3.4基因工程的延伸 蛋白质工程课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第4节：基因工程的延伸----蛋白质工程 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）教学目标 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。 （二）教学重点和难点 1.蛋白质工程的基本原理。 2.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 一、蛋白质工程崛起的缘由 请用简短的语言描述基因工程的实质： 将一种生物的基因转移到另一种生物的体内，后者能够产生它本来不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。 基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质吗？ 这些天然的蛋白质是生物在长期的进化过程中形成的，他们 的结构和功能符合特定物种的生存，也完全符合人类的生产 生活的需要吗？ 是 2 玉米中赖氨酸含量比较低 提高玉米中赖氨酸的含量 如何？ 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 抑制 提高 提高 限制 提高 叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍 3 T4溶菌酶在41.9℃的环境中半数酶将失活,提高T4溶菌酶的热稳定性 第3位上的 异亮氨酸 半胱氨酸 -s-s- 定点突变 改造后的T4溶菌酶，可 在第3位（半胱氨酸）与第97位（半胱氨酸）之间形成一个新的二硫键，使T4溶菌酶获得 了较强的耐热特征 4 例1．T4溶菌酶在温度较高时易失去活性，科学家对编码T4溶菌酶的基因进行改造，使其表达的T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，在该半胱氨酸与第97为的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性．下列说法正确的是（　　） A、T4溶菌酶低温处理后恢复到最适温度，较处理前酶的活性明显降低 B、T4溶菌酶在温度较高时易失去活性是因为肽链断裂 C、蛋白质工程可以制造新蛋白质或改造现有蛋白质 D、耐热的T4溶菌酶是一种直接制造出的新蛋白质 C 解答 解：A、该题是对T4溶菌酶的基因进行改造，提高了T4溶菌酶的耐热性，并不是对T4溶菌酶进行低温处理，A错误； B、T4溶菌酶在温度较高时易失去活性是因为高温破坏肽链的空间结构，不破坏肽键，B错误； C、根据蛋白质工程的定义：蛋白质工程可以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行基因改造，或制造一种新的蛋白质，C正确； D、蛋白质工程是以蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行基因改造，其实质是基因的改造，D错误． 故选：C． 5 例2．T4溶菌酶来源于T4噬菌体，可分解细菌的细胞璧，在食品防腐、医药工业等方面有广泛应用。但该酶热稳定性较差，在41.9℃的环境中半数酶将失活。为提高该酶热稳定性，研究人员对其进行如图所示的改造（图中①②③代表相关生理过程，“-”表示二硫键）。 （3）科研工作者可选用下面的________处理组合，检测改造后的T4溶菌酶的热稳定性。 ①分别使用同种生物合成的野生型T4溶菌酶和改造后的T4溶菌酶②分别使用不同生物合成的野生型T4溶菌酶和改造后的T4溶菌酶③60℃处理④37℃处理⑤分别检测溶菌效果． （1）据图分析，改造前后T4溶菌酶的合成过程均包括①________和②________等阶段。 （2）完成上述改造根本上要改变T4溶菌酶基因的碱基序列，即诱导其发生_________。改造后的该酶中第3位异亮氨酸被半胱氨酸取代，其密码子变为________。这种改变导致第3位与第97位半胱氨酸之间形成一个新的二硫键，引起该酶________的改变，从而提高了热稳定性。 ①③⑤ 转录 翻译 基因突变 UGU 空间结构 （1）T4溶菌酶的本质是蛋白质，其合成过程包括转录和翻译过程，①是转录过程，②是翻译过程。 （2）由题图可知，完成改造是通过诱导DNA中碱基对发生替换，导致转录形成的密码子由AUU变成UGU，进而使3号位置的异亮氨酸被半胱氨酸取代，该变异属于基因突变。这种改变导致第3位与第97位半胱氨酸之间形成一个新的二硫键，引起该酶空间结构发生改变，提高了热稳定性。 （3）检测改造后的T4溶菌酶的热稳定性，实验的自变量是T4噬菌体DNA是否能控制合成改造形成的溶菌酶，因变量是热稳定性，生物类型、温度属于无关变量，无关变量应该保持一致且适宜。 ①分别使用同种生物合成的野生型T4溶菌酶和改造后的T4溶菌酶，合成溶菌酶的生物是同一种，酶类是改造前和改造后的酶，自变量正确，无关变量相同，①正确； ②分别使用不同生物合成的野生型T4溶菌酶和改造后的T4溶菌酶，该描述有2个变量，合成酶的生物是无关变量，应该相同，②错误； ③由题意知，改造前的热稳定性较差，41.9℃的环境中半数酶将失活，改造后的酶热稳定性应该高于41.9℃，才有利于生产生活中应用，因此可以用60℃处理，③正确； ④37℃处理，可能改造前、改造后的酶可能都不失活，④错误。 ⑤分别检测溶菌效果，用高温处理检测酶的作用效果，进而判断其热稳定性高低，⑤正确。 故选①③⑤。 6 二、蛋白质工程的基本原理 如果直接改造蛋白质，会存在哪些问题？ ①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； ②改造的蛋白质无法遗传（基因可以遗传）。 要对蛋白质的结构进行改造，必须通过改造或合成基因来实现 1、从预期的蛋白质的功能出发；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）或合成新基因；5、获得所需的蛋白质 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； 7 蛋白质工程的实质* 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） 1、从预期的蛋白质的功能出发； 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）或合成新基因； 5、获得所需的蛋白质 蛋白质工程的基本思路 8 某多肽链的一段氨基酸序列是： —丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸— 讨论1.请写出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？ 提示：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 UGG AAA GAA UUU DNA序列为：CGA ACC TTT CTT AAA GCT TGG AAA GAA TTT 共___种可能序列 32 讨论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； 定点突变技术进行碱基的替换、增添 9 1、基因工程和蛋白质工程是否都遵循中心法则？ 思考 2、基因工程中的目的基因与蛋白质工程中的目的基因有何区别？ 基因工程中目的基因一般是自然存在的基因，而蛋白质工程中的目的基因不是天然存在的。 