蛋白质工程苏教版选修.pptx

栏目导引,新知初探,思维启动,要点突破,讲练互动,知能演练,轻巧夺冠,第一章基因工程,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,蛋白质工程苏教版选修,第,1,页,/,共,61,页,新知初探思维启动,一、蛋白质工程的概述,1.,概念：指通过,_,与生物化学等技术了解蛋白质的,_,，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和,_,技术改造基因，以,_,改造天然蛋白质，甚至创造自然界,_,蛋白质的技术。,_,是蛋白质工,物理化学,结构与功能,重组,DNA,定向,基因工程,不存在的,第,2,页,/,共,61,页,程中的关键技术，因此，蛋白质工程又被称为,_,。,2.,实施蛋白质工程的前提条件：了解蛋白质的,_,和,_,的关系，应用,X,射线晶体衍射法，可以测定蛋白质的,_,结构，利用,_,法可以了解其构象。,第二代基因工程,结构,功能,三维空间,核磁共振,第,3,页,/,共,61,页,3.,根据蛋白质被改造部位的多少,可以将对蛋白质的改造分成,_,、,_,、,_,。,_,是改变蛋白质结构的核心技术之一。,(1),“,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,_,、空间结构和,_,。,大改,中改,小改,基因的定点诱变技术,氨基酸序列,预期功能,第,4,页,/,共,61,页,(2),“,中改,”,是指在蛋白质分子中,_,某一个肽段或一个特定的结构域。,(3),“,小改,”,是指通过基因工程中的,_,技术，有目的地改造蛋白质分子中,_,的,1,个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能。,替代,定点,诱变,某活性部位,第,5,页,/,共,61,页,确定蛋白质功能应有的高级结构应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基序列改造的蛋白质,蛋白质工程与基因工程的比较,主要应用于空间结构已知的蛋白质，对于空间结构未知的蛋白质用非定点诱变来进行蛋白质的改造。,DNA聚合酶和DNA连接酶,(2)“中改”是指在蛋白质分子中_某一个肽段或一个特定的结构域。,根据蛋白质被改造部位的多少,可以将对蛋白质的改造分成_、_、_。,DNA聚合酶和DNA连接酶,(1)鼠源性的单克隆抗体对癌细胞具有一定的杀伤能力。,AUGUGGUUUUGG。,(1)对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了_和_两种现代生物技术的综合运用。,想一想,1,对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,提示：,通过对基因的操作来实现。,第,6,页,/,共,61,页,二、蛋白质工程的应用,1.,蛋白质工程可通过改造酶的结构，有目的地提高酶的,_,性，如在蛋白质分子中引入,_,可以显著提高蛋白质的热稳定性,.,2.,科学家发明的利用鼠源杂交瘤抗体来处理癌细胞的方法，对癌细胞有一定的杀伤力，但决这一问题,科学家又对该抗体进行了改造,也有导致机体高度过敏的副作用。为了解生产,热稳定,二硫键,第,7,页,/,共,61,页,出效果良好的,_,。,3.,我国科学家为蛋白质工程的理论和技术发展做出的积极贡献，最著名的是完成了,_,的人工合成。,4.,蛋白质工程使我们不仅能更充分地利用自然界存在的基因和蛋白质，而且能在,_,_,上对基因和蛋白质进行再设计和改造,进而创造出自然界不存在的基因和蛋白质。,鼠,人嵌合抗体,结晶牛胰岛素,分子,水平,第,8,页,/,共,61,页,想一想,2,一般的藻类植物仅能生活在,40,以下的水环境中，但也有少数种类的藻类植物可以生活在,80,以上的温泉中。若从酶的角度考虑，其主要原因是什么？,提示：,温泉藻类植物体内酶的肽链中某些氨基酸与一般藻类植物的不同，导致了酶的热稳定性的差异。,第,9,页,/,共,61,页,要点突破讲练互动,要点突破,要点一,蛋白质工程的概念和原理,1.,对概念的理解,(1),首先了解蛋白质的结构和功能。,(2),其次是设计蛋白质。,第,10,页,/,共,61,页,(3),实质是改造基因。,(4),最后合成出自然界不存在的蛋白质。,2.,技术与原理,(1),基因定点诱变技术的原理是基因突变。,(2),重组,DNA,技术的原理是基因重组。,(3),最基本的原理是中心法则的逆推。,第,11,页,/,共,61,页,3.,蛋白质工程的过程：,第,12,页,/,共,61,页,4.,蛋白质工程与基因工程的比较,基因工程,蛋白质工程,操作环,境,(,场所,),生物体外,生物体外,操作核心,基因,基因,操作起点,目的基因,预期的蛋白质功能,基本过程,剪切,拼接,导入,表达,确定蛋白质功能,应有的高级结构,应具备的折叠状态,应有的氨基酸序列,应有的碱基序列,改造的蛋白质,第,13,页,/,共,61,页,基因工程,蛋白质工程,实质,定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品,(,基因的异体表达,),定向改造或生产人类所需的蛋白质,结果,生产自然界已存在的蛋白质,可以创造出自然界不存在的蛋白质,第,14,页,/,共,61,页,特别提醒,(1),因为基因控制蛋白质合成，蛋白质工程对蛋白质的改造或合成都是通过基因工程对相应基因的改造实现的，所以蛋白质工程又称为第二代基因工程。