生物：13《蛋白質(zhì)工程》課件（中圖版選修3）

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1、 回憶：如果想讓某一個生物的性狀在另外一個生物的身上表達(dá)，常用的方法有哪些？雜交育種（同種生物）雜交育種（同種生物）基因工程（種間生物）基因工程（種間生物）基因工程的實質(zhì)基因工程的實質(zhì)： 將一種生物的將一種生物的 轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者產(chǎn)生它本不另一種生物體內(nèi)，后者產(chǎn)生它本不能產(chǎn)的能產(chǎn)的 ，進(jìn)而表現(xiàn)，進(jìn)而表現(xiàn)出出 ?；蚧虻鞍踪|(zhì)蛋白質(zhì)新的性狀新的性狀回顧基因工程成果豐碩回顧基因工程成果豐碩 植物方面植物方面 提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性 改良植物的品質(zhì)改良植物的品質(zhì) 動物方面動物方面 提高動物生長速度提高動物生長速度 改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)改善畜產(chǎn)品的品質(zhì) 用

2、轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物 用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體 研制藥物研制藥物 基因治療基因治療 基因工程在原則上只能生產(chǎn)基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。自然界已存在的蛋白質(zhì)。 這些蛋白質(zhì)的這些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)和功能符合符合特定物種特定物種生存的需要，卻不一定完生存的需要，卻不一定完全符合全符合人類生產(chǎn)和生活人類生產(chǎn)和生活的需要。的需要。 基因工程的局限性：基因工程的局限性： 在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶

3、雖然在自然狀態(tài)下用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。很低。這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較常會有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失活?；睢＠纾焊蓴_素是由動物體內(nèi)的效應(yīng)干擾素是由動物體內(nèi)的效應(yīng)T T細(xì)胞細(xì)胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所有病毒引起的感染。同時，在治療有病毒引起的感染。同時，在治療癌癥方面也有十分可觀的療效。但癌癥方面也

4、有十分可觀的療效。但是，干擾素在體外保存相當(dāng)困難。是，干擾素在體外保存相當(dāng)困難。o玉米中賴氨酸的含量比較低。玉米中賴氨酸的含量比較低。賴氨酸的合成機(jī)理：賴氨酸的合成機(jī)理：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶前體物質(zhì)前體物質(zhì)賴氨酸賴氨酸負(fù)反饋調(diào)節(jié)負(fù)反饋調(diào)節(jié)天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍一、蛋白質(zhì)工程

5、的崛起一、蛋白質(zhì)工程的崛起 蛋白質(zhì)工程的目的：生產(chǎn)符合人蛋白質(zhì)工程的目的：生產(chǎn)符合人們生活需要的、并非自然界已存在的們生活需要的、并非自然界已存在的_。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改改造或制造一種新造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對的蛋白質(zhì)，以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求。生產(chǎn)和生活的需求。前提前提：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能原理原理：改造基因（基因修飾或基因合成）改造基因（基因修

6、飾或基因合成）目的：目的： 定向改造或制造蛋白質(zhì)定向改造或制造蛋白質(zhì)2、蛋白質(zhì)工程的概念、蛋白質(zhì)工程的概念二、蛋白質(zhì)工程的基本原理二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1、基因工程的基本原理中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖 ：結(jié)論結(jié)論：蛋白質(zhì)的功能是由蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)的功能是由蛋白質(zhì)的_決定的，蛋白質(zhì)決定的，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由的結(jié)構(gòu)是由_決定的決定的。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)DNA（基因）（基因） 2原理：原理：_。中心法則的逆推中心法則的逆推 對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還進(jìn)行操作，還是通過對是通過對基因

7、基因的操作來實現(xiàn)？的操作來實現(xiàn)？3.目標(biāo)：根據(jù)人們對目標(biāo)：根據(jù)人們對_的特定的特定 需求對需求對_進(jìn)行分子設(shè)計。進(jìn)行分子設(shè)計。蛋白質(zhì)功能蛋白質(zhì)功能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)4、蛋白質(zhì)工程的基本途徑、蛋白質(zhì)工程的基本途徑預(yù)期的蛋白質(zhì)功能預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）（基因）討論：討論： 某多肽鏈的一段氨基酸序列是：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：- -丙氨酸丙氨酸- -色氨酸色氨酸- -賴氨酸賴氨酸- -甲硫氨酸甲硫氨酸- -苯丙氨酸苯丙氨酸- -丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC

