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

该高中生物学课件围绕蛋白质工程的原理和应用展开，从基因工程的不足及天然蛋白质的局限切入，结合玉米赖氨酸含量低的实例，系统衔接蛋白质工程的崛起缘由、基本原理与应用，帮助学生构建知识脉络。 其亮点在于以结构与功能观（生命观念）为核心，通过对比表格明晰蛋白质工程与基因工程差异（科学思维），结合胰岛素改造等实例及问题讨论（探究实践）。采用实例分析与问题驱动教学，学生能深化理解，教师可高效推进教学。

第4节 蛋白质工程的原理和应用 学习目标 2.尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。 1.说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。 2 目录 一.蛋白质工程崛起的缘由 二.蛋白质工程的基本原理 三.蛋白质工程的应用 一.蛋白质工程崛起的缘由 1.基因工程的实质及不足 （1）实质： 基因工程是将一种生物的 转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的 ，进而表现出 。 （2）不足： 基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。 2.天然蛋白质的不足 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 的需要。 一、蛋白质工程崛起的缘由 基因 蛋白质 新性状 结构和功能 人类生产和生活 对蛋白质分子进行设计和改造的“蛋白质工程”开始崛起！ 3.实例 一、蛋白质工程崛起的缘由 玉米中赖氨酸含量低 3.实例 一、蛋白质工程崛起的缘由 赖氨酸合成 调控 达到一定浓度 两种酶的活性 第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 + 第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 化学本质： 。 蛋白质 提高5倍 提高2倍 二.蛋白质工程的基本原理 二、蛋白质工程的基本原理 目标 实质 结果 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。 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。 生产出自然界没有的蛋白质。 问题5: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蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； ③基因可以遗传，蛋白质无法遗传； （一）实质、目标和结果： 二、蛋白质工程的基本原理 （二）天然蛋白质合成过程： 按照中心法则进行 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 转录 翻译 二、蛋白质工程的基本原理 （三）蛋白质工程的基本设计思路： ①预期的蛋白质功能 ②设计预期的蛋白质结构 ③推测应有的氨基酸序列 ④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 ⑤获得所需蛋白质 二、蛋白质工程的基本原理 预期功能 生物功能 设计 推测 改造或合成 行使 折叠 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 蛋白质 (三维结构) 思 路 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 蛋白质工程基本思路的应用 思考.讨论 二、蛋白质工程的基本原理 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 问题6: 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： 推知mRNA序列为： 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）。 GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） 共 种可能序列 32 蛋白质工程基本思路的应用 思考.讨论 二、蛋白质工程的基本原理 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 查密码子表得知： 推知mRNA序列为： 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）。 GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） 共 种可能序列 32 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) 共 种可能序列 32 蛋白质工程基本思路的应用 思考.讨论 二、蛋白质工程的基本原理 问题7: 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？ 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。 提示： 天然蛋白质 改造蛋白质 蛋白质工程与基因工程的比较 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，其包含基因工程的基本操作。 预期蛋白质功能 目的基因 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 蛋白质工程与基因工程的比较 问题8: 如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？ 三.蛋白质工程的应用 蛋白质工程的应用 天然胰岛素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 （1）研发出速效胰岛素类似物药物 1. 医药工业方面 03 蛋白质工程的应用 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间，解决了干扰素体外保存困难的问题。 （2）延长干扰素体外保存时间 1. 医药工业方面 天然干扰素 （体外保存困难） 改造后的干扰素 （-70℃可保存半年） 半胱氨酸 丝氨酸 03 蛋白质工程的应用 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 （2）延长干扰素体外保存时间 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，使其在－70 ℃的条件下可以保存半年，解决了干扰素体外保存困难的问题。 03 蛋白质工程的应用 （3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 1. 医药工业方面 医疗问题：小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低。 解决办法：科学家通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。 03 蛋白质工程的应用 2.其他工业方面 改进酶的性能或开发新的工业用酶 枯草杆菌蛋白酶 治癌酶的改造： HSV-TK自杀基因的原理。(A) HSV-TK在肿瘤细胞中诱导细胞毒性和凋亡。(I) 编码胸苷激酶的 HSV-1 TK 基因被递送至靶细胞。HSV-1 胸苷激酶和细胞激酶的表达允许前药 (GCV) 在细胞中被激活为有毒药物 (GCV-TP) 并破坏靶细胞的 DNA。（Ⅱ）基因治疗通过激活靶细胞中的p53信号通路诱导内源性细胞凋亡。（Ⅲ）基因治疗诱导外源性细胞凋亡。(B)旁观者效应导致相邻细胞死亡。 03 蛋白质工程的应用 3. 农业方面 （1）科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。 03 蛋白质工程的应用 3. 农业方面 （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，使它防治病虫害的效果增强。 伊维菌素是由土壤中发现的一种新型链霉菌提取出了一种名为阿维菌素的抗生素，经过多年的不断改造获得的，伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗动物寄生虫病兽药。 03 蛋白质工程的应用 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。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 蛋白质工程的现状 难度很大 课堂小结 蛋白质工程 理论基础 技术手段 目标 基本思路 实践应用 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 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 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 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。 药物研发 改进酶的性能或开发新的工业用酶 增加粮食产量、研发新型农药 1. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是 （ ） A. 分析蛋白质的三维结构 B. 研究蛋白质的氨基酸组成 C. 获取编码蛋白质的基因序列信息 D. 改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求 D 2. 水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这 项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ） A.基因 B.氨基酸　　 C.多肽链 D.蛋白质 A $