高中生物 第一單元 生物技術(shù)與生物工程 第一章 基因工程和蛋白質(zhì)工程 1.1.3 蛋白質(zhì)工程課件 中圖版選修3

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1、第三節(jié)第三節(jié) 蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 課程標(biāo)準(zhǔn) 簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程。 課標(biāo)解讀 1簡(jiǎn)述蛋白質(zhì)工程的概念與原理。 2舉例說出蛋白質(zhì)工程的基本過程。 3舉例說出蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用。 蛋白質(zhì)工程是指根據(jù)蛋白質(zhì)的_和_之間的關(guān)系，按照人類自身的需要，利用生物技術(shù)手段對(duì)蛋白質(zhì)的_或直接對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行_， 從而創(chuàng)造出自然界_、_的蛋白質(zhì)分子。由于蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此蛋白質(zhì)工程也被稱為_。蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)1蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程的概念精細(xì)結(jié)構(gòu)精細(xì)結(jié)構(gòu)生物活性生物活性DNA編碼序列編碼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優(yōu)良特性具有優(yōu)良特性第二代基因工程第二

2、代基因工程 蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)分三類：一是小范圍改造，就是對(duì)已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進(jìn)行少數(shù)_的替換，從而_蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能；二是對(duì)_的蛋白質(zhì)進(jìn)行_， 期望_相應(yīng)的功能；三是對(duì)蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)，從_ _出發(fā)，設(shè)計(jì)制造出自然界_ _，使之具有特定的空間結(jié)構(gòu)和預(yù)期功能。2蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)類型蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)類型氨基酸氨基酸改善改善不同來源不同來源拼接組拼接組轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移氨基氨基酸的排列順序酸的排列順序不存在的全新蛋不存在的全新蛋白質(zhì)白質(zhì) 蛋白質(zhì)工程所依據(jù)的原理是什么？蛋白質(zhì)工程所依據(jù)的原理是什么？提示提示中心法則的逆推。中心法則的逆推。思維激活思維激活1 (1)概念：根據(jù)蛋白質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和生物活性之間的關(guān)系，按

3、照人類自身的需要，利用生物技術(shù)手段對(duì)蛋白質(zhì)的DNA編碼序列或直接對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行有目的的改造，從而創(chuàng)造出自然界不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。 (2)對(duì)概念的理解 實(shí)質(zhì)：將編碼蛋白質(zhì)的DNA序列進(jìn)行有目的的改造或直接對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，從而產(chǎn)生出原本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。 目的：生產(chǎn)符合人們需要的、并非自然界已存在的蛋白質(zhì)。1蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程的概念 (1)原理：中心法則的逆推。 (2)過程：預(yù)期蛋白質(zhì)的功能設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)氨基酸序列推測(cè)脫氧核苷酸序列合成DNA表達(dá)出蛋白質(zhì)。 (3)分類 蛋白質(zhì)工程的首要任務(wù)是對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)天然蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)可以分為三類：小改

4、、中改和大改。 小改是對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行少數(shù)氨基酸的替換。它往往利用點(diǎn)突變的技術(shù)，在維持蛋白質(zhì)原有功能的基礎(chǔ)上，改進(jìn)一些性質(zhì)特點(diǎn)。2蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì) 中改則是對(duì)蛋白質(zhì)分子中某些結(jié)構(gòu)單元或肽段進(jìn)行分子裁剪，在不同的蛋白質(zhì)分子之間替換結(jié)構(gòu)單元，以使得到新的功能組合。 大改就是重新設(shè)計(jì)與合成自然界本不存在的蛋白質(zhì)分子。即從蛋白質(zhì)的氨基酸組成和順序出發(fā)，設(shè)計(jì)并制造出一種全新的蛋白質(zhì)，使之具有特定的空間結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的功能。 (1)分子設(shè)計(jì)類型：小改。 (2)步驟 分析胰島素的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)。3速效胰島素制劑的改造速效胰島素制劑的改造 證實(shí)胰島素療效慢的原因：胰島素在低濃度時(shí)主要以單體形

