資源簡介

(共33張PPT)
生物學(xué)（新人教版）
生物技術(shù)與工程
第三章 基因工程
第 4 節(jié)
蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用
Biology
從社會(huì)中來
你見過用細(xì)菌畫畫嗎？
科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？
科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)正下方的第203位的蘇氨酸替換為略氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。
①基礎(chǔ)：
②操作手段及對(duì)象：
③結(jié)果：
④目的：
⑤困難：
蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系
改造或合成基因
改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)
獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)
蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。
蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。
蛋白質(zhì)工程
是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。
(1)概念：
(2)特點(diǎn)：
蛋白質(zhì)工程崛起緣由
一
(1)實(shí)質(zhì)：
基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它原本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新性狀。
(2)不足：
基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。
1.基因工程的實(shí)質(zhì)及不足
天然蛋白質(zhì)是生物長期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。
破壞鱗翅目昆蟲的消化系統(tǒng)
殺死棉鈴蟲
蘇云金芽孢桿菌
產(chǎn)生
Bt基因
伴胞晶體蛋白
(Bt抗蟲蛋白)
表達(dá)
破壞鱗翅目昆蟲的消化系統(tǒng)
殺死棉鈴蟲
導(dǎo)入
抗蟲棉
培育
目的基因
核DNA
賴氨酸合成
調(diào)控
達(dá)到一定濃度
兩種酶的活性
352位的蘇氨酸變成異亮氨酸
二氫吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
+
104位的天冬酰胺變成異亮氨酸
賴氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
2.實(shí)例：提高玉米賴氨酸含量
蛋白質(zhì)工程是怎樣進(jìn)行的呢？基本原理是什么？
過渡
蛋白質(zhì)工程的基本原理
二
(1)蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：
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。
(2)改造蛋白質(zhì)的方法：
改造或合成基因
(1)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)也是無法遺傳的。
(2)對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多。
為什么蛋白質(zhì)工程需改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？
1.基因工程的目標(biāo)和方法
思考：
按照中心法則進(jìn)行
基因
表達(dá)
形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈
形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)
行使生物功能
2.天然蛋白質(zhì)合成過程
轉(zhuǎn)錄
翻譯
從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。
逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過程相反
3.蛋白質(zhì)工程的基本思路
蛋白質(zhì)工程的基本思路
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)
應(yīng)有的氨基酸序列
推測
改造或合成
轉(zhuǎn)錄
翻譯
生物功能
行使
DNA
mRNA
蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用
思考 討論
1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。
提示：
查密碼子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、
賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
CGA（或G或T或C）ACC TTT（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）
mRNA序列為：
DNA序列為：
某多肽鏈的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
……
……
色氨酸
賴氨酸
苯丙
氨酸
蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用
思考 討論
2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？
確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫中獲取目的基因。對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基的替換、增添等。
提示：
天然蛋白質(zhì)
改造蛋白質(zhì)
蛋白質(zhì)工程已有哪些實(shí)際的應(yīng)用呢？
過渡
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
三
天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體
預(yù)期結(jié)構(gòu)
改造
B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置
新胰島素基因
轉(zhuǎn)錄
