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选择性必修3

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。 从社会中来 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? 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的 第三章 基因工程 3.4 蛋白质工程的原理和应用 新课标 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.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，设计或改造某一蛋白质的设计流程。 2.社会责任——尝试运用逆向思维分析和解决问题。 第三章 基因工程 3.4 蛋白质工程的原理和应用 蛋白质工程的概念 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。 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。 1.基础: 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 2.操作方法及对象: 改造或合成基因 3.结果: 改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质 4.目的: 满足人类生产和生活的需求 5.与基因工程的关系: 6.相关学科及技术： 分子生物学、晶体学和计算机技术 你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国 科学家承担了什么任务？ 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。 人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。 将一种生物的____转移到另一种生物体内，后者可以产生它__________________，进而表现出________。 一、蛋白质工程崛起的缘由 1.基因工程的实质： 基因 本不能产生的蛋白质 新的性状 2.基因工程的局限性：_______________________________ 只能生产自然界中已存在的蛋白质 3.天然蛋白质的不足： 天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的，它们的结构和功能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； 如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 赖氨酸合成 催化 达到一定浓度 两种酶的活性 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 + 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 实例：对天然酶的改造 （含量提高5倍） （含量提高2倍） 1.蛋白质工程的目标 根据人们对蛋白质_____的特定需求，因此要对蛋白质的_____进行设计改造。 2.蛋白质工程的实质* _____________________________________________ 功能 结构 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） 思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ ①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； ②基因可以遗传，蛋白质无法遗传； ③蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； 二、蛋白质工程的基本原理 3. 蛋白质工程的基本思路 预期功能 生物功能 推测 折叠 改造或合成 翻译 转录 基因 DNA 蛋白质 结构 氨基酸 序列 mRNA 二、蛋白质工程的基本原理 改造基因的方法：定点突（诱）变、基因拼接、基因融合 基因的定点突变技术来进行碱基的替换：比如通过设计引物，运用PCR技术可是实现目的基因的定点诱变。如设计一种引物序列中含有一个碱基T不能与目的基因片段配对，但不影响引物与模板链的整体配对，所以它会结合上去，并在耐高温DNA聚合酶的作用下，实现延伸 基因拼接：将两个不同的基因片段拼接在一起 基因融合：两个基因片段分别断成两半，发生了连接，就有可能形成新的基因片段 9 蛋白质工程基本思路的应用 某多肽链的一段氨基酸序列是： 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 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）。 mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） DNA序列为：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） 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？ 人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换。 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作水平 操作流程 结果 实质 联系 基因 基因 DNA分子水平 DNA分子水平 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变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 目的基因的筛选与获取→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 可生产自然界没有的蛋白质 生产自然界已有的蛋白质 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 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，进而表现出新的性状 ①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； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作； 预期蛋白质功能 目的基因 4. 蛋白质工程与基因工程的比较 小结：如何判断一个操作是基因工程还是蛋白质工程 是否改造基因 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 1.研发速效胰岛素类似物 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 天然干扰素不易保存 预期结构 改造 一个半胱氨酸变成丝氨酸 新干扰素基因 转录 mRNA 折叠 预期功能 行使功能 延长保存时间 设计结构 氨基酸替换 推测序列 翻译 多肽链 在-70℃下可以保存半年 3.制备鼠—人嵌合抗体 通过_________，将小鼠抗体上_ _ ____的区域（即_______）“嫁接”到_______（即_______）上，经过这样改造的抗体______________________________。 改造基因 结合抗原 可变区 人的抗体 恒定区 诱发免疫反应的强度就会降低很多 4.其他 ①改进酶的性能或开发新的工业用酶； （如获得多种枯草杆菌蛋白酶突变体） ②改造某些参与调控光合作用的酶， 以提高植物光合作用的速率，增加粮食 的产量； ③设计优良微生物农药，改造微生物蛋 白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。 蛋白质工程是一项难度很大的工程； 主要原因是： _____________________________ ____________________________ 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 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。 【典例1】科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是(　　) A.直接改造这两种酶的空间结构 B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造 C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变 D.利用基因工程技术，对控制这两种酶合成的基因进行改造 解析:蛋白质工程的操作对象是基因，应利用基因工程技术，对控制题述两种酶合成的基因进行改造，D正确。 D 【典例2】目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是(　　) ①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　 ③合成蓝色荧光蛋白基因　 ④表达出蓝色荧光蛋白 A.①②③④ B.②①③④ C.②③①④ D.④②①③ B 解析　参照蛋白质工程的基本途径，采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构→①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列→③合成蓝色荧光蛋白基因→④表达出蓝色荧光蛋白。 19 【课堂小结】 (1)蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而产生出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术。( ) 解析：蛋白质工程直接改造的是基因，而非蛋白质。 (2)基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要。( ) (3)通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶上352位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅度提高玉米中赖氨酸的含量。( ) (1)蛋白质工程的目标是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。( ) (2)蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。( ) (3)由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。( ) × √ √ √ × √ 【基础过关】 【检测1】下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一 B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质 C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、生活的需要 D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造 解析:基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，蛋白质工程能生产自然界中不存在的蛋白质，B错误。 B 【检测2】下列关于蛋白质工程的说法，错误的是(　　) A.蛋白质工程的崛起符合工业生产和基础理论研究的需要 B.蛋白质工程可对酶的催化活性、抗氧化性等加以改变 C.理论上对关键氨基酸的置换与增删是进行蛋白质工程的唯一方法 D.蛋白质工程能将人抗体的某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度 C 解析　蛋白质工程的崛起符合工业生产和基础理论研究的需要，A正确；蛋白质工程可对酶的催化活性、抗氧化性等加以改变，B正确；蛋白质工程的类型主要有两种，一是改造基因，从而对关键氨基酸进行置换或增删等，二是合成新基因，制造新的蛋白质，C错误；蛋白质工程能将人抗体的某些区段替代鼠单克隆抗体的区段，降低鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度，D正确。 23 【检测3】镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β­肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。回答下列问题： (1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的____________序列发生改变。 (2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作_______(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作___________________________________________。 (3)用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的________，以其作为模板，在________酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和_____________酶的作用下，构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。 (4)检测受体菌是否已合成血红蛋白，可从受体菌中提取________，用相应的抗体进行______________杂交，若出现杂交带，则表明该受体菌已合成血红蛋白。 碱基 不属于 没有对现有蛋白质进行改造 mRNA 逆转录 DNA连接 蛋白质 抗原-抗体 【检测4】下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题： (1)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容： ①______； ②______；③______；④______；⑤__________。 (2)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，通过____________________实现。 (3)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。 转录 翻译 折叠 推测 改造合成 根据人们对蛋白质功能的特定需求， 基因改造或基因合成 相反 对蛋白质的结构进行分子设计 $$