。1965年，協(xié)作組完成了結(jié)晶牛胰島素的全化學(xué)合成。經(jīng)過(guò)鑒定，這種人工合成的結(jié)晶牛胰島素在結(jié)構(gòu)、生物活性、物理化學(xué)性質(zhì)上都與天然的牛胰島素完全一樣。
2. 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)經(jīng)皮下注射的天然胰島素進(jìn)入血液的速率較為緩慢，其主要原因是胰島素分子會(huì)聚合成二聚體或多聚體。這影響了胰島素功能的及時(shí)發(fā)揮。
3. 科學(xué)家將胰島素分子上的 2 個(gè)氨基酸加以改造，使改造后的胰島素既能保持天然胰島素分子的主要構(gòu)象，又能保持為單體，從而提高了胰島素進(jìn)入血液的速率。
紀(jì)念人工合成牛胰島素結(jié)晶
五十周年郵票
1.科學(xué)家為什么要改造胰島素分子？
2.科學(xué)家是如何改造胰島素分子的？
目錄
01
蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸
02
蛋白質(zhì)工程的設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用
03
課堂小結(jié)
04
隨堂小測(cè)
01
蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸
1.蛋白質(zhì)工程的一般過(guò)程
(1)概念：蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的 規(guī)律及其與生物 的關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)編碼該蛋白的基因進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)改造，以 現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造 的蛋白質(zhì)。
1.蛋白質(zhì)工程
(1)概念：蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物 的關(guān)系為基礎(chǔ)，對(duì)編碼該蛋白的基因進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)改造，以 現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的的蛋白質(zhì)
新蛋白質(zhì)預(yù)期功能―→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)―――→推測(cè)氨基酸
序列――――――→基因(DNA)――→合成新的蛋白質(zhì)
分子設(shè)計(jì)
DNA改造或合成
表達(dá)
(2)蛋白質(zhì)工程的一般過(guò)程
（3）基因工程的不足：
基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界
已存在的蛋白質(zhì)(天然蛋白質(zhì))
天然蛋白質(zhì)不一定完全符合
人類生產(chǎn)和生活的需要
需要對(duì)天然蛋白進(jìn)行改造產(chǎn)生
更符合人類需要的蛋白質(zhì)
更充分地利用自然界中存在的
蛋白質(zhì)
在分子水平上對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行再
設(shè)計(jì)和改造，進(jìn)而創(chuàng)造出自然界中
不存在的蛋白質(zhì)
（4）蛋白質(zhì)工程的優(yōu)勢(shì)：
（6）實(shí)例
（5）蛋白質(zhì)工程的一般過(guò)程示意圖
水蛭素是水蛭的唾液腺分泌的一種效果很好的凝血酶抑制劑，是由65個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)。通過(guò)蛋白質(zhì)工程將其第47位的天冬酰胺變成賴氨酸或精氨酸時(shí)，這種新的蛋白質(zhì)抗凝血效率可提高4倍。
2.蛋白質(zhì)工程首先要獲取基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)
(1)GenBank生物大分子數(shù)據(jù)庫(kù)
①序列文件的基本單位是序列條目，包括核苷酸排列順序和注釋兩部分
②GenPept是由GenBank中的核酸序列翻譯而得到的蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)
(2)Entrez數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)是一個(gè)將核酸、蛋白質(zhì)序列和基因、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)整合在一起的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)查詢系統(tǒng)
3.通過(guò)基因改造生產(chǎn)目標(biāo)蛋白質(zhì)
(1)基因的體外定向突變
①適用對(duì)象：掌握了基本結(jié)構(gòu)信息的蛋白質(zhì)
②類型
目的 方法
大面積的定向突變 基因全合成
單一或少數(shù)幾個(gè)突變位點(diǎn)的基因定向突變 引物定點(diǎn)引入法