mRNA
折疊
預(yù)期功能
行使功能
降低胰島素的聚合作用
設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
改變B鏈第20～29位氨基酸組成
推測序列
翻譯
多肽鏈
有效抑制胰島素的聚合
(1)研發(fā)速效胰島素類似物
1.醫(yī)藥工業(yè)方面
(2)延長干擾素體外保存時(shí)間
天然干擾素
（體外保存困難）
改造后的干擾素
（-70℃可保存半年）
半胱氨酸
絲氨酸
干擾素在體外保存相當(dāng)困難
將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸
在-70℃下干擾素可保存半年
1.醫(yī)藥工業(yè)方面
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
(3)降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)
鼠抗體
人抗體
恒定區(qū)
可變區(qū)
嵌合抗體
對(duì)人體的不良反應(yīng)減少
1.醫(yī)藥工業(yè)方面
恒定區(qū)
可變區(qū)
蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用
(1)改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶
如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，提高該酶的使用價(jià)值。
2. 在其他工業(yè)方面
枯草桿菌蛋白酶
枯草桿菌
(1)改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量。
3. 在農(nóng)業(yè)方面
伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥
(2)設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲害的效果增強(qiáng)。
3. 在農(nóng)業(yè)方面
蛋白質(zhì)工程
本節(jié)小結(jié)
理論基礎(chǔ)
技術(shù)手段
目標(biāo)
基本思路
實(shí)踐應(yīng)用
蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系
通過改造或合成基因,來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)
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
從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。
藥物研發(fā)
改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶
增加糧食產(chǎn)量、研發(fā)新型農(nóng)藥
1.蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸。判斷下列相關(guān)表述是否正確。
(1)基因工程需要在分子水平對(duì)基因進(jìn)行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對(duì)基因進(jìn)行操作。 ( )
(2)蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有氨基酸序列。 ( )
(3)蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。 ( )
×
×
√
教材課后習(xí)題·概念檢測
2、蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是 ( )
A .分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)
B .研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成
C .獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息
D .改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求
D
教材課后習(xí)題·概念檢測
3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽鏈 D、蛋白質(zhì)
A
教材課后習(xí)題·概念檢測
T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇 在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么 如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作
教材課后習(xí)題·拓展應(yīng)用
這項(xiàng)工作屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是基因的堿基序列發(fā)生了變化。如果要將改造后的T4溶菌酶應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,還有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,因此它的一些基本特性需要重新明確,包括它能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等;需要建立規(guī)模化生產(chǎn)該酶的技術(shù)體系,評(píng)估生產(chǎn)成本等。
1．某動(dòng)物體內(nèi)含有研究者感興趣的目的基因，研究者欲將該基因?qū)氪竽c桿菌的質(zhì)粒中保存。該質(zhì)粒含有氨芐青霉素抗性基因（AmpR）、LacZ基因及一些酶切位點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)和簡單的操作步驟如下圖所示。
注：LacZ 基因編碼產(chǎn)生的 β- 半乳糖苷酶可以分解 X - gal產(chǎn)生藍(lán)色物質(zhì)，使菌落呈現(xiàn)藍(lán)色；否則菌落為白色。
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
請(qǐng)根據(jù)以上信息回答下列問題。
（1）在第 2 步中，應(yīng)怎樣選擇限制酶？
應(yīng)選擇用相同的限制酶或切割能產(chǎn)生相同末端的限制酶切割質(zhì)粒和
含有目的基因的DNA片段，并且注意限制酶的切割位點(diǎn)不能位于目的
基因的內(nèi)部，以防破壞目的基因，限制酶也不能破壞質(zhì)粒的啟動(dòng)子、