,(2),基因工程中的目的基因一般为自然界存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不一定是天然存在的。,第,15,页,/,共,61,页,例,1,(陕西安康高二检测)某多肽链的一段氨基酸序列是：甲硫氨酸色氨酸苯丙氨酸色氨酸(氨基酸及对应的密码子为：甲硫氨酸AUG，色氨酸UGG，苯丙氨酸UUU、UUC),(1)怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。,(2)确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因(DNA)?,第,16,页,/,共,61,页,【,思路点拨,】,本题考查蛋白质工程的原理及实例，解答本题应突破以下几点：,首先设计蛋白质氨基酸序列。,找到对应的脱氧核苷酸序列。,根据,DNA,（基因）脱氧核苷酸序列进行人工合成或进行基因改造。,第,17,页,/,共,61,页,【,解析,】,由氨基酸序列知，翻译该蛋白质的,mRNA,上的碱基序列为,AUGUGGUUCUGG,或,AUGUGGUUUUGG,。,第,18,页,/,共,61,页,(2)获得所需的突变表现型比例很高，且无分离现象。,A对任何蛋白质的改造都可以用基因定点诱变技术,DNA聚合酶和DNA连接酶,1对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,(2)“中改”是指在蛋白质分子中_某一个肽段或一个特定的结构域。,其目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构,1对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,(1)怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。,【解析】蛋白质工程从预期蛋白质的功能出发，通过基因工程实现对基因的改造，通过中心法则实现蛋白质的合成。,(3)引物体现了PCR技术，引物本身是DNA聚合酶进行延伸的基础，且引物上含有突变基因。,利用蛋白质工程改造或者设计制造出的人工蛋白，在活性、稳定性及抗原性等方面都优于天然蛋白质。,(4)设计嵌合体的空间结构,(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。,(1)对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了_和_两种现代生物技术的综合运用。,其目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构,DNA聚合酶和DNA连接酶,(2)1的名称叫_；,由,mRNA,上碱基序列知，转录产生,mRNA,的,DNA,碱基序列为：,第,19,页,/,共,61,页,【,答案,】,(1),根据氨基酸序列反推,mRNA,密码子序列，再反推,DNA,上碱基序列。其,DNA,碱基序列为：,第,20,页,/,共,61,页,(2),确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它,通过人工合成的方法,或从基因库中获取。,第,21,页,/,共,61,页,变式训练,1.,蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是,(,),A,氨基酸结构,B,蛋白质空间结构,C,肽链结构,D,基因结构,第,22,页,/,共,61,页,解析：选,D,。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,通过基因修饰或基因合成，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。其目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质结构,第,23,页,/,共,61,页,进行分子设计，但因为基因决定蛋白质，因此对蛋白质的结构进行设计改造，归根到底还需要对相应的基因进行操作，按要求进行修饰、加工、改造，使之能控制合成人类需要的蛋白质。,第,24,页,/,共,61,页,要点二,定点诱变技术和非定点诱变技术,1.,定点诱变技术,项目,内容,条件,原料,脱氧核苷酸,酶,DNA,聚合酶和,DNA,连接酶,引物,含突变顺序的,DNA,分子片段,能量,ATP,操作方法,PCR,技术,结果,后代中半数为诱变的,DNA,分子,适用范围,空间结构完全清楚的蛋白质,第,25,页,/,共,61,页,(1),适用对象：蛋白质分子中的活性部位。