3.4 蛋白质工程-【堂堂清】2024-2025学年高二生物下学期同步精品课件（2019人教版选择性必修3）

3.4 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? 蛋白质工程（第二代基因工程） 01 蛋白质 工程 满足人类生产和生活的需求； 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； 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。 基 础 手 段 目 的 地 位 理 论 与技术 是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程； 分子生物学、晶体学和计算机技术； 蛋白质工程（第二代基因工程） 01 符合特定物种 生存的需要 不一定符合人类生产、生活需要 天然蛋白质 蛋白质 工程 改造现有蛋白质 制造一种新的蛋白质 为什么要进行蛋白质工程（第二代基因工程）的研究呢？ 思考 基因工程的原理是 ； 原则上只能生产 。 自然界中已存在的蛋白质 基因重组 蛋白质工程（第二代基因工程）·实例 01 【资料1】玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性受细胞内赖氨酸浓度的影响大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。 【资料2】如果我们将天冬氨酸激酶中第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，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍 ①基因工程： ； ②蛋白质工程： 。 将赖氨酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中 通过改造基因，进而改造现有蛋白质 如何培育高赖氨酸玉米？ 思考 蛋白质工程的基本原理 02 目 标 手 段 思 路 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。 改造或合成基因。 与蛋白质合成的过程相反。 注：蛋白质工程的操作对象是基因。 目的 基因 mRNA 多肽链 蛋白质 (三维结构) 折叠 翻译 生物 功能 转录 行使 设计 推测 改造或合成 预期功能 蛋白质工程是怎样进行的呢？ 蛋白质工程的基本原理 02 蛋白质工程为什么不直接改造蛋白质？ 思考 ①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大; ②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； ③基因可以遗传，蛋白质无法遗传。 蛋白质工程是怎样进行的呢？ 蛋白质工程的基本原理 02 蛋白质工程基本思路的应用 思考·讨论 某多肽链的一段氨基酸序列是： 【讨论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。 谷 氨酸 苯丙氨酸 赖 氨酸 色 氨酸 丙 氨酸 查密码子表 密码子表 02 密码子的简并：一个氨基酸由一个或多个密码子决定 蛋白质工程的基本原理 02 蛋白质工程基本思路的应用 思考·讨论 某多肽链的一段氨基酸序列是： 【讨论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。 【查密码子表得知】 丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、 赖氨酸(AAA、AAG）、 谷氨酸（GAA、GAG）、 苯丙氨酸（UUU、UUC）。 谷 氨酸 苯丙氨酸 赖 氨酸 色 氨酸 丙 氨酸 ①推知mRNA序列为： 共 种可能序列。 ②推知脱氧核苷酸序列为： 共 种可能序列。 32 GCU(或C或A或G)|UGG|AAA(或G)|GAA(或G)|UUU(或C) CGA(或G或T或C)|ACC|TTT(或C)|CTT(或C)|AAA(或G) GCT(或C或A或G)|TGG|AAA(或G)|GAA(或G)|TTT(或C) 32 蛋白质工程的基本原理 02 蛋白质工程基本思路的应用 思考·讨论 某多肽链的一段氨基酸序列是： 【讨论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？ 谷 氨酸 苯丙氨酸 赖 氨酸 色 氨酸 丙 氨酸 提示：①可以通过 合成目的基因； ②应用到 来进行碱基的替换等进而改造基因。 人工 基因定点突变技术 扩展：基因定点突变技术 02 引物 突变 DNA聚合酶 DNA连接酶 受体细胞 转录 突变 项目 内容 条件 原料 酶 引物 操作方法 先通过 扩增已获得定点突变的基因，再通过基因工程将突变基因导入受体细胞，经过 和 合成所需的蛋白质。 结果 后代中 为诱变的DNA分子 适用范围 空间结构完全清楚的蛋白质， 对其基因进行碱基的 等 特点 4种脱氧核苷酸 DNA聚合酶和DNA连接酶 含突变位点的DNA分子片段 有目的性和针对性 PCR 转录 翻译 一半 替换 蛋白质工程的基本原理 02 【小结】蛋白质工程的基本思路： 从预期的蛋白质功能出发. →设计预期的 . →推测应有的 序列. →找到并改变相对应的 序列 (基因)或合成新的基因. →获得所需要的蛋白质。 蛋白质结构 氨基酸 脱氧核苷酸 【学科交叉】 ①蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型； ②要制备蛋白质晶体，然后通过 X射线衍射技术，分析晶体的结构；③要用到基因的定位突变技术来 进行碱基的替换。 蛋白质工程是怎样进行的呢？ 重难点：区分基因工程和蛋白质工程 02 是否合成新的基因 是否对原有 基因进行改造 是 否 是 否 二看蛋白质 一看基因 是否为 天然 蛋白质 是 否 方法 蛋白质工程 基因工程 蛋白质工程 基因工程 蛋白质工程 蛋白质工程的应用 03 【蛋白质工程】科学家通过对 的改造，研发速效胰岛素类似物。 蛋白质工程的应用·①医药工业方面 03 【资料1】天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。 预期结构 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 mRNA 降低胰岛素的聚合作用 改变B链第20～29位氨基酸组成 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 改造 转录 折叠 预期功能 行使功能 设计结构 推测序列 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚合 胰岛素基因 【蛋白质工程】通过改造 ，延长干扰素体外保存时间。 蛋白质工程的应用·①医药工业方面 03 【资料2】干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病，但在体外保存却相当困难。 干扰素基因 天然干扰素不易保存 预期结构 一个半胱氨酸变成丝氨酸 新干扰素基因 mRNA 延长保存时间 氨基酸替换 改造 转录 折叠 预期功能 行使功能 设计结构 推测序列 翻译 多肽链 在-70℃下可以保存半年 【蛋白质工程】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 很多。 蛋白质工程的应用·①医药工业方面 03 【资料3】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。 降低 该过程能通过基因定点突变技术改造基因实现吗？ 思考 不能；需要通过基因拼接完成。 蛋白质工程的应用·②其他工业方面 03 在其他工业方面， 蛋白质工程被广泛用于 或 。 【资料】枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。 改进酶的性能 开发新的工业用酶 蛋白质工程的应用·③农业方面 03 在农业方面， ①改造某些 ； 【资料】科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶， 以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。 ②改造微生物 ； 【资料】科学家利用蛋白质工程的思路来设计优良微生物农药, 通过改造微生物蛋白质的结构，增强微生物防治病虫害的效果。 参与调控光合作用的酶 蛋白质结构 蛋白质工程的应用 03 蛋白质的高级结构 蛋白质的功能 相互关系 蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。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。我们相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。 蛋白质工程的原理和应用·判断正误P73 (1)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质(　　) (2)对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的(　　) (3)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(　　) √ √ × 基因； × 可以改变； 1．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 蛋白质工程的原理和应用·落实思维方法P74 D 基因工程，×； 2．腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是(　　) A．N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一 B．加入连接肽需要通过改造基因实现 C．获得N1的过程需要进行转录和翻译 D．检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境 蛋白质工程的原理和应用·落实思维方法P74 D 酶具有高效性，检测N1的活性需先将其置于高温环境，再与底物充分混合，×； 练习与应用·书本P96 1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。 ⑴基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因 进行操作。（ ） ⑵蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ） ⑶蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（ ） × × √ 练习与应用·书本P96 2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是（ ） A.分析蛋白质的三维结构 B.研究蛋白质的氨基酸组成 C.获取编码蛋白质的基因序列信息 D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求 3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ） A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质 D A FormatFactory : www.pcfreetime.com $$