1.4蛋白质工程的崛起课件PPT
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课件14：1.4 蛋白质工程的崛起
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 关系作为基础，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，以满足人类对生产和生活的 需求。
前提： 原理： 目的：
了解蛋白质的结构和功能 改造基因（基因修饰或基因合成） 定向改造或制造蛋白质
异想 天开
能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基 因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋 白质食品呢？
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
对天然的蛋白质进行改造，你认为应该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、基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质； 2、改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； 3、改造基因比改造蛋白质更容易操作。
蛋白质工程的崛起
目标
开展蛋白质工程的研究的缘由 蛋白质工程的原理 蛋白质工程的进展与前景
一、蛋白质工程崛起的缘由
1 基因工程的实际： 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产 生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
2 基因工程的不足： 在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
3 天然蛋白质的不足 天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却 不一定完全符合人类生产和生活的需要。
蛋白质一级结构是理解蛋白质结构、作用机制以 及与其同源蛋白质生理功能的必要基础 。
蛋白质的二级结构
蛋白质二级结构:指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方 式。二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角。
蛋白质的三级结构
蛋白质分子处于它的天然折 叠状态的三维构象。三级结 构是在二级结构的基础上进 一步盘绕，折叠形成的。
蛋白质工程的崛起课件(25张)-PPT优秀课件
(2)科技人员获得“M酶”基因后，常利用___P_C_R___技术在 体外将其大量扩增，此过程需要一种特殊的酶是__T_a_q_酶____。
(3)“M酶”基因只有插入玉__米__细__胞__的__染__色___体_D__N_A__中，才能 确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。科技人员将 “M酶”基因导入玉米细胞中需要借助__载__体__的运输。
练习检测
1 ．关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法 不正确的是（ D ） A．是生物在长期进化过程中形成的 B．它们的结构和功能符合特定物种生存的需要 C．构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种 D．一定完全符合人类生产和生活的需要
1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt）
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1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt）
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练习检测
6、蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第
二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（ Ｄ ）
A．氨基酸种类增多 B．氨基酸种类减少 C．仍为天然存在蛋白质 D．可合成天然不存在蛋白质
1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt）
1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt） 1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt）
1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt）
四、蛋白质工程的进展和前景 进展 胰岛素速效型药品 前景 制作电子元件 现状 蛋白质的功能主要依赖于其正确而又极 其复杂的高级结构，目前科学家对大多 数蛋白质的高级结构了解还不够，要设 计出更加符合人类需求的蛋白质换需经 过艰辛的探索。
B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进 行操作，定向改变分子的结构
(3)“M酶”基因只有插入玉__米__细__胞__的__染__色___体_D__N_A__中，才能 确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。科技人员将 “M酶”基因导入玉米细胞中需要借助__载__体__的运输。
练习检测
1 ．关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法 不正确的是（ D ） A．是生物在长期进化过程中形成的 B．它们的结构和功能符合特定物种生存的需要 C．构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种 D．一定完全符合人类生产和生活的需要
1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt）
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练习检测
6、蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第
二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（ Ｄ ）
A．氨基酸种类增多 B．氨基酸种类减少 C．仍为天然存在蛋白质 D．可合成天然不存在蛋白质
1.4 蛋白质工程的崛起 课件（共25张ppt）
