蛋白质工程的崛起(上课用)

申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。如何使胰岛素快速发挥降糖作用？申春晖Workroom申春晖Workroom1、基因工程的应用（1）基因工程的实质：将一种生物的转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的，进而表现出新的。（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的。一、蛋白质工程崛起的缘由基因蛋白质性状蛋白质进化结构和功能生存2、天然蛋白质的不足天然蛋白质是生物在长期过程中形成的，它们的符合特定物种的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。基因工程的实质是什么？它有哪些不足申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26二、蛋白质工程的基本原理1、研究基础：以蛋白质分子的及其与的关系。结构规律生物功能2、操作对象：基因或基因。修饰合成3、目的:对现有蛋白质进行改造或制造新的，满足人类生产和生活的需求蛋白质申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26思考感悟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？对基因的操作。申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/264、流程：预期蛋白质功能→设计→推测应有的序列→找到对应的序列。预期的蛋白质氨基酸脱氧核苷酸5．原理：_________________中心法则的逆向推理申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26蛋白质工程原理及流程图基因DNA氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构预期功能生物功能mRNA转录翻译折叠DNA合成分子设计推测其原理是：根据中心法则逆向推理。蛋白质工程的实质是什么？基因修饰或基因合成.申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26【巩固1】下列关于蛋白质工程的叙述，正确的是()A．将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使生物表现出新的性状B．干扰素是动物体内的一种蛋白质，可用于治疗病毒的感染和癌症C．由于赖氨酸抑制天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，所以赖氨酸产量难以提高D．蛋白质工程能产生自然界已有的蛋白质申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26解析蛋白质工程崛起的缘由是为了得到完全符合人类生产和生活需要的特定的蛋白质。如玉米生产过程中将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，使玉米叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26三、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，以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行修饰或合成目前蛋白质工程进展如何？申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26三、蛋白质工程的进展和前景2、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的的了解还很不够。高级结构前景诱人(1)科学家通过对的改造，已使其成为速效型药品。(2)生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面，用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有的特点。胰岛素体积小、耗电少和效率高3、蛋白质工程还必须依靠、等技术才能实现。基因工程组织培养申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26核心要点突破对蛋白质工程的理解1．蛋白质工程崛起的缘由：基因工程只能生产出天然蛋白质，蛋白质工程是为了生产出符合人类生产和生活需要的新蛋白质。申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/262．基本原理和途径它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代基因工程。其原理是：根据中心法则逆向推理。图示如下：申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/263．设计中的困难：如何推测非编码区以及内含子的脱氧核苷酸序列。4．蛋白质工程的步骤申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26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)?例1申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26【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：①首先设计蛋白质氨基酸序列。②找到对应的脱氧核苷酸序列。③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。申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26解答(1)根据氨基酸序列反推mRNA上密码子序列，再反推DNA上脱氧核苷酸序列。其DNA碱基序列为：(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合成，或从基因库中获取…—甲硫氨酸—色氨酸—苯丙氨酸—色氨酸—…AUGUGGUUUUGGUUC申春晖Workroom申春晖Workroom项目基因工程蛋白质工程操作对象操作核心过程基因基因基因表达载体构建基因修饰或基因改造获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与表达预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质基因工程和蛋白质工程比较申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26目标结果联系定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品定向改造或生产人类所需的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质蛋白质工程是以基因工程为基础,延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的、新的蛋白质申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26【巩固2】基因工程与蛋白质工程的区别是()A．基因工程需对基因进行分子水平操作，蛋白质工程不对基因进行操作B．基因工程合成自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程可以合成自然界不存在的蛋白质C．基因工程是分子水平操作，蛋白质工程是细胞水平(或性状水平)的操作D．基因工程完全不同于蛋白质工程申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26【例1】蛋白质工程是指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、生产的过程。下图是蛋白质工程的基本途径，试回答下列有关问题。蛋白质工程及其原理预期蛋白质功能――→①设计预期蛋白质结构――→②推测应有的氨基酸序列――→③推测相应基因中脱氧核苷酸序列――→④生产相应蛋白质申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26(1)图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有其对应的________，后者位于________分子上，其上的核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着________关系。(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上________和________，在这个过程中需要________酶的参与。(3)完成④过程需要涉及________技术。密码子信使RNA碱基互补配对启动子终止子DNA连接基因工程深度剖析(1)由氨基酸可推知mRNA中碱基序列，进而能推知相应基因中的核苷酸序列；(2)经③过程获得的脱氧核苷酸序列并非完整的基因，它还必需加入启动子、终止子等；(3)完成④过程需基因工程技术，从而实现改造的目的基因的表达。申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26蛋白质工程的应用9、下列不属于蛋白质工程成果的是（）A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性B．生产出鼠—人嵌合抗体C．将t—PA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺D．将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素属于基因工程的成果申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26练习检测1．蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）Ａ．氨基酸结构B．蛋白质空间结构C．肽链结构D．基因结构申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26练习检测2．下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）A．蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要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C．蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子D．蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/263、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）A、蛋白质工程以基因工程为基础B、蛋白质工程就是酶工程的延伸C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/264、蛋白质工程的基本流程正确的是（）①蛋白质分子结构设计②DNA合成③预期蛋白质功能④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A．①②③④B．④②①③C．③①④②D．③④①②申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26练习检测5、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（）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申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/261．（8分）科学家将人的生长激素基因与大肠杆菌的DNA分子进行重组，并成功地在大肠杆菌中得以表达。但在进行基因工程的操作过程中，需使用特定的限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。已知限制酶I的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制酶II的识别序列和切点是—↓GATC—，据图回答：申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26目的基因与运载体有几种组合?申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26(1)过程①表示的是采取的方法来获取目的基因。（2）根据图示分析，在构建基因表达载体过程中，应用限制酶切割质粒，用限制酶酶切割目的基因。用限制酶切割目的基因和运载体后形成的黏性末端通过原则进行连接。(3)人的基因之所以能与大肠杆菌的DNA分子进行重组，原因是。反转录法（人工合成法）ⅠⅡ碱基互补配对人的基因与大肠杆菌DNA的双螺旋结构相同申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26(4)人体的生长激素基因能在细菌体内成功表达是因为。写出目的基因导入细菌中表达的过程。(5)将得到的大肠杆菌B涂布在一个含有氨苄青霉素的培养基上，能够生长的，说明已导入了，反之则没有导入。共用一套（遗传）密码子生长激素基因→mRNA→人生长素人生长激素基因申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/262.（9分）降钙素是一种多肽类激素，临床上用于治疗骨质疏松症等。人的降钙素活性很低，半衰期较短。某科学机构为了研发一种活性高、半衰期长的新型降钙素，从预期新型降钙素的功能出发，推测相应的脱氧核苷酸序列，并人工合成了两条72个碱基的DNA单链，两条链通过18个碱基对形成部分双链DNA片段，再利用Klenow酶补平，获得双链DNA，过程如下图。又称克列诺片段，是大肠杆菌聚合酶I的大片断，对突出的粘末端可以催化产生平末端，用于后续的平端连接申春晖Workroom申春晖Workroom2020/2/26（1）Klenow酶是一种________酶，合成的双链DNA有_______个碱基对。（2）获得的双链DNA经EcoRⅠ（识别序列和切割位点-G↓AATTC-）和BamHⅠ（识别序列和切割位