高中生物 第一单元 生物技术与生物工程 第一章 基因工程和蛋白质工程 1.1.3 蛋白质工程课件 中图版选修3

第三节第三节 蛋白质工程蛋白质工程 课程标准 简述蛋白质工程。 课标解读 1简述蛋白质工程的概念与原理。 2举例说出蛋白质工程的基本过程。 3举例说出蛋白质工程的应用。 蛋白质工程是指根据蛋白质的_和_之间的关系，按照人类自身的需要，利用生物技术手段对蛋白质的_或直接对蛋白质进行_， 从而创造出自然界_、_的蛋白质分子。由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，因此蛋白质工程也被称为_。蛋白质分子的设计蛋白质分子的设计1蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念精细结构精细结构生物活性生物活性DNA编码序列编码序列有目的的改造有目的的改造本不存在的本不存在的具有优良特性具有优良特性第二代基因工程第二代基因工程 蛋白质的分子设计分三类：一是小范围改造，就是对已知结构的蛋白质进行少数_的替换，从而_蛋白质的性质和功能；二是对_的蛋白质进行_， 期望_相应的功能；三是对蛋白质从头设计，从_ _出发，设计制造出自然界_ _，使之具有特定的空间结构和预期功能。2蛋白质的分子设计类型蛋白质的分子设计类型氨基酸氨基酸改善改善不同来源不同来源拼接组拼接组转移转移氨基氨基酸的排列顺序酸的排列顺序不存在的全新蛋不存在的全新蛋白质白质 蛋白质工程所依据的原理是什么？蛋白质工程所依据的原理是什么？提示提示中心法则的逆推。中心法则的逆推。思维激活思维激活1 (1)概念：根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系，按照人类自身的需要，利用生物技术手段对蛋白质的DNA编码序列或直接对蛋白质进行有目的的改造，从而创造出自然界不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。 (2)对概念的理解 实质：将编码蛋白质的DNA序列进行有目的的改造或直接对蛋白质进行改造，从而产生出原本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。 目的：生产符合人们需要的、并非自然界已存在的蛋白质。1蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念 (1)原理：中心法则的逆推。 (2)过程：预期蛋白质的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。 (3)分类 蛋白质工程的首要任务是对蛋白质分子进行设计。对天然蛋白质分子的设计可以分为三类：小改、中改和大改。 小改是对天然蛋白质进行少数氨基酸的替换。它往往利用点突变的技术，在维持蛋白质原有功能的基础上，改进一些性质特点。2蛋白质的分子设计蛋白质的分子设计 中改则是对蛋白质分子中某些结构单元或肽段进行分子裁剪，在不同的蛋白质分子之间替换结构单元，以使得到新的功能组合。 大改就是重新设计与合成自然界本不存在的蛋白质分子。即从蛋白质的氨基酸组成和顺序出发，设计并制造出一种全新的蛋白质，使之具有特定的空间结构和相应的功能。 (1)分子设计类型：小改。 (2)步骤 分析胰岛素的一级、二级、三级结构。3速效胰岛素制剂的改造速效胰岛素制剂的改造 证实胰岛素疗效慢的原因：胰岛素在低浓度时主要以单体形式存在，在高浓度时则以二聚体的形式存在，在机体内运动的速度慢，延长了从注射部位到达血液所需要的时间，从而使疗效延滞。 根据胰岛素结构与功能之间的关系，设计对胰岛素基因的改造方案。通过碱基替换的方法，改变基因序列，将胰岛素分子中B链第28位改为赖氨酸、29位改为脯氨酸。 下列关于“大改”“中改”“小改”的说法中，不正确的是 ()。 A“大改”是指根据氨基酸的性质和特点，设计并制造 出自然界中不存在的全新蛋白质 B“中改”是指在蛋白质分子中替代某一个肽段或一个 特定的结构单元 C“小改”是指通过基因工程中的定点诱变技术，有目 的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基 酸残基，以改善蛋白质的性质和功能 D“大改”是指根据氨基酸的性质和特点，人工合成出自 然界中已存在的蛋白质【巩固巩固1】 解析根据蛋白质被改造部位的多少，可以将这种改造分为“大改”“中改”和“小改”。所谓的“大改”是指根据氨基酸的性质和特点，设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质，使之具有特定的氨基酸序列、空间结构和预期功能。 答案D T4溶菌酶具有较强的溶菌活性，但其_。研 究人员对_进行了改造，使T4溶菌酶 获得了_。 