3.4 蛋白质工程的原理和应用-2024-2025学年高二生物同步优质备课（人教版2019选择性必修3）

第4节 蛋白质工程的原理和应用 【本节聚焦】 1.蛋白质工程的基本原理是什么？ 2.蛋白质工程已有哪些实际的应用？ 第三章 基因工程 1 学习目标、重难点 核心素养 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 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。 1.生命观念：说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。 2.科学思维：尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。 3.社会责任：尝试运用逆向思维分析和解决问题。 1.教学重点 （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 2.教学难点 （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。 2 细菌的艺术-微生物培养大赛 情境视频 为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？ 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 改造 黄色荧光蛋白 及其他颜色的荧光蛋白 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。 这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤 科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？ 对蛋白质分子的设计和改造是通过 蛋白质工程来实现的。 赖氨酸产量提高 赖氨酸 合成时需： 天冬氨酸激酶； 二氢吡啶二羧酸合成酶。 达到一定浓度抑制酶活性 异亮氨酸 苏氨酸(352位） 异亮氨酸 天冬酰胺(104位) 一、蛋白质工程崛起的缘由 实例1：利用蛋白质工程提高玉米赖氨酸含量 提高5倍 提高2倍 赖氨酸含量低 ①基础：_______________________________________________ ②途经：___________________ ③操作对象：______ ④目的：_______________________________________________________________ _____________ ⑤理论和技术：______________________________________ 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 在分子生物学、晶体学和计算机技术 基因 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。 思考：为什么要研究蛋白质工程呢？ 一、蛋白质工程崛起的缘由 （一）基因工程的实质和不足： 基因工程实质：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，进而表现出新性状。 一、蛋白质工程崛起的缘由 原则上只能产生自然界已存在的蛋白质(天然蛋白) 基因工程的缺陷 有时不完全符合人类生产和生活需要 天然蛋白的缺陷 对天然蛋白进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质 蛋白质工程 怎么改造？ 是直接改造蛋白质分子，还是改造基因?为什么? 二、蛋白质工程的原理 实例2： 天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历较长时间解离为单体，见效慢。 1.研究人员发现将人胰岛素B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，可有效抑制胰岛素聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？ 直接改造蛋白质？ 蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；并且无法遗传 改造基因？ 蛋白质由基因编码，改造基因可以间接改造蛋白质；基因可以遗传。 √ 思路：应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。 具体思路？ 2．如果已经推测出多肽的氨基酸序列，怎样才能找到相对应的脱氧核苷酸序列？ 先根据氨基酸序列找到对应的密码子 推测出mRNA上的核糖核苷酸序列 推出一条脱氧核糖核苷酸序列 推出DNA的核苷酸序列 二、蛋白质工程的原理 胰岛素 是否唯一? 不唯一，一种氨基酸可以对应一个或多个密码子，因此获得的基因总核苷酸序列有多种。 拓展延伸 3．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？ 可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 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中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 二、蛋白质工程的原理 天然蛋白质合成的过程： 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 蛋白质 （三维结构） 行使 生物功能 预期功能 设计 推测 改造或合成 二、蛋白质工程的原理 4.参照天然蛋白质合成的过程，构建出蛋白质工程的基本思路？ 按照中心法则进行 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 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。 ？ 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 怎么解决？ 11 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 蛋白质 （三维结构） 行使 生物功能 预期功能 设计 推测 改造或合成 二、蛋白质工程的原理 起点： 目的： 终点： 实质： 前提： 蛋白质的预期功能 了解蛋白质结构和功能的关系 获得大量的改造后的蛋白质 通过改造或合成基因，来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。 蛋白质工程关键技术：基因工程 又称第二代基因工程 （二）蛋白质工程的基本思路： 12 a.以据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质（到目前没有成功例子） b.改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构域 c.利用基因工程中的定点诱变技术，改造蛋白质分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基（实践中运用的最多） 借助计算机构建蛋白质三维结构图 （三）蛋白质工程的类型 二、蛋白质工程的原理 定点诱变技术 定点诱变技术 1.(2023·江苏连云港高二期中)下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是（ ） A.利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构 B.研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列 C.设计和制造自然界中没有的人工蛋白质 D.将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶 D 跟踪训练 比较项目 基因工程 蛋白质工程 区 别 起点 过程 实质 结果 联系 生产自然界中已存在的蛋白质 生产自然界中非天然的蛋白质 定向改造生物遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品 改造或制造人类所需要的蛋白质 预期的蛋白质功能 目的基因 获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 ①都在生物体外对基因进行操作； ②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 二、蛋白质工程的原理 （四）基因工程与蛋白质工程的比较 思考：如何辨别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 是 否 蛋白质工程 基因工程 二、蛋白质工程的原理 三.