3.4蛋白质工程的原理和应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第3章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用 对生活中的生物现象进行分析并提出问题，体现了科学探究的核心素养。 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,获得了黃色荧光蛋白等。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? 1.概述人们根据基因工程原理,进行蛋白质设计和改造,可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。 2.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.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。（生命观念） 2.概述蛋白质工程的基本原理。（生命观念） 3.用蛋白质工程技术，解决实际问题。（社会责任） 一、蛋白质工程崛起的缘由及基本原理 1．蛋白质工程崛起的缘由 (1)蛋白质工程的概念：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 基因，来改造现有蛋白质，或制造一种 ，以满足人类生产和生活的需求。 (2)蛋白质工程的基础： 。 (3)基因工程的实质：将一种生物的基因转移到 ，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出 。 改造或合成 新的蛋白质 基因工程 另一种生物体内 新的性状 (4)基因工程存在的不足：基因工程原则上只能生产自然界中已 的蛋白质。 (5)天然蛋白质存在的不足：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的 符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 2．蛋白质工程的基本原理 (1)目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的 进行设计改造。 (2)流程：从预期的蛋白质 出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的 →找到并改变相对应的 (基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。 存在 结构和功能 结构 氨基酸序列 脱氧核苷酸序列 功能 1．蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？ (1)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；(2)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。 2．如何判断基因工程和蛋白质工程？ （1）看对基因的操作方法 如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程； 如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。 对生活中的生物现象进行分析并提出问题，体现了科学探究的核心素养。 ？ （2）看目的基因的合成方式 基因工程和蛋白质工程中都可以通过逆转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。 如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术； 如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。 （3）看合成的蛋白质种类 如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程； 如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。 项目 蛋白质工程 基因工程 过程 预期蛋白质功能→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或合成新的基因→获得所需要的蛋白质 获取目的基因→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型和生物产品 结果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质 【归纳提升】 蛋白质工程与基因工程的比较 (1)区别 (2)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基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。 【例1】蛋白质工程与基因工程相比，其突出的特点是 (　　) A．基因工程原则上能生产任何蛋白质 B．蛋白质工程能对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质 C．蛋白质工程可以不通过转录和翻译来实现 D．蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第三代基因工程 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为基础，通过改造或合成基因，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要求。也就是说，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。 B 二、蛋白质工程的应用 1．在医药方面 (1)利用蛋白质工程研发 。 (2)实例：延长 体外保存时间。 药物 天然干扰素不易保存 改造 新干扰素基因 预期功能 延长保存时间 设计结构 氨基酸替换 一个半胱氨酸变成丝氨酸 推测序列 预期结构 转录 mRNA 折叠 翻译 多肽链 行使功能 在-70℃下可以保存半年 干扰素 2．在工业方面 (1)蛋白质工程被广泛用于改进 或开发新的工业用酶。 (2)实例：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。 3．在农业方面 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 的效率，增加粮食的产量。 酶的性能 光合作用 1．科学家对蛋白质进行改造是否要获得相应的目的基因？如何获得？ 是。应该以现有的蛋白质结构为基础，设计满足新功能需要的新结构，推测出相关的氨基酸序列，然后根据密码子找出相应的DNA序列，再进行人工合成或改造得到目的基因。 