高中生物第3章 基因工程第4节 蛋白质工程的原理和应用完美版ppt课件

这是一份高中生物第3章 基因工程第4节 蛋白质工程的原理和应用完美版ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了CONTENT，蛋白质工程崛起的缘由，蛋白质工程的基本原理，蛋白质工程的应用等内容，欢迎下载使用。
1. 举例说出蛋白质工程崛起的缘由。（生命观念）
2. 概述蛋白质工程的基本原理。（生命观念）
3. 运用蛋白质工程技术解决实际问题。（社会责任）
琼脂艺术是新兴的一种艺术流派，是通过特定模式培养微生物，用琼脂板当成画布，有色的细菌当作颜料，在充分发酵培育后创作而成的微生物艺术作品。
科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
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?
01 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(天然蛋白质)
天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要
需要对天然蛋白进行改造产生更符合人类需要的蛋白质
实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
结构和功能符合特定物种生存的需要
理论和技术条件: 分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶：天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。
如果我们将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
02 蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程是指以 ____________________ 及其与 ______________ 作为基础,通过 _____ 或 ________ ,来改造 __________ ,或 ____________ 蛋白质,以满足____________________。
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。
改造的蛋白质、新的蛋白质。
a、基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质b、天然蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要
生产符合人类生产和生活需要的、并非自然界已存在的蛋白质
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。
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。
蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能
天然蛋白质的合成过程与性状表达
表达生物特有的功能或性状
03 改造蛋白质的方法
从预期的蛋白质功能出发
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
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
蛋白质（三维结构）
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：
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。
苯丙氨酸（UUU、UUC）
丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)
赖氨酸 (AAA、AAG）
谷氨酸（GAA、GAG）
mRNA序列为: GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA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）
共__32__ 种可能序列
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。
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质。
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
①主要集中在对现有蛋白质进行改造，②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少
①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化
①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②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
如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
是否对原有基因进行改造
03 蛋白质工程的应用
01 在医药工业方面的应用
（1）研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体
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
改变B链第20～29位氨基酸组成
（2）延长干扰素体外保存时间
一个半胱氨酸变成丝氨酸
在-70℃下可以保存半年
（3）提高蛋白质的热稳定性
T4溶菌酶的改造过程示意图
与第97位的半胱氨酸形成-s-s-
（4）制备人鼠嵌合抗体
小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
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
02 在工业方面的应用
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
改进酶的性能，从而提高其使用价值。如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的_________，从中筛选出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。
枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。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。
03 在农业方面的应用
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。
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。
组织纤溶酶原激活物(t-PA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。但 t-PA用于溶栓治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物 形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程技术对t-PA进行改造，就可以消除上述缺点， 从而增加溶栓效能，减少药用剂量并降低副作用。
改变蛋白质的活性，延长作用时间
延长白细胞介素-2的作用时间白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，能够促进T淋巴细胞增殖以及增强某些免疫细胞的活性，已被广泛运用于各种肿瘤和病毒感染疾病的治疗。IL-2作为临床药物在血浆中的作用时间较短，治疗期间需要频繁给药。科学家通过蛋白质工程，将长效人血清白蛋白（HSA)与IL-2重组，获得了一种新的融合蛋白（HSA/IL-2),这种融合蛋白既具有普通IL-2的生物活性，作用时间又有所延长，可明显提高IL-2的疗效。
蛋白质工程是一项难度很大的工程
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。
科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？
蛋白质食品的工厂化生产想象图
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
1. 蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。
2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是（ ）
改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
研究蛋白质的氨基酸组成
获取编码蛋白质的基因序列信息
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）