蛋白质工程的应用 （一）医药工业方面 1、研发速效胰岛素类似物 定点突变 天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效。 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 预期结构 改造 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置 新胰岛素基因 转录 mRNA 折叠 预期功能 行使功能 降低胰岛素的聚合作用 设计结构 改变B链第20-29位氨基酸组成 推测序列 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚合 三.蛋白质工程的应用 2.延长干扰素体外保存时间 干扰素在体外保存相当困难 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸 在-70℃下干扰素可保存半年 天然干扰素 （体外保存困难） 改造后的干扰素 （-70℃可保存半年） 半胱氨酸 丝氨酸 定点突变 3.提高蛋白质的热稳定性 第3位上的 异亮氨酸 半胱氨酸 与第97位的半胱氨酸形成-s-s- 例：T4溶菌酶热稳定性改造 三.蛋白质工程的应用 定点突变 三.蛋白质工程的应用 4.降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 基因融合 小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低 通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。 医学问题: 解决办法: 伊维菌素 三.蛋白质工程的应用 （二）其它工业方面 改进酶的性能或开发新的工业用酶，如适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶 （三）农业方面 改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量 设计微生物农药，改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强； 伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药 2．研究人员利用蛋白质工程将细菌纤维素酶的第137、179、194位相应氨基酸替换为赖氨酸后，纤维素酶热稳定性得到了提高。下列有关该技术的说法正确的是(　　) A．对纤维素酶的改造需要以基因工程为基础 B．对纤维素酶的改造是通过直接改造mRNA实现的 C．改造后的纤维素酶和原纤维素酶是同一种酶 D．改造前后，纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同 跟踪训练 A 三.蛋白质工程的应用 5.面临的困难： 蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。 6.前景展望： 科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 蛋白质工程 理论基础 技术手段 目标 基本思路 实践应用 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 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 根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造 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。 药物研发 改进酶的性能或开发新的工业用酶 增加粮食产量、研发新型农药 课堂小结 1．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．蛋白质工程的实质是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 B．蛋白质工程可以使大肠杆菌细胞合成人的胰岛素 C．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D．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 课后训练 B 2．蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。如图表示蛋白质工程的流程。下列有关叙述错误的是(　　)   A．蛋白质工程就是根据人们需要，直接对蛋白质进行加工改造 B．蛋白质工程是通过基因改造或基因合成等方法，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质 C．①②过程为转录和翻译 D．蛋白质工程是从④开始的 课后训练 A 3．下列不属于蛋白质工程的成果的是(　　) A．改造蛋白质类酶的结构，提高其热稳定性 B．生产鼠—人嵌合抗体 C．将干扰素分子中的半胱氨酸替换为丝氨酸 D．将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素 D 课后训练 4．某生物中发现一种基因的表达产物是具有较强抗菌性和溶血性的多肽P1，科研人员预期在多肽P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是(　　) A．构建含目的肽DNA片段的表达载体 B．合成编码多肽P1的DNA片段 C．设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构 D．利用抗原—抗体杂交的方法对表达产物进行检测 课后训练 C 5.扰素在体外保存非常困难。干扰素由166个氨基酸组成，如果将其分子上第17位的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在70 ℃的条件下可以保存半年。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，下列思路最可行的是(　　) A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因 B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因 C．直接改造mRNA，进行密码子的替换 D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换 B　 课后训练 6．如图表示蛋白质工程的基本思路，探究下列问题。 (1)写出流程图中字母代表的含义： A.________；B.__________；C.__________；D.________；E.________。 (2)题图字母中属于中心法则的过程______，属于蛋白质工程的过程有______。 (3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因进行操作来实现？____，原因是_______________________________________________________________________。 课后训练 预期功能 氨基酸序列 改造或合成 转录 翻译 A、C D、E 通过对基因进行操作 蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传 6．如图表示蛋白质工程的基本思路，探究下列问题。 (4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质相同吗？分别体现在哪些方面？ 课后训练 不同。操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是天然基因改造后的基因；基因工程的操作对象是天然基因。得到的蛋白质不同：蛋白质工程可以得到自然界中没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然界中原有的蛋白质。 Lavf59.27.100 $$