3.4 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用 課件+素材（新人教版2019選擇性必修3-高二生物）

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第三章 基因工程第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用新人教版2019選擇性必修三學(xué)習(xí)目標(biāo)理解蛋白質(zhì)的原理（生命觀念）用列表法比較蛋白質(zhì)工程和基因工程（科學(xué)思維）你見過用細菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細菌“畫"的美妙圖案。這些細菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造的呢？熒光蛋白發(fā)出的光穿透性極強，即使蛋白質(zhì)位于小動物體內(nèi)深處，其發(fā)出的光也可以穿透生物體外界看到。在癌癥研究過程中，熒光蛋白的出現(xiàn)使得科學(xué)家們能夠觀測到腫瘤細胞的具體活動，比如中休息寶的成長、入侵、轉(zhuǎn)移和新生。DNARNA肽鏈具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)的合成過程與性狀表達蛋白質(zhì)只有具有一定空間結(jié)構(gòu)，才能表達特有性狀或具有特定功能新課講授1一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程是指以 及其與 作為基礎(chǔ),通過 或 ,來改造 ,或 蛋白質(zhì),以滿足 。蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律生物功能的關(guān)系改造合成基因現(xiàn)有蛋白質(zhì)制造一種新的人類生產(chǎn)和生活的需求對本概念的理解應(yīng)從以下幾個方面進行：①基礎(chǔ)：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；②手段：基因修飾或基因合成；③改造對象：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是改造控制該蛋白質(zhì)合成的基因的結(jié)構(gòu)；④產(chǎn)物：改造的蛋白質(zhì)、新的蛋白質(zhì)?；蚬こ痰膶嵸|(zhì)及缺陷（1）實質(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)，進而表現(xiàn)出新性狀。（2）缺陷：原則上，基因工程只能產(chǎn)生自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程的崛起主要是由于工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。（1）天然蛋白質(zhì)的缺陷：天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的，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。（2）蛋白質(zhì)工程的目的：生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活需要的非天然蛋白質(zhì)。合成時需：天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。實例你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎?它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系?我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)?新課講授2二、蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，生產(chǎn)符合人們需求的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)由于基因決定蛋白質(zhì)，因此要對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，最終還必須通過改造或合成基因來完成。蛋白質(zhì)工程的原理預(yù)期功能生物功能預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列→合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)某多肽鏈的一段氨基酸序列是：1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸虛列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。每種氨基酸都有對應(yīng)的密碼子，只要查一下遺傳密碼子表就能將氨基酸蓄力的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多種密碼子編碼的，所以相應(yīng)的堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排列32種，可根據(jù)學(xué)過的排列組合知識自己排列一下。首先應(yīng)根據(jù)密碼子推出mRNA序列，再根據(jù)堿基互補配對原則推出脫氧核苷酸序列丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG賴氨酸： AAA 、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU 、UUC丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC色氨酸： ACC賴氨酸：TTT 、TTC甲硫氨酸：TAC苯丙氨酸：TTT 、TTG2.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，可以根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的方法獲取。根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對蛋白質(zhì)的改造可分為三類：（1）大改：設(shè)計并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)（2）中改：在蛋白質(zhì)分子中替換某一個肽段或某一個特定的結(jié)構(gòu)域。（3）大改：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個氨基酸殘基新課講授3三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用在醫(yī)藥方面的應(yīng)用（1）研發(fā)速效胰島素類似物：科學(xué)家通過改造___________使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了_______________，研發(fā)出速效胰島素類似物。胰島素基因胰島素的聚合（3）改造抗體：將小鼠單克隆抗體上______________________“嫁接”到人的抗體上，降低了誘發(fā)人體免疫反應(yīng)的強度。（2）提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個___________變成___________，提高了干擾素的保存時間。半胱氨酸絲氨酸結(jié)合抗原的區(qū)域（2）開發(fā)新的工業(yè)用酶。在工業(yè)方面的應(yīng)用（1）改進酶的性能，從而提高其使用價值。如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的_________，從中篩選出符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。突變體在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用（1）嘗試改造某些調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使其防治病蟲害的效果增強。實例水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由65或66個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗活性提高4倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。水蛭素改造蛋白質(zhì)工程與中心法則的關(guān)系（1）蛋白質(zhì)工程的過程是中心法則的逆推。中心法則中遺傳信息的傳遞過程是：基因→ mRNA →氨基酸種類和序列→蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能。而蛋白質(zhì)工程的操作過程與之相反：由預(yù)期的蛋白質(zhì)的功能出發(fā)，逆著中心法則方向推出控制該蛋白質(zhì)合成的 DNA 序列。中心法則和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識是蛋白質(zhì)工程設(shè)計的核心理論。（2）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造基因也就是對蛋白質(zhì)進行改造，并且改造過的基因可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子也無法遺傳給下一代。（3）對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質(zhì)獲取目的基因→構(gòu)建基因表達載體→導(dǎo)入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定通過改造相應(yīng)的基因達到對蛋白質(zhì)進行改造的目的基因重組可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)①主要集中在對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等②對創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)還有許多技術(shù)難題未突破，因為蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們對此知之甚少①已被廣泛應(yīng)用，如轉(zhuǎn)基因植物、動物、藥品生產(chǎn)等已商業(yè)化②基因治療僅處于初期的臨床試驗階段①蛋白質(zhì)工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預(yù)期蛋白質(zhì)②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1.基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進行操作。（ ）基礎(chǔ)檢測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（ ）××