,(2),特点：有目的性和针对性。,(3),常用操作方法：,PCR,技术是目前常用的方法之一。,(4),具体操作过程：人工合成带有突变位点的引物,通过,PCR,技术扩增获得定点突变的基因,通过基因工程的方法，将目的基因导入受体细胞,在受体细胞内转录和翻译合成所需的蛋白质。,第,26,页,/,共,61,页,(5),结果：完成对蛋白质分子的,“,小改,”,。即通过定点诱变技术在蛋白质肽链中引入替代氨基酸，从而改变其结构，有目的地改造蛋白质的功能。,第,27,页,/,共,61,页,特别提醒,(1),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。,(2),获得所需的突变表现型比例很高，且无分离现象。,(3),生物体没有别的基因突变，能够保留生物的特性。,第,28,页,/,共,61,页,2.,非定点诱变技术,(1),适用对象：对于不能预先确定诱变位点的蛋白质。,(2),特点：突变位点多，会产生出意想不到的改造效果。,第,29,页,/,共,61,页,例,2,葡萄糖异构酶在工业上应用广泛，为提高其热稳定性，科学家在确定第,138,位甘氨酸为目标氨基酸后，对葡萄糖异构酶基因进行体外定点诱变，以脯氨酸,138,替代甘氨酸,138,含突变体的重组质粒在大肠杆菌中表达,结果突变型葡萄糖异构酶比野生型的最适反应温度提高,10,12,酶的热稳定性得到了提高。请根据以下图示分析回答问题：,第,30,页,/,共,61,页,第,31,页,/,共,61,页,(1),对葡萄糖异构酶进行定点诱变的过程体现了,_,和,_,两种现代生物技术的综合运用。,(2)1,的名称叫,_,；其组成包括目的基因、终止子、标记基因、复制原点和,_,。,(3),人工合成的引物的特点是,_,，与,_,酶发挥生理作用有关。,第,32,页,/,共,61,页,(4),工业生产上为了充分利用葡萄糖异构酶,常采用,_,技术。使用此技术的优点是,_,_,。,(5),与正常基因相比，经过定点突变后的基因中发生了两对碱基的,_,，后代中能够合成目的蛋白质的细胞占总数的,_,。,第,33,页,/,共,61,页,【,思路点拨,】,本题考查,“,小改,”,的原理及实例，解答本题应突破以下几点：,对葡萄糖异构酶进行定点诱变，属于蛋白质工程，其实质是对控制蛋白质合成的基因进行改造。,基因表达载体的结构组成和各部分结构的功能是突破所有基因表达载体知识的要点。,图示比较前后两种基因的碱基对的排列顺序，发现变化的特点。根据半保留复制推测子代,DNA,变异情况。,第,34,页,/,共,61,页,【,解析,】,(1),本题通过对基因的结构的定点诱变实现蛋白质的改造，所以是基因工程和蛋白质工程的综合应用。,(2)1,是由质粒和插入的正常基因组成，所以是重组质粒也是基因表达载体。,(3),引物体现了,PCR,技术，引物本身是,DNA,聚合酶进行延伸的基础，且引物上含有突变基因。,第,35,页,/,共,61,页,(4),固定化酶具有能够反复利用的优点，可大大降低生产成本，提高酶的利用率。,(5),正常蛋白质的甘氨酸的密码子是,GGU,，突变蛋白的脯氨酸的密码子是,CCU,，说明基因发生了两个碱基的替换，形成的子代细胞中有一半合成正常蛋白质，另一半合成突变蛋白质。,第,36,页,/,共,61,页,【,答案,】,(1),蛋白质工程基因工程,(2),基因表达载体启动子,(3),含有突变序列,DNA,聚合,(4),固定化酶提高了酶的利用率降低了生产成本，提高了产物的产量和质量,(5),替换,1/2,第,37,页,/,共,61,页,变式训练,2.,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,第,38,页,/,共,61,页,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,第,39,页,/,共,61,页,解析：选,B,。基因定点诱变技术是,“,小改,”,时所用的一项技术，是有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的,1,个或几个氨基酸残基,是改变蛋白质结构的核心技术之一。主要应用于空间结构已知的蛋白质，对于空间结构未知的蛋白质用非定点诱变来进行蛋白质的改造。,第,40,页,/,共,61,页,利用蛋白质工程改造或者设计制造出的人工蛋白，在活性、稳定性及抗原性等方面都优于天然蛋白质。,1.,提高酶的热稳定性,(1),通过替换酶的几种氨基酸，可以提高酶的热稳定性；,(2),在蛋白质分子中引入二硫键也可提高蛋白质的热稳定性。,要点三,蛋白质工程的应用,第,41,页,/,共,61,页,2.,改变蛋白质的活性,(1),组织纤溶酶原激活物,(tPA),专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。,(2)tPA,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。,(3),利用蛋白质工程将,tPA,分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺后，,t,PA,在血液循环中的停留时间会大大延长。