组织纤溶酶原激活物(tPA)专一激活人体内纤溶系统，保证血液循环的畅通。但tPA用于治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与_ _，并迅速失去活性。利用蛋白质工程技术对其蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用1提高蛋白质的稳定性提高蛋白质的稳定性2改变蛋白质的活性改变蛋白质的活性热稳定性较差热稳定性较差编码编码T4溶菌酶的基因溶菌酶的基因较强耐热特性较强耐热特性纤溶酶原激活剂抑制物形纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物成复合物 改造，就可以消除上述缺点，从而增加_、减少_和降低_等。 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_，不能直接用于人体。嵌合抗体就是保留鼠单克隆抗体的_，而用_ _替换鼠单克隆抗体恒定区，这种嵌合抗体的_ 显著下降，而抗体的_没有丧失。 上述三个实例分别属于蛋白质分子设计的哪种类上述三个实例分别属于蛋白质分子设计的哪种类型？型？提示提示前两个实例均属于小改，第三个实例属于中改。前两个实例均属于小改，第三个实例属于中改。思维激活思维激活2溶栓效能溶栓效能药用剂量药用剂量副作用副作用3合成嵌合抗体合成嵌合抗体免疫系统排斥免疫系统排斥可变区可变区人抗体的恒人抗体的恒定区定区抗原性抗原性特异识别功能特异识别功能 (1)分子设计类型：小改。 (2)改造方法：对编码T4溶菌酶的基因进行点突变从而使T4溶菌酶第三位上的异亮氨酸改变成了半胱氨酸。 (3)改造结果：使T4溶菌酶获得了较强的耐热特性。 (1)小鼠单克隆抗体的缺点：会被人的免疫系统排斥，不能直接用于人体。 (2)嵌合抗体：指应用蛋白质工程手段，将小鼠抗体的可变区和人抗体中的恒定区结合成的新抗体蛋白。 (3)嵌合抗体的优点：人体对它的排斥反应显著下降，但它对某种抗原的特异性识别功能并没有下降。1对对T4溶菌酶的改造溶菌酶的改造2合成嵌合抗体合成嵌合抗体 下列不属于蛋白质工程成果的是 ()。 A改造酶的结构，提高酶的热稳定性 B生产出鼠人嵌合抗体 C将tPA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺 D将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素 解析将人的胰岛基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素属于基因工程的成果。 答案D【巩固巩固2】 蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。下图是蛋白质工程流程图，其中A、B在遗传学上依次表示 ()。【例例1】示例示例一一蛋白质工程的操作过程蛋白质工程的操作过程 A转录和翻译 B翻译和转录 C复制和转录 D传递和淘汰 思维导图： 答案A 归纳提升中心法则与蛋白质工程 (1)中心法则表示遗传信息的流动方向，如图所示： 空间结构的蛋白质表达生物特有的功能或性状 (2)蛋白质工程的原理是中心法则的逆推。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋白质。 二者关系如下图所示： (3)对蛋白质的改造可以分为三类：大改：即制造出自然界不存在的全新蛋白质。中改：即在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构域。小改：即改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。 科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠人嵌合抗体的过程，据图回答下列问题。【例例2】示例二示例二嵌合抗体嵌合抗体 (1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠人嵌合抗体，属于_(生物工程)的范畴。 (2)图示过程是根据预期的_，设计_，最终必须对_进行操作，此操作中改变的是_。 (3)经过改造的鼠人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是_ (从免疫角度考虑)。 (4)上述过程中对科学家来说难度最大的是_。 思维导图： 解析(1)通过图示可知鼠人嵌合抗体是通过人工设计而形成的特定功能蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。(2)蛋白质工程的流程：预期蛋白质的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)通过基因工程操作生产预期的蛋白质。