5、式存在，在高濃度時(shí)則以二聚體的形式存在，在機(jī)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的速度慢，延長了從注射部位到達(dá)血液所需要的時(shí)間，從而使療效延滯。 根據(jù)胰島素結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)對(duì)胰島素基因的改造方案。通過堿基替換的方法，改變基因序列，將胰島素分子中B鏈第28位改為賴氨酸、29位改為脯氨酸。 下列關(guān)于“大改”“中改”“小改”的說法中，不正確的是 ()。 A“大改”是指根據(jù)氨基酸的性質(zhì)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制造 出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì) B“中改”是指在蛋白質(zhì)分子中替代某一個(gè)肽段或一個(gè) 特定的結(jié)構(gòu)單元 C“小改”是指通過基因工程中的定點(diǎn)誘變技術(shù)，有目 的地改造蛋白質(zhì)分子中某活性部位的一個(gè)或幾個(gè)氨基 酸殘基，以改善蛋白質(zhì)的性

6、質(zhì)和功能 D“大改”是指根據(jù)氨基酸的性質(zhì)和特點(diǎn)，人工合成出自 然界中已存在的蛋白質(zhì)【鞏固鞏固1】 解析根據(jù)蛋白質(zhì)被改造部位的多少，可以將這種改造分為“大改”“中改”和“小改”。所謂的“大改”是指根據(jù)氨基酸的性質(zhì)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)，使之具有特定的氨基酸序列、空間結(jié)構(gòu)和預(yù)期功能。 答案D T4溶菌酶具有較強(qiáng)的溶菌活性，但其_。研 究人員對(duì)_進(jìn)行了改造，使T4溶菌酶 獲得了_。 組織纖溶酶原激活物(tPA)專一激活人體內(nèi)纖溶系統(tǒng)，保證血液循環(huán)的暢通。但tPA用于治療時(shí)具有一定的局限性，它進(jìn)入血漿后大部分與_ _，并迅速失去活性。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)對(duì)其蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用蛋白質(zhì)

7、工程的應(yīng)用1提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性2改變蛋白質(zhì)的活性改變蛋白質(zhì)的活性熱穩(wěn)定性較差熱穩(wěn)定性較差編碼編碼T4溶菌酶的基因溶菌酶的基因較強(qiáng)耐熱特性較強(qiáng)耐熱特性纖溶酶原激活劑抑制物形纖溶酶原激活劑抑制物形成復(fù)合物成復(fù)合物 改造，就可以消除上述缺點(diǎn)，從而增加_、減少_和降低_等。 小鼠單克隆抗體的制備比較簡(jiǎn)單，但這種鼠源性的單克隆抗體會(huì)被人的_，不能直接用于人體。嵌合抗體就是保留鼠單克隆抗體的_，而用_ _替換鼠單克隆抗體恒定區(qū)，這種嵌合抗體的_ 顯著下降，而抗體的_沒有喪失。 上述三個(gè)實(shí)例分別屬于蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)的哪種類上述三個(gè)實(shí)例分別屬于蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)的哪種類型？型？提示提示前兩個(gè)實(shí)例均

8、屬于小改，第三個(gè)實(shí)例屬于中改。前兩個(gè)實(shí)例均屬于小改，第三個(gè)實(shí)例屬于中改。思維激活思維激活2溶栓效能溶栓效能藥用劑量藥用劑量副作用副作用3合成嵌合抗體合成嵌合抗體免疫系統(tǒng)排斥免疫系統(tǒng)排斥可變區(qū)可變區(qū)人抗體的恒人抗體的恒定區(qū)定區(qū)抗原性抗原性特異識(shí)別功能特異識(shí)別功能 (1)分子設(shè)計(jì)類型：小改。 (2)改造方法：對(duì)編碼T4溶菌酶的基因進(jìn)行點(diǎn)突變從而使T4溶菌酶第三位上的異亮氨酸改變成了半胱氨酸。 (3)改造結(jié)果：使T4溶菌酶獲得了較強(qiáng)的耐熱特性。 (1)小鼠單克隆抗體的缺點(diǎn)：會(huì)被人的免疫系統(tǒng)排斥，不能直接用于人體。 (2)嵌合抗體：指應(yīng)用蛋白質(zhì)工程手段，將小鼠抗體的可變區(qū)和人抗體中的恒定區(qū)結(jié)合成的新抗