,第,42,页,/,共,61,页,3.,合成嵌合抗体,(1),鼠源性的单克隆抗体对癌细胞具有一定的杀伤能力。,(2),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。,(3),嵌合抗体由鼠单克隆抗体的可变区和人体抗体的恒定区组成，抗原性显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失，可用于临床治疗。,第,43,页,/,共,61,页,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。如图表示形成鼠,人嵌合抗体的过程，据图回答：,例,3,第,44,页,/,共,61,页,(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,_,_,。,第,45,页,/,共,61,页,(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,_,_,。,第,46,页,/,共,61,页,【,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。,第,47,页,/,共,61,页,(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，对人体的副作用会减少。,(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。,第,48,页,/,共,61,页,【,答案,】,(1),蛋白质工程,(2),嵌合体功能嵌合体的结构基因碱基对,(3),对人体的不良反应减少,(4),设计嵌合体的空间结构,第,49,页,/,共,61,页,变式训练,3.,合成鼠,人嵌合抗体属于蛋白质分子设计中的,(,),A,对已知蛋白质分子结构进行少数氨基酸替换,B,对不同来源的蛋白质进行拼接组装,C,设计制造自然界中全新的蛋白质,D,把两种不同的蛋白质组装成一种蛋白质分子,第,50,页,/,共,61,页,解析：选,B,。鼠,人嵌合抗体是由鼠抗体中的可变区与人抗体中的恒定区组装拼接而成的，是将两种不同来源的蛋白质分子进行拼接后形成的嵌合抗体。由于形成的融合蛋白质具有两种蛋白质的结构，所以能表现两种蛋白质的特性。,第,51,页,/,共,61,页,易错警示,蛋白质工程的基因改造,【例题】(正定高二期末)以下有关蛋白质工程的叙述，不正确的是(),A蛋白质工程发展的基础是基因工程,B蛋白质工程的原理是从预期的蛋白质功能出发最终找到脱氧核苷酸序列的过程,第,52,页,/,共,61,页,C,T,4,溶菌酶中引入二硫键提高了它的热稳定性是蛋白质工程应用的体现,D,蛋白质工程只能改造现有的蛋白质而不能制造新的蛋白质,第,53,页,/,共,61,页,【,解析,】,蛋白质工程从预期蛋白质的功能出发，通过基因工程实现对基因的改造，通过中心法则实现蛋白质的合成。二硫键引入到蛋白质结构中,提高了蛋白质的热稳定性,.,基因工程可以改造基因和创造一个新的基因,蛋白质工程不仅能改造现有的蛋白质也能制造新的蛋白质。,【,答案,】,D,第,54,页,/,共,61,页,新知初探思维启动,一、蛋白质工程的概述,1.,概念：指通过,_,与生物化学等技术了解蛋白质的,_,，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和,_,技术改造基因，以,_,改造天然蛋白质，甚至创造自然界,_,蛋白质的技术。,_,是蛋白质工,物理化学,结构与功能,重组,DNA,定向,基因工程,不存在的,第,55,页,/,共,61,页,(2),“,中改,”,是指在蛋白质分子中,_,某一个肽段或一个特定的结构域。,(3),“,小改,”,是指通过基因工程中的,_,技术，有目的地改造蛋白质分子中,_,的,1,个或几个氨基酸残基，以改善蛋白质的性质和功能。,替代,定点,诱变,某活性部位,第,56,页,/,共,61,页,想一想,1,对天然蛋白质进行改造，是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,提示：,通过对基因的操作来实现。,第,57,页,/,共,61,页,要点二,定点诱变技术和非定点诱变技术,1.,定点诱变技术,项目,内容,条件,原料,脱氧核苷酸,酶,DNA,聚合酶和,DNA,连接酶,引物,含突变顺序的,DNA,分子片段,能量,ATP,操作方法,PCR,技术,结果,后代中半数为诱变的,DNA,分子,适用范围,空间结构完全清楚的蛋白质,第,58,页,/,共,61,页,第,59,页,/,共,61,页,(4),工业生产上为了充分利用葡萄糖异构酶,常采用,_,技术。使用此技术的优点是,_,_,。,(5),与正常基因相比，经过定点突变后的基因中发生了两对碱基的,_,，后代中能够合成目的蛋白质的细胞占总数的,_,。,第,60,页,/,共,61,页,变式训练,2.,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,第,61,页,/,共,61,页,