3.4 蛋白质工程的原理和应用-2023-2024学年高二生物同步优选备课一点通（人教版2019选择性必修3）

你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色 荧光的细菌“画”的美妙图案。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。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有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 从社会中来 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。 通过蛋白质工程实现 1 思考：科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 蛋白质工程 崛起的理由 应用 基本原理 教学目标 1.说出蛋白质工程崛起的理由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 教学重点、难点 1.蛋白质工程的基本原理。 2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 因为对基因改造比对蛋白质直接进行改造要容易，且改造过的基因可以遗传给后代。 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 改造或合成基因 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 是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 基因 蛋白质工程 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，通过改造或合成基因，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。 ①基础： ②手段： ③操作对象： ④目的： ⑤地位： ⑥结果： 生产出自然界没有的蛋白质。 一、蛋白质工程崛起的缘由 有时不完全符合人类生产和生活需要 基因工程的缺陷 天然蛋白的缺陷 蛋白质工程 的作用 原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质（天然蛋白） 对天然蛋白质进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质 基因工程实质？ 赖氨酸合成 调控 达到一定浓度 两种酶的活性 第352位的苏氨酸变成异亮氨酸 二氢吡啶二羧酸合成酶 天冬氨酸激酶 + 第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸 赖氨酸含量 抑制 提高 提高 限制 提高 一、蛋白质工程崛起的缘由 实例：对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的改造 二、蛋白质工程的基本原理 预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 1.原理： 2.基本思路： 蛋白质 （三维结构） 预期功能 生物功能 翻译 折叠 行使 转录 设计 推测 改造或合成 mRNA 目的基因 翻译 由预期的蛋白质功能出发，找到相对应的基因，即基因表达的逆推。 蛋白质 三维结构 预期功能 生物功能 氨基酸序列 多肽链 分子设计 折叠 基因 DNA DNA合成 翻译 mRNA 转录 速效 胰岛素 B链中28号与29号氨基酸对换 速效胰岛素两条多肽链氨基酸序列 速效 胰岛素 基因 转录 速效 胰岛素 mRNA 翻译 折叠 二、蛋白质工程的基本原理 3.根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类： (1)“大改”：设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质。 (2)“中改”：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结 构域。 (3)“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。 项目 蛋白质工程 基因工程 区 别 操作对象 基因 基因 操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平 操作流程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测应有氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需的蛋白质 目的基因的筛选和获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 结果 可生产自然界没有的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质 蛋白质工程与基因工程的区别与联系 项目 蛋白质工程 基因工程 区 别 实质 通过改造或合成基因定向改造或生产人类所需蛋白质 基因重组，定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或产品 应用 及现状 主要集中在对现有蛋白质的改造，尚有难题未克服 在转基因动植物、药品生产等领域已有广泛应用 联系 ①蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程；②蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入受体细胞 思考：如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 是否合成新的基因 蛋白质工程 是否对原有基因进行改造 是 否 是 否 蛋白质工程 基因工程 看蛋白质 看基因 是否为天然蛋白质