引物定點(diǎn)引入法實(shí)質(zhì)上是一種寡聚核苷酸介導(dǎo)的定點(diǎn)誘變（site directedmutagenesis），它能在克隆基因內(nèi)直接產(chǎn)生各種點(diǎn)突變和區(qū)域突變，從而有目的地改造蛋白質(zhì)分子中某活性部位的一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基，最終達(dá)到改善蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能的目的。
引物
突變
DNA聚合酶
DNA連接酶
受體細(xì)胞
轉(zhuǎn)錄
突變
③定點(diǎn)誘變法的過(guò)程示意圖
(2)非定點(diǎn)誘變技術(shù)
①適用對(duì)象：不能預(yù)先確定誘變位點(diǎn)的蛋白質(zhì)
②缺點(diǎn)：目的性和針對(duì)性不夠強(qiáng)
③優(yōu)點(diǎn)：突變位點(diǎn)多，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生意想不到的改造效果
注意：
任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過(guò)的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質(zhì)也是無(wú)法遺傳下去的
02
蛋白質(zhì)工程的設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于已知空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，如人胰島素，可以采用定點(diǎn)誘變技術(shù)，通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)便可有目的地改造蛋白質(zhì)的功能。
生物體內(nèi)的酶有數(shù)千種，但目前能直接被運(yùn)用于工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的酶只有幾十種，絕大多數(shù)酶類在大規(guī)模體外反應(yīng)時(shí)，或喪失原有的催化特異性，或在高溫高壓及存在有機(jī)溶劑條件下會(huì)發(fā)生變性。因此，利用蛋白質(zhì)工程改造蛋白質(zhì)（酶）具有廣闊的應(yīng)用前景。
1.提高蛋白質(zhì)（酶）的穩(wěn)定性
（1）引入二硫鍵提高蛋白質(zhì)（酶）穩(wěn)定性
熱穩(wěn)定的蛋白質(zhì)一般都具有抗有機(jī)溶劑和極端pH的能力。二硫鍵是穩(wěn)定蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的一種共價(jià)鍵，在蛋白質(zhì)分子中引入二硫鍵能顯著提高其穩(wěn)定性。
例： T4 溶菌酶催化速率隨溫度升高而升高，T4 溶菌酶分子含有兩個(gè)未形成二硫鍵的半胱氨酸，實(shí)驗(yàn)表明：向T4溶菌酶引入二硫鍵提高了T4溶菌酶的熱穩(wěn)定性
（2）轉(zhuǎn)換氨基酸殘基提高蛋白質(zhì)（酶）的穩(wěn)定性
在高溫下，蛋白質(zhì)分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的側(cè)鏈上的酰胺基會(huì)發(fā)生脫氨反應(yīng)，進(jìn)而損害其結(jié)構(gòu)和功能。因此，在不影響酶催化活性的前提下，將天冬酰胺和谷氨酰胺殘基轉(zhuǎn)換為其他合適的氨基酸殘基，可以提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性
例：酵母菌的丙糖磷酸異構(gòu)酶的兩個(gè)亞基中各含有兩個(gè)天冬酰胺殘基，分別用蘇氨酸和異亮氨酸殘基替代，大幅度提高了酶的熱穩(wěn)定性
2.改善酶的催化活性
思路：轉(zhuǎn)換氨基酸殘基改善酶催化活性
理論基礎(chǔ)：大量酶蛋白的 X 射線晶體衍射結(jié)果顯示，酶的催化活性中心附近有少數(shù)關(guān)鍵性氨基酸殘基，在很大程度上決定了酶的催化活性
例：將嗜熱芽孢桿菌酪氨酰-tRNA 合成酶分子中的一個(gè)蘇氨酸殘基改變?yōu)楸彼峄蚋彼釟埢鶗r(shí)，酶的活性大幅提高
刪除末端部分氨基酸序列或某些肽段等也可以改善某些酶的催化活性
3.消除酶的被抑制特性
思路：轉(zhuǎn)換氨基酸殘基可以消除酶的被抑制特性
例：枯草芽孢桿菌蛋白酶是一種絲氨酸型蛋白酶，它具有廣譜的蛋白質(zhì)降解能力。但該酶會(huì)因漂白劑的抑制作用而無(wú)法用作洗滌添加劑。將該酶分子中第 222 位的甲硫氨酸殘基轉(zhuǎn)換成半胱氨酸殘基或丙氨酸殘基，酶的活性將不再受漂白劑的抑制
蛋白質(zhì)工程和基因工程的對(duì)比
蛋白質(zhì)工程 基因工程
操作對(duì)象
操作起點(diǎn)
操作水平
結(jié)果
實(shí)質(zhì)
聯(lián)系 基因
基因
DNA分子水平
DNA分子水平
可生產(chǎn)自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)
生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)