9、體蛋白。 (3)嵌合抗體的優(yōu)點(diǎn)：人體對(duì)它的排斥反應(yīng)顯著下降，但它對(duì)某種抗原的特異性識(shí)別功能并沒有下降。1對(duì)對(duì)T4溶菌酶的改造溶菌酶的改造2合成嵌合抗體合成嵌合抗體 下列不屬于蛋白質(zhì)工程成果的是 ()。 A改造酶的結(jié)構(gòu)，提高酶的熱穩(wěn)定性 B生產(chǎn)出鼠人嵌合抗體 C將tPA分子中的天門冬酰胺替換為谷氨酰胺 D將人的胰島素基因整合到大腸桿菌體內(nèi)生產(chǎn)胰島素 解析將人的胰島基因整合到大腸桿菌體內(nèi)生產(chǎn)胰島素屬于基因工程的成果。 答案D【鞏固鞏固2】 蛋白質(zhì)工程是新崛起的一項(xiàng)生物工程，又稱第二代基因工程。下圖是蛋白質(zhì)工程流程圖，其中A、B在遺傳學(xué)上依次表示 ()?！纠?】示例示例一一蛋白質(zhì)工程的操作過程蛋白

10、質(zhì)工程的操作過程 A轉(zhuǎn)錄和翻譯 B翻譯和轉(zhuǎn)錄 C復(fù)制和轉(zhuǎn)錄 D傳遞和淘汰 思維導(dǎo)圖： 答案A 歸納提升中心法則與蛋白質(zhì)工程 (1)中心法則表示遺傳信息的流動(dòng)方向，如圖所示： 空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達(dá)生物特有的功能或性狀 (2)蛋白質(zhì)工程的原理是中心法則的逆推。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)應(yīng)有的氨基酸序列應(yīng)有的堿基序列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。 二者關(guān)系如下圖所示： (3)對(duì)蛋白質(zhì)的改造可以分為三類：大改：即制造出自然界不存在的全新蛋白質(zhì)。中改：即在蛋白質(zhì)分子中替代一個(gè)肽段或一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域。小改：即改造蛋白質(zhì)分子中的幾個(gè)氨基酸殘基

11、。 科學(xué)家對(duì)鼠源雜交瘤抗體進(jìn)行改造，生產(chǎn)出效果更好的鼠人嵌合抗體，用于癌癥治療。下圖表示形成鼠人嵌合抗體的過程，據(jù)圖回答下列問題?！纠?】示例二示例二嵌合抗體嵌合抗體 (1)改造鼠源雜交瘤抗體，生產(chǎn)鼠人嵌合抗體，屬于_(生物工程)的范疇。 (2)圖示過程是根據(jù)預(yù)期的_，設(shè)計(jì)_，最終必須對(duì)_進(jìn)行操作，此操作中改變的是_。 (3)經(jīng)過改造的鼠人嵌合抗體，與鼠源雜交瘤抗體相比較，突出的優(yōu)點(diǎn)是_ (從免疫角度考慮)。 (4)上述過程中對(duì)科學(xué)家來說難度最大的是_。 思維導(dǎo)圖： 解析(1)通過圖示可知鼠人嵌合抗體是通過人工設(shè)計(jì)而形成的特定功能蛋白質(zhì)，其生產(chǎn)過程應(yīng)屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。(2)蛋白質(zhì)工程的流

12、程：預(yù)期蛋白質(zhì)的功能設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)通過基因工程操作生產(chǎn)預(yù)期的蛋白質(zhì)。(3)從免疫的角度考慮，對(duì)人體來說鼠源抗體 為抗原，若利用人的抗體與之嵌合，則排斥作用會(huì)減輕，對(duì)人體的負(fù)作用會(huì)減少。(4)由于蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易確定，所以成為蛋白質(zhì)工程中最大的障礙。 答案(1)蛋白質(zhì)工程(2)嵌合抗體功能嵌合抗體的結(jié)構(gòu)基因堿基對(duì)(3)對(duì)人體的不良反應(yīng)減少(4)設(shè)計(jì)嵌合抗體的空間結(jié)構(gòu) 歸納提升(1)蛋白質(zhì)工程最終還是回到基因工程上來，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的合成由基因控制，所以說蛋白質(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。 (2)基因工程中的

13、目的基因一般為自然界中存在的基因，而蛋白質(zhì)工程中的目的基因不是自然界中存在的。 (3)判斷蛋白質(zhì)工程方法的關(guān)鍵是：通過基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)。 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃探秘人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃探秘技法必備技法必備1啟動(dòng)啟動(dòng) “人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國際