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四、蛋白质工程的进展和前景 进展 胰岛素速效型药品 前景 制作电子元件 现状 蛋白质的功能主要依赖于其正确而又极 其复杂的高级结构，目前科学家对大多 数蛋白质的高级结构了解还不够，要设 计出更加符合人类需求的蛋白质换需经 过艰辛的探索。
B．蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进 行操作，定向改变分子的结构
3、1.4《 蛋白质工程的崛起》ppt
4.蛋白质工程的主要步骤通常包括： 蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白； 从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； 测定其氨基酸序列； 借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段， （ 3 ） 借助核磁共振和 X 射线晶体衍射等手段 ， 尽可能地了解蛋 白质的二维重组和三维晶体结构; 白质的二维重组和三维晶体结构; （ 4 ） 设计各种处理条件， 了解蛋 设计各种处理条件 ， 白质的结构变化， 白质的结构变化 ， 包括折叠与去折 叠等对其活性与功能的影响； 叠等对其活性与功能的影响； （ 5 ） 设计编码该蛋白的基因改造 方案，如点突变； 方案，如点突变； 分离、 纯化新蛋白， （ 6 ） 分离 、 纯化新蛋白 ， 功能检 测后投入实际使用。 测后投入实际使用。
例如:干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。 例如 干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将 干扰素是一种抗病毒 人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生 在大肠杆菌中进行表达， 人的干扰素的 在大肠杆菌中进行表达 的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天 的干扰素的抗病毒活性为 ， 然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的 干扰素量很多， 干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式 存在。为什么会这样？如何改变这种状况？ 存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究 发现， 干扰素蛋白质中有 个半胱氨酸（ 干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸 发现，β-干扰素蛋白质中有 个半胱氨酸（第17位、 位 31位和 位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨 位和 位），推测可能是有一个或几个半胱氨 酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位的 酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第 位的 半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸， 半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结 果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性提 果使大肠杆菌中生产的 干扰素的抗病性活性提 高到108 U/mg，并且比天然 干扰素的贮存稳定 高到 ，并且比天然β-干扰素的贮存稳定 性高很多。 性高很多。
1.4蛋白质工程的崛起(52张PPT)
蛋白质工程流程
• • • •
从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）
总结：蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质分子的 生物功能 结构规律 及其与_______ ________ 的关系作为基 基因修饰或 础，通过_______ ________，对现有蛋 基因合成 改造 新的蛋白质 白质进行____ ，或制造一种_______ ， 以满足生产和生活的需求。
• 玉米中赖氨酸的含量比较低。
赖氨酸的合成机理：
天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶
负反馈调节
前体物质
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）
赖氨酸
改造
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
• 在已研究过的几千种酶中，只有极少 数可以应用于工业生产，绝大多数酶 都不能应用于工业生产，这些酶虽然 在自然状态下有活性，但在工业生产 中没有活性或活性很低。这是因为工 业生产中每一步的反应体系中常常会 有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度 较高，在这种条件下，大多数酶会很 快变性失活。
基因工程的局限性：
基因工程在原则上只能生产自然 界已存在的蛋白质。 这些蛋白质是生物在长期的进化中 形成的，他们的结构和功能符合特定 物种生存的需要，却不一定完全符合 人类生产和生活的需要。
例如：
• 干扰素是由动物体内的效应T细胞产生 的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒 引起的感染。同时，在治疗癌症方面 也有十分可观的疗效。但是，干扰素 在体外保存相当困难。 如果将其分子上的一个半胱氨酸变 o 成丝氨酸，在-70 C的条件下，可以保 存半年。
前提： 了解蛋白质的结构和功能
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栏目 导引
专题1 基因工程
2．蛋白质工程的崛起 (1)理论和技术条件：__分__子__生__物__学____、晶体学以及计算机技术 的迅猛发展。 (2)缘由 ①基因工程在原则上只能生产自然界____已__存__在____的蛋白质。 ②天然蛋白质的___结__构__和__功__能_____符合特定物种生存的需要， 却不一定完全符合__人___类__生__产__和__生__活___的需要。
专题1 基因工程
1．4 蛋白质工程的崛起
专题1 基因工程
1．举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.理解蛋白质工程的原 理。(重、难点) 3．了解蛋白质工程的应用。
专题1 基因工程
一、蛋白质工程崛起的缘由(阅读教材 P26) 1．基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内， 后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出_新__的__性__状___。