(3)从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体 为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用会减轻，对人体的负作用会减少。(4)由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。 答案(1)蛋白质工程(2)嵌合抗体功能嵌合抗体的结构基因碱基对(3)对人体的不良反应减少(4)设计嵌合抗体的空间结构 归纳提升(1)蛋白质工程最终还是回到基因工程上来，因为蛋白质的合成由基因控制，所以说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。 (2)基因工程中的目的基因一般为自然界中存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是自然界中存在的。 (3)判断蛋白质工程方法的关键是：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。 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。人类蛋白质组计划探秘人类蛋白质组计划探秘技法必备技法必备1启动启动 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织/器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。2组成与目标组成与目标 2003年12月15日，人类蛋白质组计划正式启动，我国科学家成为人类肝脏蛋白质组计划的负责人，而且我国将负责整个计划20%的工作，这标志着我国在生物学前沿领域的研究已居世界领先地位。回答下列问题。 (1)人类蛋白质组计划与人类基因组计划有什么关系？ _。 (2)肝脏在蛋白质代谢中有哪些生理功能？ _。 (3)人类蛋白质组计划有什么意义？ _。能力展示能力展示 解析随着人类基因组图谱的进一步完善和人类基因组面貌初步揭示，科学家现在开始将研究重点转向“蛋白质”，相对于人类细胞中的全部基因为基因组，由全套基因组编码控制的蛋白质被称为蛋白质组。人类蛋白质组计划是人类基因组计划的延伸、继续和发展，它将揭示作为机体生命活动承担者的蛋白质的种类及功能。随着蛋白质工程的发展，大量优质新型蛋白质将在工业、医药、农业和环境保护等方面发挥重要作用。 肝脏在蛋白质的代谢中有重要作用，肝脏在转氨酶的作用下可以进行转氨基作用合成非必需氨基酸，进行脱氨基作用将含氮部分形成尿素排出体外和合成血浆蛋白等。 答案(1)人类蛋白质组计划是人类基因组计划的延伸、继续和发展 (2)转氨基作用非必需氨基酸的合成；尿素的形成(解毒功能)；血浆蛋白质的合成 (3)人类蛋白质组计划将揭示构成生命的各种蛋白质的奥秘，这有利于人类改造蛋白质，合成优质新型蛋白质，在工业、医疗、农业和环境保护中发挥重要作用 天然蛋白质合成是按照下列哪一项“原理”进行的()。 A转录 B翻译 C中心法则 D复制 解析天然蛋白质的合成过程既涉及遗传信息由DNA到RNA的转录，又涉及由RNA到蛋白质的翻译，即按照中心法则进行。 答案C1. 蛋白质工程的实质是 ()。 A改造蛋白质 B改造mRNA C改造基因 D改造氨基酸 解析蛋白质工程一般是先创造适合人类需求的新基因，然后使其表达出具有特定结构和功能的蛋白质。 答案C2 干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用来治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难，如何长期保存，科学家发现将其中的一个半胱氨酸变成丝氨酸，可以保存半年。你来设想一下，能不能让动物生产储存期延长的干扰素？采用什么方法？ _ _ _。3 解析根据题意，已知干扰素蛋白质氨基酸序列，再根据科学家的发现，把干扰素的半胱氨酸换成丝氨酸，反推mRNA碱基序列，再反推DNA序列，然后进行基因改造，将改造的基因导入动物细胞就能生产储存期延长的干扰素。 答案能让动物生产储存期延长的干扰素。用氨基酸序列反推mRNA序列，再反推DNA序列，然后进行基因改造，将改造后的基因通过基因工程手段导入动物受精卵，得到的转基因动物即可以长期生产储存期延长的干扰素感悟感悟解决该类题型的规律：蛋白质工程的思路是首先设解决该类题型的规律：蛋白质工程的思路是首先设计蛋白质结构，由蛋白质结构的氨基酸序列反推计蛋白质结构，由蛋白质结构的氨基酸序列反推mRNA碱碱基序列，然后再根据基序列，然后再根据mRNA碱基序列，人工合成碱基序列，人工合成DNA。 课堂小结