《蛋白质工程》示范课教学课件【高中生物苏教版选修3新课标】

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1、第三节 蛋白质工程第三章 基因工程新课引入 这张邮票是为了纪念什么?邮票中的圆形图案又是什么?带着这些问题阅读教材109页“积极思维”中的内容。 为了纪念人工合成结晶牛胰岛素五十周年,邮票中的圆形图案是人工结晶牛胰岛素的X射线衍射图像。新课引入 天然胰岛素存在什么问题?为什么要改造胰岛素分子? 天然胰岛素分子会聚合形成二聚体或多聚体,所以其进入血液的速率较为缓慢,影响了胰岛素功能的及时发挥。 科学家是如何改造胰岛素分子的?改造后的胰岛素有哪些特点? 将胰岛素分子上2个氨基酸加以改造,改造后的胰岛素既能保持天然胰岛素分子的主要构象,又能保持为单体,提高了胰岛素进入血液中的速率。 类似胰岛素的改造

2、就是蛋白质工程,改造后的蛋白质更适合人类需要。那么,什么是蛋白质工程呢?一、蛋白质工程是基因工程的延伸 (一)蛋白质工程的一般过程 阅读教材110页的内容,思考:什么是蛋白质工程?它的一般过程是怎样的?蛋白质工程中的关键技术是什么?蛋白质工程跟基因工程相比有哪些创新的地方?学生活动一、蛋白质工程是基因工程的延伸 1蛋白质工程的概念 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为基础,对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造,以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。 (一)蛋白质工程的一般过程基础操作手段目的一、蛋白质工程是基因工程的延伸 2蛋白质工程的过程 (一)蛋白质工程的一般过程根据新

3、蛋白质的预期功能设计蛋白质结构根据蛋白质结构设计对应的氨基酸序列改造或合成可产生新蛋白质的DNA序列(基因)利用基因工程技术合新的蛋白质基因工程是蛋白质工程的关键技术。蛋白质工程又被称为第二代基因工程。一、蛋白质工程是基因工程的延伸(一)蛋白质工程的一般过程新蛋白质预期功能改造或合成分子设计转录翻译折叠基因DNA新蛋白质新功能氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构mRNA 2蛋白质工程的过程一、蛋白质工程是基因工程的延伸 3蛋白质工程的特点 (一)蛋白质工程的一般过程 蛋白质工程不仅能更充分地利用自然界中存在的蛋白质,而且能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造,创造出自然界中不存在的蛋白质。基因工程一

4、般只能生产自然界存在的蛋白质。一、蛋白质工程是基因工程的延伸 4水蛭素的实例 (一)蛋白质工程的一般过程 水蛭素是水蛭的唾液腺分泌的一种效果很好的凝血酶抑制剂,是由65个氨基酸组成的蛋白质。通过蛋白质工程将其第47位的天冬酰胺变成赖氨酸或精氨酸时,这种新的蛋白质抗凝血效率可提高4倍。水蛭素是自然界存在的最强抗凝血物质,在防治心脑血管疾病和抗癌方面等具有特效。一、蛋白质工程是基因工程的延伸 1GenBank数据库 (二)蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据 根据蛋白质工程的过程,首先需要获得和分析目标蛋白质的相关信息,包括基因及蛋白质的结构数据。那么,如何获得这些数据呢?https:/ww

5、w.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/一、蛋白质工程是基因工程的延伸 1GenBank数据库 (二)蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据 GenBank是目前全球最为著名的生物大分子数据库,由美国国家生物技术信息中心(NCBI)建立并负责维护。GenBank中最常用的是序列文件。序列文件的基本单位是序列条目,包括核苷酸排列顺序和注释两部分。 2Entrez数据库 Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和基因图谱、蛋白质结构数据库整合在一起的综合数据库查询系统。一、蛋白质工程是基因工程的延伸 1大面积的定向突变一般采用基因全合成的方法。 2含有单一或少数几个突变