8、、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 賴氨酸：賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC （1 1）怎樣得出）怎樣得出決定這一段肽鏈決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。堿基序列寫出來。（2 2） 確定目的基因的堿基確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（造目的基因（DNADNA）？）？ 可以通過可以通過人工合成人工合成的方法的方法獲取或獲取或基因的定點誘變技術(shù)基因的定點誘變技術(shù)來來改變。改變。 基因會發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍基因會發(fā)生突變

9、，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍有生物學(xué)知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學(xué)家有生物學(xué)知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學(xué)家M M史密史密斯（斯（1932193220002000）發(fā)明）發(fā)明定點突變法定點突變法之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學(xué)等方法誘使基因體突變。這類方法屬于自然界或用化學(xué)等方法誘使基因體突變。這類方法屬于隨機(jī)突變隨機(jī)突變，突變株必須在生物性狀上有所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除突變株必須在生物性狀上有所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處，否則無法確定突變非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處，否

10、則無法確定突變位置。也就是說，位置。也就是說，這種突變是盲目的這種突變是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點突變而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的法卻是有目的的，該法可，該法可經(jīng)由設(shè)計好的寡核苷酸，在任何一個基經(jīng)由設(shè)計好的寡核苷酸，在任何一個基因片段上進(jìn)行隨意或設(shè)計好的突變因片段上進(jìn)行隨意或設(shè)計好的突變，也就是說，這種突變是預(yù)先，也就是說，這種突變是預(yù)先設(shè)定好的，所以也有人將該法稱為設(shè)定好的，所以也有人將該法稱為“反遺傳法反遺傳法”。有意思的是這一給生命科學(xué)研究及應(yīng)用領(lǐng)域帶來革命性突破有意思的是這一給生命科學(xué)研究及應(yīng)用領(lǐng)域帶來革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的。現(xiàn)在，幾的方法竟然

11、是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的?，F(xiàn)在，幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或蛋白質(zhì)的功能。乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或蛋白質(zhì)的功能?；蚨c誘變技術(shù)的常用方法是基因定點誘變技術(shù)的常用方法是PCR法。法。突變點：突變點： 人工合成的引物上人工合成的引物上手段：手段：PCRPCR技術(shù)技術(shù)目的：目的：獲得定點突變的基因獲得定點突變的基因小結(jié) 基因定點誘變技術(shù) 項目內(nèi)容原料酶引物能量操作方法結(jié)果適用范圍4種游離的脫氧核苷酸種游離的脫氧核苷酸DNA聚合酶聚合酶和和DNA連接酶連接酶含突變順序的含突變順序的DNA分子片段分子片段 ATP PCR技術(shù)技術(shù)后代中有后代中有半數(shù)半數(shù)

12、為誘變的為誘變的DNA分子分子空間結(jié)構(gòu)完全清楚空間結(jié)構(gòu)完全清楚的蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)1、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展：（1）對胰島素的改造胰島素的改造 天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素是胰島素B23-B28B23-B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該合作用，使胰島素快速起作用。該速

13、效胰島素速效胰島素已通過臨床實驗。已通過臨床實驗。（2）對水蛭素的改造）對水蛭素的改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，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，由它有多種變異體，由65或或66個氨基酸殘基組成。水個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。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礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計方案，的設(shè)計方案，將將47位的位的Asn（天冬酰胺）變成（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），（賴氨

14、酸），使其與分子內(nèi)第使其與分子內(nèi)第4或第或第5位位Thr（蘇氨酸）間形成氫（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素鍵來幫助水蛭素N端肽鏈的正確取向，從而提高抗端肽鏈的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗活性提高凝血效率，試管試驗活性提高4倍，在動物模型上倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。（3）對生長激素的改造生長激素的改造 生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體生長激素受體，還可以結(jié)，還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的合許多種不同類型細(xì)胞

15、的催乳激素受體催乳激素受體，引發(fā)其他生理過，引發(fā)其他生理過程。在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長激素程。在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長激素只與生長激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)只與生長激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長激素完全相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長激和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充