2．经改造的蛋白质基因合成的蛋白质和原来的相比，在结构和功能 上的改变有哪些？ 在结构方面：其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸。 在功能方面：大大提高了该干扰素在体外保存的稳定性。 ？ 比较基因工程，联系生活提出问题，体现了科学探究的核心素养。 【例2】(多选)科研人员利用相关技术改变了胰岛素B链的第9位氨基酸，从而避免了胰岛素结合成无活性的二聚体形式。下列相关叙述中，正确的是 (　 　) A．胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用 B．可通过测定DNA的序列确定突变是否成功 C．对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程 D．该过程的操作对象是胰岛素分子 ABC 胰岛素的本质是蛋白质，只能注射，不宜口服使用，A正确；可通过测定DNA的序列确定突变是否成功，B正确；对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程，C正确；蛋白质工程从属于基因工程，蛋白质工程的操作对象是基因，D错误。 蛋白质工程的原理和应用 崛起缘由 基本原理 蛋白质工程 基因工程 目标 流程 应用 在医药方面 在工业方面 概念 基础 实质 不足 在农业方面 1．（2024·红河高二检测）下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．可以根据人类的需要，设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质 B．可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域 C．可以通过基因工程间接地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸 D．可以通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造 D 蛋白质工程是在原有蛋白质的基础上，根据人们的需求对蛋白质分子作出的定向地改造，可以设计并制造出自然界不存在的全新蛋白质，A正确；蛋白质工程可以根据功能的需要替代蛋白质中的某一个肽段或一个特定的结构区域，B正确；可以通过基因工程有目的地改造蛋白质中特定的一个或几个氨基酸，以获得人类所需要的目的蛋白质，C正确；蛋白质工程属于第二代基因工程，不能通过人工化学合成的方法直接对蛋白质的氨基酸进行改造，D错误。 2．下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法 B．设计扩增目的基因的引物时，不必考虑表达载体的序列 C．蛋白质工程是通过改造或合成基因，对现有蛋白质进行 改造，或制造一种新的蛋白质的技术 D．蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质 B 将基因表达载体导入小鼠的受精卵中常用显微注射法；设计的引物应能与表达载体两端的序列互补配对；蛋白质工程是指以分子生物学相关理论为基础，通过改造或合成基因，对现有的蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质的技术；通过蛋白质工程可合成自然界中不存在的蛋白质。 3.蛛丝的强度和柔韧度得益于蛛丝蛋白的特殊布局，使它产生了一个由坚硬的结晶区和非结晶区构成的混合区域。有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝。此过程运用的技术及流程分别是(　　) A．基因突变；DNA→RNA→蛋白质 B．基因工程；RNA→RNA→蛋白质 C．基因工程；DNA→RNA→蛋白质 D．蛋白质工程；蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质 D 根据题干信息“通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其相应的基因结构，以指导对蚕丝蛋白的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝”可知，该工程运用的技术是蛋白质工程，操作的流程是蛋白质→RNA→DNA→RNA→蛋白质。 4．水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素是具有抗凝血作用的蛋白质。通过蛋白质工程操作用赖氨酸替代水蛭素第47位的天冬酰胺，可提高其抗凝血活性，相关流程如图，据图分析，下列叙述错误的是（　　） A．上述研究中目前直接的操作对象是水蛭素基因 B．蛋白质工程进行中难度最大的操作是改造水蛭素基因 C．指导c形成的新水蛭素基因的碱基序列可能不同 D．改造后的水蛭素需要与天然水蛭素进行抗凝血活性比较 B 蛋白质工程的基本途径是从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质的结构→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，故操作对象是水蛭素基因，A正确；蛋白质工程进行中难度最大的操作是设计并改变蛋白质的高级结构，B错误；物质a是mRNA，物质b是氨基酸序列多肽链，mRNA可能不同，所以指导c形成的新水蛭素基因的碱基序列可能不同，C正确；改造后的水蛭素需要与天然水蛭素进行抗凝血活性比较，D正确。 5.科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图回答问题。 (1)通过题图可知鼠—人嵌合抗体是通过人工设计而形成的具有特定功能的蛋白质，其生产过程应属于蛋白质工程的范畴。 (2)蛋白质工程的流程：预期蛋白质的功能→设计预期的蛋白质结构→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)→通过基因工程操作生产预期的蛋白质。 (1)改造鼠源杂交瘤抗体，生产鼠—人嵌合抗体，属于____________(生物工程)的范畴。 (2)图示过程是根据预期的________________，设计________________，最终必须对______进行操作，此操作中改变的是____________________。 蛋白质工程 嵌合抗体的功能 基因 嵌合抗体的结构 脱氧核苷酸的排列顺序 (3)从免疫的角度考虑，对人体来说鼠源抗体为抗原，若利用人的抗体与之嵌合，则排斥作用会减轻，对人体的副作用会减少。 (4)由于蛋白质空间结构比较复杂，不易确定，所以成为蛋白质工程中最大的障碍。 (3)经过改造的鼠—人嵌合抗体，与鼠源杂交瘤抗体相比较，突出的优点是_______________________(从免疫角度考虑)。 (4)上述过程中对科学家来说难度最大的是________________________。 对人体的不良反应减少 设计嵌合抗体的空间结构 $$