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

该高中生物学课件聚焦蛋白质工程的原理与应用，通过红心萝卜情境视频及荧光蛋白细菌绘画问题导入，衔接基因工程知识，以Bt抗虫蛋白改造、速效胰岛素设计等实例为支架，构建“预期功能→设计结构→推测序列→改造基因→获得蛋白”的完整认知脉络。 其亮点在于情境化探究与科学思维深度融合，如通过Bt抗虫蛋白密码子替换模拟、T4溶菌酶耐热性改造等活动，培养逆推分析、模型构建等科学思维，结合医药农业实例强化应用认知，对比辨析基因工程与蛋白质工程方法。既助力学生提升探究实践能力，也为教师提供结构化教学流程与丰富实例，提升教学效率。

第4节　蛋白质工程的原理和应用 第3章 基因工程 生物学 学习目标 1. 通过实例分析，能说明如何根据人类需求对原有蛋白质结构进行基因改造，生产目标蛋白质，并归纳蛋白质工程的基本操作流程。（科学思维、科学探究） 2. 通过分析实例和流程设计，能阐述蛋白质工程的基本原理，明确其与基因工程的联系与区别。（科学思维） 3. 通过了解蛋白质工程的典型应用，能认识其对社会发展的重要意义，尝试提出基于特定功能需求的蛋白质设计方案，发展科学思维，增强社会责任感。（科学思维、社会责任） 学习重难点 重点： 1. 依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 2. 蛋白质工程的基本原理及与基因工程的联系与区别。 难点： 依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 导入新课 情境视频 红心萝卜 导入新课 问题思考 用发出不同颜色荧光的细菌“绘画”的画面令人惊艳——它们之所以能发光，是因为被导入了荧光蛋白基因。绿色荧光蛋白被改造为黄、蓝等多种类型，在细胞活动检测和疾病研究中应用广泛。 讨论: 1.科学家利用什么技术让细菌能够发出荧光？ 2.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。 基因工程。 蛋白质工程的基本原理 新课讲授 探究一 新课讲授 转基因抗虫棉已经在全球范围内取得了巨大成功，但是抗虫蛋白存在毒力有限、害虫对Bt抗虫蛋白的抗性上升等诸多问题，严重制约Bt抗虫蛋白在未来农业生产中进一步发挥巨大作用。研究发现Bt 抗虫蛋白的第5号螺旋可在害虫肠上皮细胞膜上形成孔道结构，位于该螺旋疏水部分的第168位组氨酸是维持孔道结构稳定的关键，该孔道结构越稳定，Bt抗虫蛋白对害虫的毒性越大。科研人员进一步研究发现如果将Bt抗虫蛋白第168位的组氨酸用精氨酸代替，将大大提高其抗虫效果。 [探究一] 蛋白质工程的基本原理 思考：1.为什么要改造Bt抗虫蛋白？ Bt抗虫蛋白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。 新课讲授 [探究一] 蛋白质工程的基本原理 思考：2.从难易程度和可持续性角度考虑，是改造基因还是直接对蛋白质进行改造呢?请阐述理由。 蛋白质的高级结构十分复杂，对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 新课讲授 【探究】改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果。 活动1.将Bt抗虫蛋白第168位组氨酸替换为精氨酸，请你依据密码子信息，模拟如何将168位的组氨酸密码子（如CAU）替换为精氨酸的密码子（如CGU），并写出相应的DNA序列改造策略。 提示: CAU是组氨酸的密码子，UUA是亮氨酸的密码子，CUU是丝氨酸的密码子，CGU、CGC、CGA、CGG是精氨酸的密码子 (四种密码子在棉花植株中均可使用) ——亮氨酸——精氨酸——丝氨酸—— ——U U A C G U C U U C A U —— ——A A T G C A G A A G T A—— ——T T A C G T C T T C A T—— 中心法则 逆推 目的基因 密码子 碱基互补配对原则 [探究一] 蛋白质工程的基本原理 新课讲授 [探究一] 蛋白质工程的基本原理 思考： （1）改造B基因序列的思路是什么？ 目的基因的碱基序列仅有一种吗？为什么？ （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？ 由于密码子的简并性，由精氨酸逆推获得的目的基因的碱基序列有多种。 中心法则逆推。改造基因的实质是改变其编码区碱基序列，从而影响蛋白质的一级结构与空间构型。 确定目的基因的碱基序列后，可以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、增添等。 新课讲授 活动2.利用改造后的Bt基因，获得所需要的Bt抗虫蛋白。 1.完善生产改造后的Bt抗虫蛋白流程。 2.总结：蛋白质工程的基本原理。 [探究一] 蛋白质工程的基本原理 新课讲授 预期功能 蛋白质 (三维结构) 多肽链 目的基因 mRNA 设计 推测 改造或合成 行使 折叠 翻译 转录 提升抗虫蛋白杀虫效果 改造抗虫蛋白结构 改造抗虫蛋白氨基酸序列 改造抗虫蛋白基因序列 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 中心法则的逆推+基因工程 1.完善生产改造后的Bt抗虫蛋白的流程。 新课讲授 总结：蛋白质工程的基本原理 [探究一] 蛋白质工程的基本原理 （1）目标:根据人们对　　　　功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造。  （2）方法:　　　　或　　　　。  （3）用文字和箭头表示蛋白质工程的基本思路。 蛋白质 合成基因 改造基因 难度大的主要原因： 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。 教材P94“学科交叉”： 蛋白质工程是包含多学科的综合科技工程。 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。 