3.4 蛋白质工程的原理和应用ppt课件-(新教材)2019新人教版高中生物选择性必修三.pptx
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1、蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 你见过用细菌画画吗?右图是用发你见过用细菌画画吗?右图是用发出不同颜色荧光的细菌出不同颜色荧光的细菌“画画 的美妙图案。的美妙图案。这些细菌能够发出荧光,是因为在它们的这些细菌能够发出荧光,是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。体内导入了荧光蛋白的基因。 最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白,科学家通过改造它,获得了黄色蛋白,科学家通过改造它,获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。有着重要应用。从社会中来 那么
2、,科学家是怎样对蛋白质分子那么,科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢?进行设计和改造的呢?逆转录逆转录转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链复制复制复制复制折叠等折叠等具有空间结具有空间结构的蛋白质构的蛋白质表达生物特有表达生物特有的功能或性状的功能或性状天然蛋白质的合成过程与性状表达天然蛋白质的合成过程与性状表达温故知新温故知新:蛋白质只有具有一定空间结构,才能表达特有性状或具有特定功能蛋白质只有具有一定空间结构,才能表达特有性状或具有特定功能4三三级级结结构构一一级级结结构构四四级级结结构构二二级级结结构构蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 -多肽链的盘曲或折叠多肽链的盘曲或
3、折叠胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构-多肽链多肽链既盘曲又折叠既盘曲又折叠血红蛋白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 -四条多肽链的盘曲和折叠四条多肽链的盘曲和折叠蛋白质工程 以蛋白质分子的以蛋白质分子的结构结构规律及其与生物规律及其与生物功能功能的关系作为的关系作为基础,通过基础,通过改造或合成基因改造或合成基因,来改造现有蛋白质,或制造,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求。对蛋白质分子对蛋白质分子结构结构的设计和改造是通过的设计和改造是通过蛋白质工程蛋白质工程实现的。实现的。-第二代基因工程第二代基因工程基础基础:了
4、解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能途径:途径:目的:目的:改造或制造新的蛋白质,满足人类的生产或生改造或制造新的蛋白质,满足人类的生产或生活的需要活的需要改造基因(基因修饰或基因合成)改造基因(基因修饰或基因合成)基因工程与蛋白质工程的比较基因工程实质不足蛋白质工程天然蛋白质的不足目的将一种生物的将一种生物的 转移到另一种生物体内,后者可以产生它转移到另一种生物体内,后者可以产生它本不能产生的本不能产生的 ,进而表现出,进而表现出 。基因基因蛋白质蛋白质新性状新性状在原则上只能生产自然界已存在在原则上只能生产自然界已存在的的 。蛋白质蛋白质即天然蛋白质即天然蛋白质 天然蛋白质是生物在长
5、期天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的,它们的过程中形成的,它们的结构和功结构和功能能符合特定物种符合特定物种 的需要,却不一定完全符合人类生产和生的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。活的需要。进化进化生存生存生产符合人类生产和生活的需要的生产符合人类生产和生活的需要的 。蛋白质蛋白质一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质质天然蛋白质天然蛋白质干扰素干扰素治疗病毒感治疗病毒感染、癌症。染、癌症。保存半年保存半年改变分子结构改变分子结构半胱氨酸半胱氨酸 丝氨酸丝氨酸体外保存困体外保存困难难实例实
6、例1 1:符合特定物符合特定物种生存需要种生存需要不一定符不一定符合人类生合人类生产、生活产、生活需要需要实例实例2:赖氨酸赖氨酸含量低含量低合成时需:合成时需:天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶;二氢吡啶二羧酸二氢吡啶二羧酸合成酶。合成酶。浓度浓度影响影响酶活酶活性性苏氨酸苏氨酸(352(352位)位)异亮氨酸异亮氨酸产量提高产量提高天冬酰胺天冬酰胺(104(104位位) )异亮氨酸异亮氨酸改造蛋白质结构改造蛋白质结构改造改造干扰素(半胱氨酸)干扰素(半胱氨酸)体外很难保存体外很难保存干扰素干扰素(丝氨酸)(丝氨酸)体外可以保存半年体外可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激
7、酶天冬氨酸激酶(352352位的苏氨酸)位的苏氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶(104104位的天冬酰胺)位的天冬酰胺)天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶(异亮氨酸)(异亮氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶(异亮氨酸)(异亮氨酸)玉米中赖氨酸含量提高数倍玉米中赖氨酸含量提高数倍改造改造改造改造满足人类生产满足人类生产和生活的需要和生活的需要1 1、目标:、目标:根据人们对根据人们对蛋白质功能蛋白质功能的特定需求,对的特定需求,对蛋白质的结蛋白质的结构构进行进行设计改造设计改造。2 2、原、原理:理:改造基因(基因改造基因(基因修饰修饰或基因或基因合成合成)3 3、流程:、流程:
8、从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列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)找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序推测应有的氨基酸序列列找到对应的脱氧核苷酸序列找到对应的脱氧核苷酸序列合成新基因合成新基因获得所需要的蛋获得所需要的蛋白质白质蛋白质工程的基本思路蛋白质工程的基本思路蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同?蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同?基因工程是遵循中心法则,基因工程是遵循中心法则,DNAm
9、RNADNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功折叠产生功能,能,基本上是基本上是生产出自然界已有的蛋白质。生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的:蛋白质工程是按照以下思路进行的:确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应有的高级结构蛋白质应具蛋白质应具备的折叠状态备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的氨基酸序列应有的碱基排列,应有的碱基排列,创创造出自然界不存在的蛋白质造出自然界不存在的蛋白质思考:思考:天然蛋白质的合成途径:天然蛋白质的合成途径:基因表达(转录和翻译)形成氨基酸序列的多肽基因表达(转录和翻译)形成氨基酸序列的多肽链链 形成具有高级结构的蛋白质形成具
10、有高级结构的蛋白质 行使生物功能行使生物功能预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测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应有的氨基酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列( (基因基因) )蛋白质工程的途径:蛋白质工程的途径:(基因工程)(基因工程)遵循中心法则遵循中心法则蛋白质工程流程图:蛋白质蛋白质三维结构三维结构氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链基因基因DNA预期预期功能功能DNA合成合成分子分子设计设计mRNA生物生物功能功能转录转录翻译翻译折叠折叠1. 从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发2. 设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构3
11、. 推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列4. 找到相应的脱氧核苷酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列(1 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 2)测定其氨基酸序列;)测定其氨基酸序列;(3 3)借助核磁共振和)借助核磁共振和X X射线晶体衍射等手段,尽可能地射线晶体衍射等手段,尽可能地 了解蛋白质的二维结构和三维晶体结构了解蛋白质的二维结构和三维晶体结构; ;(4 4)设计各种处理条件,)设计各种处理条件,了解蛋白质的结构变化,包括折叠与去折叠了解蛋白质的结构变化,包括折叠与去折叠 等对其活性与功能的影响等对其活性与功能的影响;(5 5)设计设计编码该蛋白的编码该
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