3.4 《蛋白质工程的原理和应用》课件

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第4节 蛋白质工程的原理和应用从社会中来 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？科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。用细菌“画”的画情景回顾 将一种生物的基因转移到另一种生物的体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质 ，进而表现出新性状。①基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。②天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。局限性：蛋白质工程定义 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，以满足人类的生产和生活的需求。自主学习为什么要改造？自主学习怎么改造？情景视频基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。操作方法及对象：改造或合成基因。结果：改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。目的：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。蛋白质工程的实质：相关学科及技术：分子生物学、晶体学和计算机技术。是对编码蛋白质的基因进行改造。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。蛋白质工程蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的应用蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程的原理和应用天然蛋白质的缺陷： 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。实例对天然酶的改造：玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。实例：对天然酶的改造1.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。2.蛋白质工程的实质：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。3.天然蛋白质合成的过程：天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。基因→表达（转录和翻译）→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→行使生物功能。4.蛋白质工程的基本思路：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。5. 蛋白质工程流程图预期的蛋白质功能合成新的基因设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相应的核苷酸序列所需蛋白质思考·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：讨论: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，怎样才能合成或改造目的基因？查密码子表得知：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）。推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）进一步推知脱氧核苷酸序列为：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）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：讨论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。确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。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：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？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，其包含基因工程的基本操作。预期蛋白质功能目的基因蛋白质工程和基因工程的比较是否合成新的基因蛋白质工程是否对原有基因进行改造蛋白质工程基因工程看蛋白质看基因是否为天然蛋白质蛋白质工程基因工程蛋白质工程和基因工程的比较思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？【自主学习】自主阅读课本P95相关内容，总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。天然蛋白质易形成二聚体或六聚体预期结构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mRNA降低胰岛素的聚合作用改变B链第20～29位氨基酸组成多肽链有效抑制胰岛素的聚合1、医药工业方面（1）研发速效胰岛素类似物1、医药工业方面天然干扰素不易保存预期结构一个半胱氨酸变成丝氨酸新干扰素基因mRNA延长保存时间氨基酸替换多肽链在-70℃下可以保存半年（2）延长干扰素体外保存时间1、医药工业方面（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。3、农业方面（1）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。（2）利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。2、其他工业方面一、蛋白质工程崛起的缘由： 基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。二、蛋白质工程的基本原理： 预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。三、蛋白质工程的应用1.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( ) A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要。 B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构。 C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子。 D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程。B3.IKK激酶参与动物体内免疫细胞的分化。临床上发现某重症联合免疫缺陷(SCID)患儿IKK基因编码区第1183位碱基T突变为C,导致IKK上第395位酪氨酸被组氨酸代替。为研究该患儿发病机制,研究人员利用纯合野生鼠应用大引物PCR定点诱变技术培育出SCID模型小鼠(纯合),主要过程如图甲、乙。分析回答:(1)在PCR反应体系中,需加入引物、IKK基因、缓冲液、Mg2+等外,还需加入　　　　 　等。 (2)在图甲获取突变基因过程中,需要以下3种引物:则PCR1中使用的引物有　　　　　　,PCR2中使用的引物有　　　和图中大引物的　　　(填“①”或“②”)链。  (3)PCR的反应程序:94 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 50 s,30个循环。在循环之前的94 ℃ 3 min处理为预变性;循环中72 ℃处理的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (4)研究人员经鉴定、筛选获得一只转基因杂合鼠F0,并确认突变基因已经稳定同源替代IKK基因,请你设计完成获得SCID模型鼠的实验步骤:①杂交亲本:　　　　　　　　,杂交得F1; ②F1雌、雄鼠随机交配得F2; ③提取F2每只小鼠的基因组DNA,采用分子生物学方法,利用IKK基因探针和突变基因探针进行筛选, 则　　　 　　 　　 　　 　　　 　　 　的为模型鼠。 耐高温DNA聚合酶、4种脱氧核苷酸(dNTP)引物A和引物B引物C②耐高温的DNA聚合酶从引物起始进行互补链合成F0×野生鼠IKK基因探针检测未出现杂交带,突变基因探针检测出现杂交带课程结束