通過(guò)改造或合成基因來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)
將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀
①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程；
②蛋白質(zhì)工程離不開基因工程，其包含基因工程的基本操作。
預(yù)期蛋白質(zhì)功能
目的基因
放眼社會(huì)
細(xì)胞內(nèi)所有的生理生化過(guò)程都是由系列酶促反應(yīng)以及選擇性的物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且是可調(diào)控的。在大多數(shù)情況下，細(xì)胞內(nèi)這些過(guò)程需要經(jīng)歷多步酶促反應(yīng)，而這些反應(yīng)又以串聯(lián)的形式組合成為途徑，其中前一反應(yīng)的產(chǎn)物是后一反應(yīng)的底物。
途徑工程利用DNA重組技術(shù)對(duì)生物體內(nèi)的固有代謝途徑進(jìn)行傾向性和功利性的設(shè)計(jì)、修飾和改造，在活的生物細(xì)胞內(nèi)通過(guò)基因操作，局部設(shè)計(jì)、改造和更新固有的代謝途徑，以達(dá)到認(rèn)識(shí)生命、改造生命和優(yōu)化生命的目的。
第三代基因工程——途徑工程
課堂小結(jié)
蛋白質(zhì)工程
設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用
蛋白質(zhì)的改造
過(guò)程
概念
蛋白質(zhì)的改造
定點(diǎn)誘變技術(shù)
非定點(diǎn)誘變技術(shù)
蛋白質(zhì)的改造
蛋白質(zhì)的改造
隨堂小測(cè)
1.蛋白質(zhì)工程是一種通過(guò)操縱和設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)改造蛋白質(zhì)功能的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域。下列敘述錯(cuò)誤的是( )
A.可利用蛋白質(zhì)工程對(duì)胰島素進(jìn)行定向修改
B.改造后的基因可直接導(dǎo)入酵母細(xì)胞中進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)
C.需要利用計(jì)算機(jī)建立蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型
D.在改造蛋白質(zhì)的過(guò)程中需要遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則
解析：改造后的基因需構(gòu)建基因表達(dá)載體后導(dǎo)入酵母細(xì)胞中進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn),B錯(cuò)誤;蛋白質(zhì)工程涉及基因水平的修改,基因的表達(dá)過(guò)程涉及堿基互補(bǔ)配對(duì),D正確。
B
2.T4溶菌酶耐熱性差，若將該酶的第3位氨基酸進(jìn)行改造（如圖所示），并使第3位氨基酸和第97位氨基酸之間形成1個(gè)二硫鍵，可以大大提高其耐熱性。下列敘述錯(cuò)誤的是( )
A.根據(jù)T4溶菌酶的氨基酸序列可推測(cè)出多種脫氧核苷酸序列
B.T4溶菌酶耐熱性提高的原因是其氨基酸的種類和數(shù)量均發(fā)生改變
C.改造T4溶菌酶可利用基因定點(diǎn)突變技術(shù)，對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造
D.改造后的T4溶菌酶需要進(jìn)行功能鑒定才能應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐
解析：A、由于一種氨基酸可能對(duì)應(yīng)多種密碼子，因此根據(jù)設(shè)計(jì)的T4溶菌酶的氨基酸序列可能推測(cè)出多種脫氧核苷酸序列，A正確；B、根據(jù)題意“科學(xué)家通過(guò)相關(guān)研究，最終使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼帷笨芍琓4溶菌酶耐熱性提高的原因是組成該酶的氨基酸種類和排列順序發(fā)生了改變，而氨基酸的數(shù)量沒(méi)變，B錯(cuò)誤；C、根據(jù)題意，改造T4溶菌酶可以從合成蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造，因此可利用基因定點(diǎn)突變技術(shù)，對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，C正確；D、該實(shí)例將蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，屬于蛋白質(zhì)工程的范疇，T4溶菌酶本質(zhì)為蛋白質(zhì)，可利用抗原—抗體特異性結(jié)合的特點(diǎn)對(duì)該酶進(jìn)行檢測(cè)，D正確。
B