16、當(dāng)鋅離子素受體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第配基的氨基酸側(cè)鏈，如第18和第和第21位位His（組氨酸）和第（組氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）。實驗結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)（谷氨酸）。實驗結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。作為臨床用藥還有大量的工作要做。（4）應(yīng)用于微電子方面 生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于微電子方面。用蛋白質(zhì)工程方法制成的電子元件，具有體積小、耗電少和效率高的特點，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。2、蛋白質(zhì)工程的現(xiàn)狀 蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的成功的例子不多，例子不多，主要是因

17、為蛋白質(zhì)發(fā)揮其主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而功能需要依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解很少，構(gòu)了解很少，要設(shè)計出更加符合人類要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)還需要經(jīng)過艱辛的探索。需要的蛋白質(zhì)還需要經(jīng)過艱辛的探索?；蚬こ袒蚬こ痰鞍踪|(zhì)工程蛋白質(zhì)工程相同點相同點都要改造基因，都屬于分子水平都要改造基因，都屬于分子水平產(chǎn)生新的產(chǎn)生新的基因型，無新基因基因型，無新基因基因（型）基因（型）產(chǎn)生的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)原有的原有的新的新的聯(lián)系聯(lián)系蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)，蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)，是基因工程的應(yīng)用和延伸是

18、基因工程的應(yīng)用和延伸四、比較基因工程和蛋白質(zhì)工程四、比較基因工程和蛋白質(zhì)工程跟蹤訓(xùn)練跟蹤訓(xùn)練1.(2011年姜堰高二檢測年姜堰高二檢測)運用某生物工運用某生物工程技術(shù)將毒性肽融合進(jìn)入抗體分子，制造出程技術(shù)將毒性肽融合進(jìn)入抗體分子，制造出“導(dǎo)彈導(dǎo)彈藥物藥物”，它可自動瞄準(zhǔn)和攻擊體內(nèi)的靶組織或靶細(xì)，它可自動瞄準(zhǔn)和攻擊體內(nèi)的靶組織或靶細(xì)胞胞(如癌細(xì)胞如癌細(xì)胞)。此技術(shù)是。此技術(shù)是()A基因工程基因工程B細(xì)胞工程細(xì)胞工程C蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 D胚胎工程胚胎工程答案：答案：C2.關(guān)于基因工程和蛋白質(zhì)工程的說法正確的關(guān)于基因工程和蛋白質(zhì)工程的說法正確的是（是（ ） A都是分子水平上的操作都是分子水平上的

19、操作B基因工程基因工程就是改造基因的分子結(jié)構(gòu)就是改造基因的分子結(jié)構(gòu) C蛋白質(zhì)工程就是改造蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)工程就是改造蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu) D基因工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的基基因工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的基因，蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生自然界根本不存在因，蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)A基因定點誘變技術(shù)基因定點誘變技術(shù)3.蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（ ） 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計 DNA合成合成 預(yù)期蛋白質(zhì)功能預(yù)期蛋白質(zhì)功能 據(jù)氨基酸序列推出脫氧據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列核苷酸序列 A. B. C. D.C 4.4.枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白

20、酶具有催化分解蛋白質(zhì)的特枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白酶具有催化分解蛋白質(zhì)的特性，但極易被氧化而失效。性，但極易被氧化而失效。19851985年，美國的埃斯年，美國的埃斯特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222222位氨基酸替位氨基酸替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效地除去血漬、奶漬等蛋白質(zhì)污漬?？梢杂行У爻パ獫n、奶漬等蛋白質(zhì)污漬。 （1 1）改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術(shù)）改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術(shù)是是 。 （2 2）改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基）改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基因與原來相比，至少有因與原來相比，至少有 個堿基對發(fā)生變化。個堿基對發(fā)生變化。 （3 3）利用生物技術(shù)改造蛋白質(zhì)，是提高了蛋白質(zhì)）利用生物技術(shù)改造蛋白質(zhì)，是提高了蛋白質(zhì)的的 性，埃斯特爾所作的工作是對已知性，埃斯特爾所作的工作是對已知蛋白質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)進(jìn)行 。蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程1穩(wěn)定穩(wěn)定少數(shù)氨基酸的替換少數(shù)氨基酸的替換