B．蛋白质的空间结构
C．肽链的结构
D．基因的结构
解析：选 D。蛋白质工程是根据人们对蛋白质功能的特定需求，
对蛋白质结构进行分子设计，但因为基因决定蛋白质，所以对
蛋白质的结构进行设计改造，归根到底还需对相应的基因进行
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。
栏目 导引
专题1 基因工程
栏目 导引
专题1 基因工程
答案：交汇点 1 (1)种类 排列顺序 (2)空间结构 交汇点 2 (1)DNA 复制 转录 翻译 RNA 复制 逆转录 (2)DNA 的两条链 DNA 的一条单链 mRNA RNA RNA
栏目 导引
专题1 基因工程
1．蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是( )
A．氨基酸的结构
2．从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶 血性均较强的多肽 P1。目前在 P1 的基础上研发抗菌性强但溶 血性弱的多肽药物，首先要做的是( ) A．合成编码目的肽的 DNA 片段 B．构建含目的肽 DNA 片段的表达载体 C．依据 P1 氨基酸序列设计多条模拟肽 D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
专题1 基因工程
(1)图示遗传信息传递过程名称： ①________；②________；③________；④________；⑤________。 (2)图①～⑤过程需要的模板分别是___________、__________、 ____________、____________、____________。
栏目 导引
专题1 基因工程
蛋白质工程的操作流程
栏目 导引
专题1 基因工程
交汇点 1 蛋白质 蛋白质多样性的原因： (1)组成蛋白质的氨基酸的__________、数量和_________不同。 (2)肽链的盘曲、折叠方式及其形成的____________千差万别。
栏目 导引
交汇点 2 中心法则 结构图示：
栏目 导引
栏目 导引
(3)实例 ①延长干扰素保存时间： 干扰素（半胱氨酸） ―改―造→ 干扰素（_丝__氨__酸_）
专题1 基因工程
体外很难保存
体外可以保存半年
②提高玉米赖氨酸含量：
天冬氨酸激酶 （352位的苏___氨__酸_）
―改―造→
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的_天__冬__酰__胺_）
栏目 导引
专题1 基因工程
判一判 (1)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。( × ) (2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的 mRNA 来实现的。 (×) (3)(2018·徐州高二检测)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万 化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大。( √ ) (4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。( × )
栏目 导引
专题1 基因工程
3.基本途径：从预期的蛋白质功能出发→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__)__。 三、蛋白质工程的进展和前景(阅读教材 P28) 1．前景诱人：用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有_体__积__小__、 __耗__电__少______和___效__率__高_____的特点。 2．难度很大：主要是因为目前科学家对大多数蛋白质的 __高___级__结__构___的了解还很不够。
―改―造→
二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
(改造后玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高 5 倍和 2 倍)
栏目 导引
专题1 基因工程
二、蛋白质工程的基本原理(阅读教材 P26～P27) 1.蛋白质工程的目标 根据人们对__蛋__白__质__功__能____的特定需求，对蛋白质的结构进行 分子设计。 2.对概念的理解 (1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与___生__物__功__能_____的关系。 (2)手段：___基__因__修__饰_____或基因合成。 (3)目的：对现有蛋白质进行改造，或制造一种__新__的__蛋__白__质____， 以满足人类的生产和生活的需求。
栏目 导引
探究 2 蛋白质工程的操作流程
专题1 基因工程
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，据图分析探究：
栏目 导引ຫໍສະໝຸດ 专题1 基因工程(1)图示过程是根据预期的_嵌__合__抗__体__功__能_，设计嵌__合__抗___体__的__结__构_， 最终必须对__基__因____进行操作，此操作中改变的是__碱__基__对____。 (2)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于蛋__白__质__工__程__ (生物工程)的范畴。
栏目 导引
专题1 基因工程
蛋白质工程的操作
探究 1 蛋白质工程的实例分析 材料：酵母菌的丙糖磷酸异构酶上有两个天冬酰胺，在分别转变 为苏氨酸和异亮氨酸后，酶的热稳定性提高了近 50%。此外， 在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性。 通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性。如通过替换酶 的某种__氨__基__酸____，或者在蛋白质分子中引入__二__硫__键____可以显 著提高蛋白质的热稳定性。
专题1 基因工程
2．蛋白质工程的崛起 (1)理论和技术条件：__分__子__生__物__学____、晶体学以及计算机技术 的迅猛发展。 (2)缘由 ①基因工程在原则上只能生产自然界____已__存__在____的蛋白质。 ②天然蛋白质的___结__构__和__功__能_____符合特定物种生存的需要， 却不一定完全符合__人___类__生__产__和__生__活___的需要。
专题1 基因工程
1．4 蛋白质工程的崛起
专题1 基因工程
1．举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.理解蛋白质工程的原 理。(重、难点) 3．了解蛋白质工程的应用。
专题1 基因工程
