人教版 (2019)选择性必修3科技探索之路 基因工程的诞生和发展教课课件ppt

这是一份人教版 (2019)选择性必修3科技探索之路 基因工程的诞生和发展教课课件ppt，共35页。PPT课件主要包含了教学目标，知识目标，能力目标，情感态度与价值观，教学重难点，何谓蛋白质工程，课堂小结，表达转录和翻译，行使生物功能，预期的蛋白质功能出发等内容，欢迎下载使用。

美国科研人员发现流感病毒的“死穴”核蛋白
1、举例说出蛋白质工程崛起的缘由。
尝试运用逆向思维分析和解决问题。
2、简述蛋白质工程的原理。
关注蛋白质工程的进展以及实施工程的目标，论述了蛋白质工程取得的若干研究进展，并展望了其未来发展趋势。
1、为什么要开展蛋白质工程的研究。
2、蛋白质工程的原理。
1983年美国科学家Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。
一、蛋白质工程崛起的缘由
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生本身不能产生的蛋白质，从而表现出新的性状。
在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。
在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为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。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：
3、延长药用蛋白的保存期
4、抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等
通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。其中基因工程是关键技术。
因此蛋白质工程又被称为第二代基因工程。
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。
基因修饰或基因合成：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术
二、蛋白质工程的基本原理
对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需要。
由于基因决定蛋白质，因此，要对蛋白质的结构进行改造，最终还必须通过基因来完成。
通过基因工程来改造蛋白质
蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。而蛋白质工程的过程却与之相反。
从生物体中分离纯化目的蛋白；
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;
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；
设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；
分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。
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。
（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。
每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出16种，可以让学生根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出mRNA序列为GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。
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。
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。
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。
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。
癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。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。
蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。
三、蛋白质工程的进展和前景
蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。
当前，蛋白质工程修饰、改造的蛋白质为数不算多，但进展较快。随着基因组测序的国际联合行动的快速进展，也带来并已出现了蛋白质高速发展的新阶段。
许多蛋白质工程的目标是设法提高蛋白质的稳定性。在酶反应器中可延长酶的半衰期或增强其热稳定性，也可以延长治疗用蛋白质的贮存寿命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在这个领域已取得了一些重要研究成果。用蛋白质工程来改造特殊蛋白质为制造特效抗癌药物开辟了新途径。
蛋白质工程正在成为改造农业，大幅度提高粮食产量的新途径。近年来，美国坎布里奇的雷普里根公司的科研人员立题，以蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，他们实施对微生物蛋白质结构进行修改，仅此一举，使微生物农药的杀虫率提高了10倍。
蛋白质工程在工业上的应用取得的成果亦是很多。现以改变酶的动力学特性研制出高效除污酶为例说明其应用价值。
另外，美国、日本等国家的科学工作者利用蛋白质工程研制生物元件来取代“硅芯片”，研制生物计算机，开发生物传感器的蛋白质都取得了重大进展。还有利用蛋白质（酶）生产模仿羊毛、蚕丝、蜘蛛丝，其强度高、质量轻，均是蛋白质工程取得的应用性研究成果。
比较基因工程和蛋白质工程
形成氨基酸序列的多肽链
天然蛋白质的合成途径：
形成具有高级结构的蛋白质
找到相应的脱氧核苷酸序列酸
1.蛋白质工程的目标是根据对蛋白质（ ） 的特定需求，对蛋白 质的（ ）进行分子设计。
如：玉米的赖氨酸含量低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键的酶（ ）和（ ）的活性受赖氨酸浓度的影响，如果将（ ）中的第352位的苏氨酸变为（ ），把（ ）中第104位的天冬酰胺变成（ ）就可以提高玉米中的氨基酸含量2-5倍。
2.蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（ ）
3.科学家将β干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高β-干扰素的抗病性活性，并且提高了储存稳定性，该生物技术为 （ ）