3.4蛋白质工程的原理和应用课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学课件围绕蛋白质工程的核心概念展开，从荧光细菌的趣味导入出发，逐步引导学生理解蛋白质结构与功能的关系，再通过基因改造实现蛋白质定向设计的逻辑链条，构建起“功能→结构→氨基酸序列→基因”的学习支架，前后知识衔接紧密，层层递进。 其亮点在于深度融合生命观念、科学思维与探究实践三大核心素养，以干扰素定点突变案例体现结构与功能观，用对比表格凸显科学思维中的归纳与比较能力，借助真实科研情境激发探究兴趣。教学中注重问题驱动和证据推理，如通过分析天然蛋白改造流程，帮助学生掌握蛋白质工程的操作路径，既提升学生的理性思维与创新意识，又为教师提供清晰的教学抓手，助力高效课堂落地。

课前背诵： 1、启动子的本质是？基本组成单位？作用？起始密码子的本质？ 2、DNA粗提取的原理？（2个） 3、引物的作用？设计引物的依据？为什么设计引物？ 4、PCR的步骤？每步目的？ 5、农杆菌转化法的原理？（按照课本记！！！！！！！） 6、利用乳腺生物反应器生产血清白蛋白的流程？利用大肠杆菌生产人胰岛素的流程？ 第4节 蛋白质工程的原理和应用 从社会中来 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？ 用细菌“画”的画 思 一、根据导学案，阅读课本93-95，标画出重点内容 1.蛋白质工程的基础、手段、结果。 2.蛋白质工程崛起的缘由（基因工程的实质与不足、蛋白质工程崛起的条件）。 3.蛋白质工程的目标、方法与流程。 4.蛋白质工程在医药工业方面和工业农业方面的应用。 二、完成导学案课堂合作探究一与二（议、展） ①基础：___________________________________ ②操作：___________________________________ ③操作对象：_______________________________ ④目的：___________________________________ ___________________________________ ⑤地位：___________________________________ ⑥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(DNA分子水平） 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 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 基因 分子生物学、晶体学和计算机技术 一.蛋白质工程 1.蛋白质工程定义 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。 2.蛋白质工程崛起的缘由 一.蛋白质工程 (1)基因工程的实质： 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，进而表现出新的性状 (2)基因工程的不足： 基因工程在原则上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 蛋白质工程应运而生 赖氨酸合成 调控 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 玉米中赖氨酸含量较低，原因在于赖氨酸合成的两种关键酶。 实例: 一.蛋白质工程 �对天然的蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？ 蛋白质工程的基本原理 一.蛋白质工程 基因 ①基因决定蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，且基因改造可以遗传下去，而对蛋白质直接改造无法遗传； ②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。 原因: 8 一.蛋白质工程 3.蛋白质工程的基本原理 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。 （1）目标 （2）方法 改造基因或合成基因。 （3）天然蛋白质合成的过程: 是按照___________进行的： 基因 表达 形成具有特定氨基酸序列的多肽链 形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能 中心法则 转录 DNA RNA 翻译 蛋白质 复制 一.蛋白质工程 3.蛋白质工程的基本原理 蛋白质 （三维结构） 预期功能 生物功能 翻译 折叠 行使 转录 设计 推测 改造或合成 mRNA 目的基因 （4）蛋白质工程流程： 预期功能 生物功能 推测 DNA合成 翻译 折叠 转录 基因 DNA 蛋白质 结构 氨基酸 序列 mRNA 设计 行使 原理：中心法则的逆推 答：不唯一，因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定，因此获得的基因总的碱基序列有多种。 思考：如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。 某多肽链的一段氨基酸序列是： 思考：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列? 思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用 一.蛋白质工程 丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸 苯丙氨酸 … … 查密码子表 ……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸-…… 氨基酸序列： GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G）UUU(或C) mRNA序列： 脱氧核苷酸序列： GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA（或G） TTT(或C) CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT（或C） AAA(或G) 11 某多肽链的一段氨基酸序列是： 思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用 一.蛋白质工程 丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸 苯丙氨酸 … … 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? ⑴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、PCR技术扩增； ⑵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； 12 依据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质。 改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构。 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。 2.根据基因工程的原理进行蛋白质的设计和改造 （1）对蛋白质的结构进行设计和改造，最终是通过改造基因来实现的。 （2）改造基因的方法：定点突（诱）变、基因融合和基因拼接。 4.蛋白质工程的应用 大改 中改 小改 一.蛋白质工程 4.蛋白质工程的应用 （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 改造 新胰岛素基因 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 推测序列 转录 mRNA 翻译 多肽链 行使功能 速效胰岛素类似物 预期结构 折叠等 阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用 定点突变 1.医药工业方面 一.蛋白质工程 4.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 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 定点突变 1.医药工业方面 拓展：基因定点突变技术和基因突变的比较 定点突变 基因突变 相同点 类型 结果 不同点 场所 手段 方向 产生新基因 生物体外 生物体内 PCR技术 诱变因素 定向改造 不定向性 碱基对的增添、缺失、替换 一.蛋白质工程 4.蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 （3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 基因融合 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 鼠—人嵌合抗体 一.蛋白质工程 4.蛋白质工程的应用 2.其他工业方面 用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值 3.农业方面 (1)科学家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)科学家利用蛋白质工程的思路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 思考�某同学认为只要知道了氨基酸的序列就可以利用蛋白质工程制造出各种特定功能的蛋白质，你认为他的说法科学吗？说明你的理由。 答：不科学，蛋白质的功能除了与氨基酸的序列有关以外，蛋白质的功能还与其特定的空间结构有关。 一.蛋白质工程 ◆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。 ◆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。 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 难度很大 一.蛋白质工程 4.蛋白质工程的应用 血红蛋白的三维结构模型 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。 蛋白质食品的工厂化生产想象图 蛋白质工程的基本原理 2 比较项目 蛋白质工程 基因工程 区别 过程 实质 结果 联系 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 目的基因的筛选与获取→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 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，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品 创造出自然界不存在的蛋白质 生产出自然界已有的蛋白质 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蛋白质工程离不开基因工程，蛋白质工程在改造基因时需要与基因工程有关的工具酶，需要构建基因表达载体；改造后的基因要表达出相应的蛋白质，同样需要将改造或合成的基因导入受体细胞 知识点落实 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 Lavf57.62.100 $