高中生物第4节 蛋白质工程的原理和应用教课课件ppt

这是一份高中生物第4节 蛋白质工程的原理和应用教课课件ppt，共30页。PPT课件主要包含了改造或合成基因，蛋白质工程，蛋白质工程定义，赖氨酸合成，达到一定浓度，两种酶的活性，赖氨酸含量，结构规律，生物功能，基因修饰等内容，欢迎下载使用。
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？
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的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一一黄色荧光蛋白。
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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。 ①基础：___________________________________ ②操作：___________________________________ ③操作对象：_______________________________ ④目的：___________________________________ ___________________________________ ⑤地位：___________________________________ ⑥理论和技术：_____________________________
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
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
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
分子生物学、晶体学和计算机技术
2.蛋白质工程崛起的缘由
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
3.蛋白质工程的基本原理
预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
①基础：蛋白质分子的 及其与 的关系。
②手段：通过 或 ，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。
某多肽链的一段氨基酸序列是：
思考：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?
思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用
每种氨基酸都有对应的密码子，只要査一下密码子表,就可以将题中的氨基酸序列的编码序列査出来。但是由于题中的氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码的，因此其碱基排列组合起来就比较复杂。首先应该根据密码子推出mRNA序列，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列。
思考：2.确定目的基因的碱基序列后，怎样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。
例1.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字)(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______； ②______；③______；④______；⑤__________。(3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。
根据人们对蛋白质功能的特定需求，
对蛋白质的结构进行分子设计
以据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质
改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构
利用基因工程中的定点诱变技术，改造蛋白质分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基
（1）对蛋白质的结构进行设计和改造，最终是通过改造基因来实现的。（2）改造基因的方法：定点突（诱）变、基因融合和基因拼接。
5.根据基因工程的原理进行蛋白质的设计和改造
①寡核苷酸引物介导的定点突变
②PCR介导的定点突变
（1）提高蛋白质的热稳定性
（2）改变蛋白质的活性，延长作用时间
【材料1】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。
【材料2】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。
（3）提高蛋白质的效能
天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体,皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程,这在一定程度上延缓了疗效。因此,科学家希望对胰岛素进行改造,从而降低它的聚合作用。研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现,人胰岛素由A链和B链构成,其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域,改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。目前,科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造,使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置,从而有效抑制了胰岛素的聚合,由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。
小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种 鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥， 不能直接用于人体。嵌合抗体（chimeric antibdy）就是保留鼠单克隆抗体的可变区，而 用人抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区， 这种嵌合抗体的抗原性显著下降，而抗体的特 异识别功能没有丧失（图1-1-22）。目前，已有多种嵌合抗体用于临床治疗。
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，高级结构非常复杂。
血红蛋白的三维结构模型
要设计出更符合人类需要的蛋白质还需不断地攻坚克难。随着科技的发展，蛋白质工程将会给人带来更多的福祉。
获取目的基因→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
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测相应核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
生产自然界中没有的蛋白质
生产自然界中已有的蛋白质
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二者都是通过基因表达产生特定的蛋白质。
一、概念检测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。 （ ）
一、概念检测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 （ ）A.分析蛋白质的三维结构B.研究蛋白质的氨基酸组成C.获取编码蛋白质的基因序列信息D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求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（ ）A.基因 B.氨基酸　　C.多肽链 D.蛋白质
二、拓展应用T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。
(1)应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。(2)加入DNA连接酶。(3)该质粒便于进行双重筛选。标记基因AmpR基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒（没有连接目的基因的质粒）的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。(4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就不会被分解。
(1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sx2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。(2)可以设置对照组。将转入外源基因和没有转人外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。(3)可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可）(4）不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。
3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。方案一　把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。方案二　直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。(1)请评估这两种方案哪种更容易实现。
从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。