一、蛋白质工程崛起的缘由(阅读教材 P26) 1．基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内， 后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出_新__的__性__状___。
B．蛋白质的空间结构
C．肽链的结构
D．基因的结构
解析：选 D。蛋白质工程是根据人们对蛋白质功能的特定需求，
对蛋白质结构进行分子设计，但因为基因决定蛋白质，所以对
蛋白质的结构进行设计改造，归根到底还需对相应的基因进行
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。
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专题1 基因工程
栏目 导引
专题1 基因工程
答案：交汇点 1 (1)种类 排列顺序 (2)空间结构 交汇点 2 (1)DNA 复制 转录 翻译 RNA 复制 逆转录 (2)DNA 的两条链 DNA 的一条单链 mRNA RNA RNA
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专题1 基因工程
1．蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是( )
A．氨基酸的结构
2．从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶 血性均较强的多肽 P1。目前在 P1 的基础上研发抗菌性强但溶 血性弱的多肽药物，首先要做的是( ) A．合成编码目的肽的 DNA 片段 B．构建含目的肽 DNA 片段的表达载体 C．依据 P1 氨基酸序列设计多条模拟肽 D．筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽
专题1 基因工程
(1)图示遗传信息传递过程名称： ①________；②________；③________；④________；⑤________。 (2)图①～⑤过程需要的模板分别是___________、__________、 ____________、____________、____________。
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专题1 基因工程
蛋白质工程的操作流程
栏目 导引
专题1 基因工程
交汇点 1 蛋白质 蛋白质多样性的原因： (1)组成蛋白质的氨基酸的__________、数量和_________不同。 (2)肽链的盘曲、折叠方式及其形成的____________千差万别。
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交汇点 2 中心法则 结构图示：
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(3)实例 ①延长干扰素保存时间： 干扰素（半胱氨酸） ―改―造→ 干扰素（_丝__氨__酸_）
专题1 基因工程
体外很难保存
体外可以保存半年
②提高玉米赖氨酸含量：
天冬氨酸激酶 （352位的苏___氨__酸_）
―改―造→
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的_天__冬__酰__胺_）
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专题1 基因工程
判一判 (1)蛋白质工程制造的是天然蛋白质。( × ) (2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的 mRNA 来实现的。 (×) (3)(2018·徐州高二检测)由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万 化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大。( √ ) (4)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。( × )
栏目 导引
专题1 基因工程
3.基本途径：从预期的蛋白质功能出发→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__)__。 三、蛋白质工程的进展和前景(阅读教材 P28) 1．前景诱人：用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有_体__积__小__、 __耗__电__少______和___效__率__高_____的特点。 2．难度很大：主要是因为目前科学家对大多数蛋白质的 __高___级__结__构___的了解还很不够。
―改―造→
二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
(改造后玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高 5 倍和 2 倍)
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专题1 基因工程
二、蛋白质工程的基本原理(阅读教材 P26～P27) 1.蛋白质工程的目标 根据人们对__蛋__白__质__功__能____的特定需求，对蛋白质的结构进行 分子设计。 2.对概念的理解 (1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与___生__物__功__能_____的关系。 (2)手段：___基__因__修__饰_____或基因合成。 (3)目的：对现有蛋白质进行改造，或制造一种__新__的__蛋__白__质____， 以满足人类的生产和生活的需求。
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探究 2 蛋白质工程的操作流程
专题1 基因工程
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，据图分析探究：
栏目 导引ຫໍສະໝຸດ 专题1 基因工程(1)图示过程是根据预期的_嵌__合__抗__体__功__能_，设计嵌__合__抗___体__的__结__构_， 最终必须对__基__因____进行操作，此操作中改变的是__碱__基__对____。 (2)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于蛋__白__质__工__程__ (生物工程)的范畴。
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专题1 基因工程
蛋白质工程的操作
探究 1 蛋白质工程的实例分析 材料：酵母菌的丙糖磷酸异构酶上有两个天冬酰胺，在分别转变 为苏氨酸和异亮氨酸后，酶的热稳定性提高了近 50%。此外， 在蛋白质分子中引入二硫键也可以显著提高蛋白质的热稳定性。 通过改造酶的结构，有目的地提高酶的热稳定性。如通过替换酶 的某种__氨__基__酸____，或者在蛋白质分子中引入__二__硫__键____可以显 著提高蛋白质的热稳定性。