6、位点的基因定向突变则可采用多种策略。 (1)引物定点引入法 (2)非定点诱变技术 (三)通过基因改造生产目标蛋白质 在掌握了蛋白质基本结构信息的基础上,蛋白质工程可以针对相关基因进行改造,即基因的体外定向突变,生产出符合人类需求的目标蛋白质。一、蛋白质工程是基因工程的延伸 (1)引物定点引入法 概念:引物定点引入法实质上是一种寡聚核苷酸介导的定点诱变,它能在克隆基因内直接产生各种点突变和区域突变,从而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,最终达到改善蛋白质的性质和功能的目的。 (三)通过基因改造生产目标蛋白质一、蛋白质工程是基因工程的延伸 (1)引物定点引入法 过程 (三)

7、通过基因改造生产目标蛋白质基因工程一、蛋白质工程是基因工程的延伸根据自己对定点诱变技术的掌握情况,独立填写下表。学生活动项目内容条件原料酶引物操作方法结果适用范围特点脱氧核苷酸DNA聚合酶和DNA连接酶含突变位点的DNA分子片段先通过PCR扩增已获得定点突变的基因,再通过基因工程将突变基因导入受体细胞,经过转录和翻译合成所需的蛋白质后代中半数为诱变的DNA分子空间结构完全清楚的蛋白质,进行“小改”定点诱变有目的性和针对性一、蛋白质工程是基因工程的延伸 (1)引物定点引入法 (三)通过基因改造生产目标蛋白质拓展优点 诱变部位是实验者事先设计的,突变完全在人为控制条件下进行获得所需的突变表型比例很

8、高缺点具有局限性,对不能预先确定诱变位点的蛋白质不能使用定点诱变技术的优缺点一、蛋白质工程是基因工程的延伸 (2)非定点诱变技术 适用对象:对于不能预先确定诱变位点的蛋白质,可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。 特点:目的性和针对性不够强,但由于突变位点多,有时会产生意想不到的改造效果。 (三)通过基因改造生产目标蛋白质二、蛋白质工程的设计思路与应用 1原理 人胰岛素的空间结构已知,采用定点诱变技术,通过改变其结构便可有目的地改造蛋白质的功能。 2应用 将人胰岛素B链第28位的脯氨酸残基、第29位的赖氨酸残基分别改为赖氨酸残基和脯氨酸残基,便可获得单体速效胰岛素,这样便能避免胰岛素分子形成聚

9、合体,以保证其效能的及时发挥。二、蛋白质工程的设计思路与应用 生物体内的酶在大规模体外反应时,或丧失原有的催化特异性,或在高温高压及存在有机溶剂条件下会发生变性。那么,如何利用蛋白质工程改造蛋白质(酶)呢?(一)提高蛋白质(酶)的稳定性 热稳定的蛋白质一般有具有抗有机溶剂和极端pH的能力。如何提高蛋白质的稳定性呢?二、蛋白质工程的设计思路与应用(一)提高蛋白质(酶)的稳定性 1引入二硫键 (1)原理:二硫键是稳定蛋白质分子空间结构最关键的一种共价健,在蛋白质分子中引入二硫键能显著提高其稳定性。 (2)应用1 T4溶菌酶是广泛应用于食品、医药工业的酶,其催化速率随温度的升高而升高。二、蛋白质工程

10、的设计思路与应用(一)提高蛋白质(酶)的稳定性 1引入二硫键 如何提高T4溶菌酶的热稳定性提高其工业应用价值呢? T4溶菌酶分子含有两个未形成二硫键的半胱氨酸,向T4溶菌酶引入二硫键能提高T4溶菌酶的热稳定性。二、蛋白质工程的设计思路与应用(一)提高蛋白质(酶)的稳定性 1引入二硫键 (2)应用2 用定点诱变的方法,使编码第3个氨基酸的核苷酸序列改变,氨基酸由异亮氨酸变成半胱氨酸,可以和第97位半胱氨酸形成新的二硫键,增强蛋白质稳定性。二、蛋白质工程的设计思路与应用(一)提高蛋白质(酶)的稳定性 2转换氨基酸残基 (1)原理:高温下蛋白质分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的侧链上的酰胺基会发生脱氨反应,