14、上第一個(gè)人類組織/器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。2組成與目標(biāo)組成與目標(biāo) 2003年12月15日，人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃正式啟動(dòng)，我國科學(xué)家成為人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃的負(fù)責(zé)人，而且我國將負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)劃20%的工作，這標(biāo)志著我國在生物學(xué)前沿領(lǐng)域的研究已居世界領(lǐng)先地位?；卮鹣铝袉栴}。 (1)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃與人類基因組計(jì)劃有什么

15、關(guān)系？ _。 (2)肝臟在蛋白質(zhì)代謝中有哪些生理功能？ _。 (3)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃有什么意義？ _。能力展示能力展示 解析隨著人類基因組圖譜的進(jìn)一步完善和人類基因組面貌初步揭示，科學(xué)家現(xiàn)在開始將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向“蛋白質(zhì)”，相對(duì)于人類細(xì)胞中的全部基因?yàn)榛蚪M，由全套基因組編碼控制的蛋白質(zhì)被稱為蛋白質(zhì)組。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是人類基因組計(jì)劃的延伸、繼續(xù)和發(fā)展，它將揭示作為機(jī)體生命活動(dòng)承擔(dān)者的蛋白質(zhì)的種類及功能。隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，大量?jī)?yōu)質(zhì)新型蛋白質(zhì)將在工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。 肝臟在蛋白質(zhì)的代謝中有重要作用，肝臟在轉(zhuǎn)氨酶的作用下可以進(jìn)行轉(zhuǎn)氨基作用合成非必需氨基酸，進(jìn)行脫氨基作用將

16、含氮部分形成尿素排出體外和合成血漿蛋白等。 答案(1)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是人類基因組計(jì)劃的延伸、繼續(xù)和發(fā)展 (2)轉(zhuǎn)氨基作用非必需氨基酸的合成；尿素的形成(解毒功能)；血漿蛋白質(zhì)的合成 (3)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃將揭示構(gòu)成生命的各種蛋白質(zhì)的奧秘，這有利于人類改造蛋白質(zhì)，合成優(yōu)質(zhì)新型蛋白質(zhì)，在工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮重要作用 天然蛋白質(zhì)合成是按照下列哪一項(xiàng)“原理”進(jìn)行的()。 A轉(zhuǎn)錄 B翻譯 C中心法則 D復(fù)制 解析天然蛋白質(zhì)的合成過程既涉及遺傳信息由DNA到RNA的轉(zhuǎn)錄，又涉及由RNA到蛋白質(zhì)的翻譯，即按照中心法則進(jìn)行。 答案C1. 蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)是 ()。 A改造蛋白質(zhì) B改造mRNA

17、C改造基因 D改造氨基酸 解析蛋白質(zhì)工程一般是先創(chuàng)造適合人類需求的新基因，然后使其表達(dá)出具有特定結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)。 答案C2 干擾素是動(dòng)物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)，可以用來治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存相當(dāng)困難，如何長期保存，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)將其中的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，可以保存半年。你來設(shè)想一下，能不能讓動(dòng)物生產(chǎn)儲(chǔ)存期延長的干擾素？采用什么方法？ _ _ _。3 解析根據(jù)題意，已知干擾素蛋白質(zhì)氨基酸序列，再根據(jù)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，把干擾素的半胱氨酸換成絲氨酸，反推mRNA堿基序列，再反推DNA序列，然后進(jìn)行基因改造，將改造的基因?qū)雱?dòng)物細(xì)胞就能生產(chǎn)儲(chǔ)存期延長的干擾素。 答案能讓動(dòng)物生產(chǎn)儲(chǔ)存期延長的干擾素。用氨基酸序列反推mRNA序列，再反推DNA序列，然后進(jìn)行基因改造，將改造后的基因通過基因工程手段導(dǎo)入動(dòng)物受精卵，得到的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物即可以長期生產(chǎn)儲(chǔ)存期延長的干擾素感悟感悟解決該類題型的規(guī)律：蛋白質(zhì)工程的思路是首先設(shè)解決該類題型的規(guī)律：蛋白質(zhì)工程的思路是首先設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的氨基酸序列反推計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的氨基酸序列反推mRNA堿堿基序列，然后再根據(jù)基序列，然后再根據(jù)mRNA堿基序列，人工合成堿基序列，人工合成DNA。 課堂小結(jié)