終止子、標(biāo)記基因、復(fù)制原點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
（2）在第 3 步中，為了使質(zhì)粒DNA與目的基因能連接，還需要在混合物中加入哪種物質(zhì)？
（3）選用含有AmpR和LacZ基因的質(zhì)粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有哪些優(yōu)勢？
（4）含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落將呈現(xiàn)什么顏色？為什么？
加入DNA連接酶。
該質(zhì)粒便于進(jìn)行雙重篩選。標(biāo)記基因AmpR基因可用于檢測質(zhì)粒是否導(dǎo)入了大腸桿菌，一般只有導(dǎo)入了質(zhì)粒的大腸桿菌才能在添加了青霉素的培養(yǎng)基上生長。而由于LacZ基因的效應(yīng)，這些生長的菌落可能出現(xiàn)兩種顏色：含有空質(zhì)粒（沒有連接目的基因的質(zhì)粒）的大腸桿菌菌落呈藍(lán)色；含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。
含有重組質(zhì)粒的大腸桿菌菌落呈白色。因?yàn)槟康幕虻牟迦肫?br/>壞了LacZ基因的結(jié)構(gòu)，使其不能正常表達(dá)，形成β-半乳糖苷酶，
底物X-gal也就不會(huì)被分解
2．科學(xué)家將 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和 Klf4基因通過逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，然后在培養(yǎng)ES細(xì)胞的培養(yǎng)基上培養(yǎng)這些細(xì)胞。2 3周后，這些細(xì)胞顯示出ES細(xì)胞的形態(tài)、具有活躍的分裂能力，它們就是iPS細(xì)胞。請(qǐng)回答下列問題。（1）在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，逆轉(zhuǎn)錄病毒的作用是什么？
（2）如何證明iPS細(xì)胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的作用？
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
逆轉(zhuǎn)錄病毒是載體，能將外源基因Oct3/4、
Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纖維細(xì)胞。
可以設(shè)置對(duì)照組。將轉(zhuǎn)入外源基因和沒有轉(zhuǎn)人外源基因的細(xì)胞分別培養(yǎng)
在相同的培養(yǎng)基中，并確保其他培養(yǎng)條件相同。如果只有轉(zhuǎn)入外源基因
的細(xì)胞轉(zhuǎn)化成了iPS細(xì)胞，就可以證明iPS細(xì)胞的產(chǎn)生不是由于培養(yǎng)基的
作用。
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
（3）如果要了解Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4基因在誘導(dǎo)產(chǎn)生iPS細(xì)胞時(shí)，每個(gè)基因作用的相對(duì)大小，該如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？請(qǐng)你給出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路。
可以依次去掉1個(gè)基因，將其他3個(gè)基因轉(zhuǎn)入小鼠成纖維細(xì)胞中，
然后通過與轉(zhuǎn)入4個(gè)基因的小鼠成纖維細(xì)胞的誘導(dǎo)情況進(jìn)行比較，
來推測缺失的那個(gè)基因?qū)φT導(dǎo)iPS細(xì)胞的影響，
進(jìn)而判斷每個(gè)基因作用的相對(duì)大小。（其他合理答案均可）
（4）若將病人的皮膚成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)成iPS細(xì)胞，再使它轉(zhuǎn)化為需要的細(xì)胞，用這些細(xì)胞給該病人治病，這是否會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)？為什么？ iPS細(xì)胞具有分裂活性，用它進(jìn)行治療時(shí)可能存在什么風(fēng)險(xiǎn)？
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
不會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)，因?yàn)樵谡T導(dǎo)轉(zhuǎn)化的過程中細(xì)胞的遺傳物質(zhì)
沒有發(fā)生變化，理論上產(chǎn)生的還是“自體”細(xì)胞。
iPS細(xì)胞擁有分化為各種細(xì)胞的潛能，因此存在分化成腫瘤細(xì)胞的風(fēng)險(xiǎn)。
3．水稻根部一般沒有根瘤菌，在種植時(shí)常需要施加氮肥?？茖W(xué)家想利用基因工程技術(shù)來減少施用氮肥的生產(chǎn)成本及可能造成的環(huán)境污染，他們提出了以下兩種方案。
方案一 把根瘤菌的固氮相關(guān)基因?qū)胨靖滴⑸镏?，使微生物能在根系處固氮，從而減少氮肥的施用量。
方案二 直接將固氮相關(guān)基因?qū)胨炯?xì)胞中，建立水稻的“小型化肥廠”，讓水稻直接固氮，這樣就可以免施氮肥了。
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
區(qū)別硝化細(xì)菌--自養(yǎng)生物
異養(yǎng)生物
（1）請(qǐng)?jiān)u估這兩種方案哪種更容易實(shí)現(xiàn)。
（2）如果兩個(gè)方案都實(shí)現(xiàn)的話，你認(rèn)為哪種更值得推廣？
請(qǐng)說出你的理由。
教材課后習(xí)題·復(fù)習(xí)與提高
從親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近來看，固氮相關(guān)基因可能更容易在水稻根系微生物中
穩(wěn)定存在和表達(dá)，進(jìn)而使其具有固氮的能力。（其他合理答案均可）
此題不要求有唯一的答案，學(xué)生可從便捷性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等角
度進(jìn)行分析，言之成理即可。例如，從便捷性角度認(rèn)為能固氮的水
稻新品種更值得推廣；
或從轉(zhuǎn)基因安全性角度認(rèn)為能固氮的水稻根系微生物更值得推廣等。
謝謝觀看

展開更多......

收起↑