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，以细菌荧光蛋白改造实例导入，通过“从社会中来”的思考问题衔接基因工程知识，借助蛋白质结构层次、天然合成过程等支架，构建“基因工程不足→蛋白质工程崛起→原理→应用”的逻辑脉络。 其亮点在于以结构与功能观为核心，通过干扰素改造、人-鼠嵌合抗体等实例体现生命观念，借助比较表格（基因工程与蛋白质工程）、步骤建模（基本思路流程）发展科学思维，设置“讨论脱氧核苷酸序列推导”等探究环节。学生能深化对蛋白质改造逻辑的理解，教师可依托实例与支架提升教学效果。

第4节 蛋白质工程的原理和应用 1 用细菌 “画”的画 　　思考： 　　科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 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。 从社会中来 蛋白质的二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式 蛋白质的一级结构 氨基酸排列顺序 蛋白质的三级结构：蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象 蛋白质的四级结构：在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链,才能全面地执行功能。每一条多肽链都有其完完整的三级结构,称为亚基 蛋白质的结构 逆转录 转录 DNA RNA 翻译 肽链 复制 复制 折叠等 具有空间结构的蛋白质 表达生物特有的功能或性状 天然蛋白质的合成过程与性状表达 温故知新： 蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能 4 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？ 1、基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质； 2、改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； 3、改造基因比改造蛋白质更容易操作。 蛋白质工程的目的： 生产符合人们生活需要的、自然界中没有的蛋白质 蛋白质工程 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。 对蛋白质分子结构的设计和改造是通过蛋白质工程实现的。 ---第二代基因工程 基础： 了解蛋白质的结构和功能 途径： 目的： 改造或制造新的蛋白质，满足人类的生产或生活的需要 改造基因（基因修饰或基因合成） 6 一、蛋白质工程崛起的缘由 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。 原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 基因工程的实质 基因工程的不足 7 基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质 天然蛋白质 干扰素 治疗病毒感染、癌症。 保存半年 改变分子结构 半胱氨酸 丝氨酸 体外保存困难 实例1： 符合特定物种生存需要 不一定符合人类生产、生活需要 8 玉米中赖氨酸的含量较低，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较大。 二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺） 天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸） 玉米中赖氨酸含量可提高数倍 玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 改造 改造 天然蛋白质的不足 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 通过改造或合成基因，定向改造现有蛋白质，或制造新的蛋白质。 实质 生产出自然界没有的蛋白质。 结果 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→找到对应的脱氧核苷酸序列→合成新基因→获得所需要的蛋白质 蛋白质工程的基本思路 天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射后延缓疗效。 科学家通过对胰岛素的改造，有效抑制了胰岛素的聚合，研发出的速效胰岛素类似物产品已在临床上广泛应用。 前景诱人 二、蛋白质工程的应用 用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点； 11 小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，其诱发免疫反应的强度会减低很多。 医药工业方面 人-鼠嵌合抗体，即抗体的可变区来自小(大)鼠McAb，而恒定区则来自人的抗体。这样的抗体既保持了原来McAb的特异性和亲和力，又大大减少了在人体内的免疫原性。 干扰素是动物体内的一种蛋白质，可用于治疗病毒的感染和癌症，但体外保存相当困难。 12 迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可筛选出一些符合工业化生产需求的突变体。 蛋白质工程广泛用于改进酶的性能或开发新的工业酶。 其他工业方面 枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 如 从而提高这种酶的使用价值 13 改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的效率，增加粮食产量； 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，增强其防治病虫害的效果。 农业方面 蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，高级结构非常复杂。 血红蛋白的三维结构模型 要设计出更符合人类需要的蛋白质还需不断地攻坚克难。随着科技的发展，蛋白质工程将会给人带来更多的福祉。 难度很大 高级结构非常复杂，目前科学家对大多数蛋白质的高级结构了解很有限。 15 知识点　基因工程与蛋白质工程的比较 比较 项目 基因工程 蛋白质工程 原理 基因重组 中心法则的逆转 区 别 过 程 获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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 实 质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品 改造或制造人类所需要的蛋白质 比较 项目 基因工程 蛋白质工程 区 别 结 果 生产自然界中已经有的蛋白质 生产自然界中没有的蛋白质 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,对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质必须通过基因修饰或基因合成来实现,蛋白质工程离不开基因工程 ②基因工程中所用的某些酶也需要通过蛋白质工程进行修饰或改造,以提高其功能 3）治癌酶的改造：疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使一些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力提高20倍以上。 3、其他工业方面，用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 1）枯草杆菌蛋白酶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突变体已有上百种，从中筛选出优良突变体用于生产提高其使用价值。 2）利用蛋白质工程思路来设计微生物农药，通过改造微生物蛋白质结构增强防治害虫效果。 18 4.水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。 19 5．生长激素改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。 20 一、蛋白质工程崛起的缘由： 　基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 二、蛋白质工程的基本原理： 　预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。 蛋白质工程： 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。 三、蛋白质工程的应用 小结： 21 22 基因定点诱变技术的理解 　项目 　　　　　　内容 条件 原料 酶 引物 能量 ＡＴＰ 操作方法 ＰＣＲ法 结果 适应范围 后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子 脱氧核苷酸 ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶 含突变顺序的ＤＮＡ分子片段 空间结构完全清楚的蛋白质 23 基因定点诱变技术的示意图 24 思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较 比较 基因定点诱变 基因突变 相同点 发生的过程 结果 不同点 场所 手段 方向 DNA复制过程中 产生新基因，从而产生新性状 生物体外 生物体内 定向改造 不定向性 PCR技术 物理化学方法 25 讨论：怎么样能够写出三种决定“—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—”的脱氧核苷酸序列。 写出目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？ GCU ~~~UGG~~~AAG~~~AUG~~~UUU ACG苏氨酸 丙氨酸 ： GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸： UGG 赖氨酸： AAA 、AAG 甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：UUU 、UUC C 26 （1）每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出16种，可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出mRNA序列为GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。 （2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。 附录：‘思考’答案 27 $