11、损害其结构和功能。将天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基,可以不影响酶催化活性且提高蛋白质的热稳定性。 (2)应用:酵母菌的丙糖磷酸异构酶的两个亚基中各含有两个天冬酰胺残基,分别用苏氨酸和异亮氨酸残基替代,可大幅度提高酶的热稳定性。二、蛋白质工程的设计思路与应用(二)改善酶的催化活性 酶的催化活性中心附近有少数关键性氨基酸残基,在很大程度上决定了酶的催化活性。如何改善酶的催化活性呢? 1转换氨基酸残基 应用:将嗜热芽孢杆菌酪氨酰-tRNA合成酶分子中的一个苏氨酸残基改变为丙氨酸或脯氨酸残基时,酶的活性大幅度提高。 2删除末端部分氨基酸序列或某些肽段。二、蛋白质工程的设计思路与应用(

12、三)消除酶的被抑制特性 1思路:通过转换氨基酸残基可以消除酶的被抑制特性。 2应用 枯草芽孢杆菌蛋白酶是一种丝氨酸型蛋白酶,它具有广谱的蛋白质降解能力。但该酶会因漂白剂的抑制作用而无法用作洗涤添加剂。将该酶分子中第222位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基,酶的活性将不再受漂白剂的抑制。蛋白质工程概念新蛋白质的预期工程过程提高蛋白质(酶)的稳定性应用改善酶的催化活性消除酶的被抑制特性合成新的蛋白质基因工程结构预测与设计课堂小结课堂小结项目蛋白质工程基因工程区别操作对象操作水平操作流程基因工程技术合成新的蛋白质目的基因的筛选与获取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

13、定结果实质通过基因重组定向改造生物的遗传特性,获得人类所需的生物或产品应用现状主要集中在对现有蛋白质的改造,还需不断地攻坚克难在转基因动植物、药物生产等领域已有广泛应用列表比较蛋白质工程和基因工程预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计对应的氨基酸序列改造或合成对应的DNA序列(基因)基因DNA分子水平可生产自然界没有的蛋白质可生产自然界已有的蛋白质通过改造基因定向改造或生产人类所需的蛋白质课堂小结项目蛋白质工程基因工程联系蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的_;蛋白质工程离不开基因工程,蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶,需要构建_;改造后的基因要表达出相应的蛋白质,同样需要将改造

14、或合成的基因导入受体细胞第二代基因工程基因表达载体列表比较蛋白质工程和基因工程课堂检测 1下列关于蛋白质工程的说法,正确的是( )A蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作B对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的C蛋白质工程与基因工程密不可分,被称为第二代基因工程D蛋白质工程的流程和天然蛋白质合成的过程完全相同C2下列关于基因定点诱变技术的说法,正确的是( )A对任何蛋白质的改造都可以用基因定点诱变技术B对于已知空间结构的蛋白质的改造可以采用基因定点诱变技术C基因定点诱变技术是蛋白质工程中必须用到的技术D采用基因定点诱变技术通常可以改变蛋白质中多种氨基酸课堂检测B 3猪胰岛素降低人体血糖浓度的效果不明显,其原因是猪胰岛素分子中有一个氨基酸与人的不同。为了使猪胰岛素用于治疗人糖尿病,用蛋白质工程进行操作的最佳方案是( ) A对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换 B将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素 C将猪胰岛素和人胰岛素混合在一起治疗糖尿病 D根据人胰岛素设计制造出一种全新的胰岛素课堂检测A敬请各位老师提出宝贵意见!

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