解析：蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求,對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造,A正確;蛋白質(zhì)工程中的操作對(duì)象是基因,B錯(cuò)誤;由于人的T細(xì)胞可以產(chǎn)生Y,故可以從人的T細(xì)胞中提取mRNA,經(jīng)過(guò)逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA,來(lái)獲取編碼Y的基因,C正確；因?yàn)榈鞍踪|(zhì)工程本質(zhì)上改造的是基因,故經(jīng)改造后的Y的熱穩(wěn)定性提高這一性狀可遺傳,D正確。
3.人的T細(xì)胞可以產(chǎn)生某種具有臨床價(jià)值的蛋白質(zhì)(Y), 天然的Y通常需要在低溫下保存,若將Y的第6位氨基酸甲改變?yōu)榘被嵋?可提高其熱穩(wěn)定性。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )
A.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的需求,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造
B.蛋白質(zhì)工程中的操作對(duì)象是蛋白質(zhì)或控制蛋白質(zhì)合成的基因
C.若要獲得編碼Y的基因,可從人的T細(xì)胞中提取RNA,逆轉(zhuǎn)錄合成DNA
D.經(jīng)改造后的Y的熱穩(wěn)定性提高這一性狀可遺傳
B
4.天然胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，皮下注射后往往要逐漸解離為單體，才能發(fā)揮作用，在一定程度上延緩了療效。科學(xué)家利用蛋白質(zhì)工程(基本思路如圖)研發(fā)出速效胰島素，已在臨床上廣泛應(yīng)用。下列有關(guān)敘述正確的是( )
A.當(dāng)前限制蛋白質(zhì)工程發(fā)展的關(guān)鍵因素是基因工程技術(shù)還不成熟
B.從六聚體胰島素解離為單體形式是將胰島素水解為氨基酸
C.利用基因工程和蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)胰島素都經(jīng)歷①②過(guò)程
D.利用蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)速效胰島素要從推測(cè)b入手
C
4.解析：A、當(dāng)前限制蛋白質(zhì)工程發(fā)展的關(guān)鍵因素是蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，人們對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)了解太少，A錯(cuò)誤；B、由題干信息可知，經(jīng)過(guò)蛋白質(zhì)工程改造后，發(fā)揮作用的仍是胰島素分子，所以從六聚體胰島素解離為單體形式是將六個(gè)胰島素形成的六聚體水解為單個(gè)胰島素的過(guò)程，B錯(cuò)誤；C、利用基因工程和蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)胰島素都經(jīng)歷找到對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）→轉(zhuǎn)錄（①）形成mRNA(c)→翻譯（②）獲得所需要的蛋白質(zhì)過(guò)程，C正確；D、蛋白質(zhì)工程中，首先根據(jù)預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此利用蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)速效胰島素要從設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)（a）入手，D錯(cuò)誤。
A.基因定點(diǎn)突變的原理是使基因發(fā)生堿基對(duì)的替換
B.誘變寡核苷酸引物的延伸需要消耗四種核糖核苷酸
C.突變基因的合成是以正常基因的單鏈作為模板的
D.延伸過(guò)程遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，且需要DNA聚合酶的催化
5.基因定點(diǎn)突變技術(shù)通過(guò)改變基因特定位點(diǎn)的核苷酸來(lái)改變蛋白質(zhì)的氨基酸序列，常用于研究某個(gè)氨基酸對(duì)蛋白質(zhì)的影響，其原理是利用人工合成的誘變寡核苷酸引物和多種酶來(lái)合成突變基因，過(guò)程如圖所示。下列分析錯(cuò)誤的是( )
解析：本題考查蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用。定點(diǎn)突變改變特定位點(diǎn)的核苷酸，先是人工合成誘變寡核苷酸引物，隨后經(jīng)過(guò)延伸和復(fù)制，產(chǎn)生新的突變基因，A正確；誘變寡核苷酸引物的延伸需要消耗四種脫氧核苷酸，B錯(cuò)誤；突變基因的合成以正常基因的單鏈為模板，C正確；延伸過(guò)程中遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，該過(guò)程需要將脫氧核苷酸連接起來(lái)，所以需要DNA聚合酶的催化，D正確
B

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