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作流程 结果 实质 联系 【归纳】基因工程和蛋白质工程的异同 新课讲授 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作流程 结果 实质 联系 【归纳】基因工程和蛋白质工程的异同 基因 基因 预期蛋白质功能 目的基因 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 可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 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； 蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作 新课讲授 理解了蛋白质工程的基本原理后，让我们来看一看它在实际生产生活中的应用。 蛋白质工程的应用分析 新课讲授 探究二 蛋白质工程的应用分析 新课讲授 [探究二] 蛋白质工程的应用分析 1．自主阅读教材P95相关知识，举例说明蛋白质工程的应用有哪些。 应用 实例 医药工业方面 其他工业方面 农业方面 通过改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物 将干扰素分子中某位半胱氨酸替换为丝氨酸，提高其稳定性，延长保存时间 生产人鼠嵌合抗体，降低了诱发人体免疫反应的强度 改进酶的性能或开发新的工业用酶 改造某些参与调控光合作用的酶 设计优良微生物农药 新课讲授 [探究二] 蛋白质工程的应用分析 2.T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家将其肽链中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，使酶的耐热性得到了提高，这项工作属于什么工程范畴？在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？ 蛋白质工程。 引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化 新课讲授 [探究二] 蛋白质工程的应用分析 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 【总结】如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 新课讲授 [探究二] 蛋白质工程的应用分析 【实践应用】：蛋白质工程的应用前景十分广阔，请结合蛋白质工程的基本原理尝试设计速效胰岛素的合成。 天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合。研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？ 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 新课讲授 [探究二] 蛋白质工程的应用分析 【跟踪训练】干扰素是动物体内合成的一种糖蛋白，体外很难保存。如果将干扰素分子的一个半胱氨酸改造成丝氨酸，体外-70℃下可以保存半年。下列有关叙述错误的是（ ） A．该实例可以使用基因定点突变技术，对干扰素基因进行碱基的替换 B．对干扰素的改造属于蛋白质工程，该工程的目标是对基因的结构进行分子设计 C．蛋白质工程离不开基因工程，是基因工程的延伸 D．利用大肠杆菌生产干扰素，可能产生没有活性的干扰素 B 【练习1】 D 当堂训练 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 【练习2】 C 当堂训练 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 【练习3】 C 当堂训练 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 【练习4】 B 当堂训练 下列操作中，属于蛋白质工程的是（ ） A.将胰岛素基因导入大肠杆菌生产胰岛素 B.将胰岛素B链中某位氨基酸替换以抑制其聚合 C.通过组织培养培育抗旱玉米 D.对外源蛋白进行三维结构解析 【练习5】 ACD 当堂训练 （不定项）已知生物体内有一种转运蛋白Y，由300个氨基酸组成。如果将Y中157位的L-异亮氨酸变成亮氨酸，261位的酪氨酸变成丝氨酸，改变后的蛋白质Y1不但保留了原有Y的功能，且具备了催化活性。下列说法不正确的是(　　) A．蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异 B．可以通过对Y蛋白基因进行修饰或人工合成获得 Y1 蛋白基因 C．蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具 D．细胞内合成Y1蛋白与Y蛋白的过程中，遗传信息的流向是相反的 【练习6】 当堂训练 已知生物体内有一种蛋白质（P），该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题： （1）从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的 进行改造。 （2）以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰 基因或合成 基因，所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括 的复制；以及遗传信息在不同分子之间的流动，即 。 （3）蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过 . 和 ，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，在经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物 进行鉴定。 氨基酸序列（或结构） P P1 DNA和RNA DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白质（或转录、逆转录、翻译） 设计蛋白质结构 推测氨基酸序列 功能 课堂小结 谢谢大家 Lavf59.27.100 $$