4、将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米细胞，可以提高玉米中的赖氨酸含量；更换赖氨酸形成过程中的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的个别氨基酸，使两种酶的活性提高，也可以提高玉米中的赖氨酸含量。以上两种技术分别属于 基因工程、蛋白质工程 3、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 是 都遵循中心法则。 10 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 11 例1．下图表示蛋白质工程的操作流程，下列叙述不正确的是 (　　) A．蛋白质工程中了解蛋白质分子的结构是非常关键的工作 B．蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术 C．图中a、b过程分别表示转录、翻译 D．通过蛋白质工程可制造出一种新的蛋白质 B 【解析】蛋白质工程中了解蛋白质分子的结构是非常关键的工作，如蛋白质的空间结构、氨基酸的排列顺序等，这对于合成或改造基因至关重要，A正确；蛋白质工程的进行离不开基因工程，因为对蛋白质的改造要通过对基因的改造来完成，B错误；图中a、b过程分别表示转录、翻译，C正确；通过蛋白质工程可对现有蛋白质进行改造，也可制造出一种新的蛋白质，D正确。 12 例2．科研小组利用蛋白质工程将某细胞中的一种转运蛋白X进行改造，并使改造后的转运蛋白X基因在细胞中正常表达。下列说法不正确的是( ) A．蛋白质工程可能会构建出一种全新的基因 B．该过程需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶的作用 C．经改造后的蛋白质不需要再进行功能鉴定 D．经改造后的基因的表达过程也遵循中心法则 C 【解析】蛋白质工程可构建出一种全新的基因，A正确；蛋白质工程最终需要基因工程来实现，基因表达载体构建需要限制酶和DNA连接酶，B正确；经改造后的蛋白质仍需要再进行功能鉴定，C错误；经改造后的基因的表达过程遵循中心法则，D正确。 13 2.降低人对小鼠单抗的免疫反应 通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）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； 3.其他 ①改进酶的性能或开发新的工业用酶；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改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强； 三、蛋白质工程的应用 1.研发速效胰岛素类似物，延长干扰素体外保存时间 14 例1．从某高等动物浆细胞(L)中提取全部的mRNA，并以此为模板合成相应的DNA单链(L－cDNA)，提取来自同一个体的胰岛B细胞(P)的全部mRNA(P－mRNA)。下列叙述正确的是( ) A．P－mRNA与L－cDNA进行分子杂交时，全部片段都能发生碱基互补配对 B．限制酶能特异性识别RNA分子的某种特定核苷酸序列，破坏磷酸二酯键 C．能与L－cDNA互补的P－mRNA中含有编码呼吸酶的mRNA D．浆细胞不能分泌胰岛素是因为缺乏编码胰岛素的相关基因 C 【解析】由于基因选择表达不同，胰岛B细胞中提取的P－mRNA与L－cDNA不能全部发生互补，A错误；限制性内切核酸酶具有专一性，能识别DNA分子的某种特定核苷酸序列并切断特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，B错误；浆细胞和胰岛B细胞中合成呼吸酶的基因都表达，故能与L－cDNA互补的P－mRNA中含有编码呼吸酶的mRNA，C正确；浆细胞不能合成胰岛素，是因为与胰岛素合成相关的基因在浆细胞中不表达，D错误。 15 例2.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 盘区、折叠 推测 改造、合成 根据人们对蛋白质功能的特定需求,改造或制造蛋白质 基因改造或基因合成 相反 16 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： 17 谢谢 19 2．干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，临床上可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在－70 ℃条件下保存半年。 (1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”。蛋白质工程的基本途径是________________→设计预期蛋白质的结构→推测应有的氨基酸序列→_________________________________ _____→获得所需要的蛋白质。 (2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产_______________的蛋白质，不一定符合____ __________的需要；而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过__________________，对____________进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。 (3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的______结构。 从预期的蛋白质功能出发 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 自然界已存在 人类生产和生活 基因的改造或合成 现有蛋白质 高级 例3．某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，用于临床治疗消化不良，最佳方案是( ) A．减少此酶在片剂中的含量 B．将此酶与人蛋白酶拼接，形成新的蛋白酶 C．重新设计与创造一种全新的蛋白酶 D．替换此酶中的少数氨基酸，改善其功能 D 【解析】减少此酶的含量会减弱疗效，且剩余的酶仍然容易失效，A错误；蛋白质之间不能进行简单的拼接，B错误；只需将此酶进行改造以满足需求即可，不需重新设计与创造一种全新的蛋白酶，C错误；要提高该酶的热稳定性，可以采用蛋白质工程技术替换此酶中的少数氨基酸，改善其功能，D正确。 23 1.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( ) A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要 B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构 C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程 B 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 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 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 四、蛋白质工程和基因工程的比较 25 例、利用重叠PCR技术进行定点突变可以实现对纤维素酶基因进行合理性改造，过程如下图，下列分析错误的是（ ） D A.PCR1过程中的产物AB是依赖引物a和引物b扩增的结果 B.引物c和引物b上均含有与模板链不能互补的碱基 C.①过程需要先加热至90-95℃再冷却至55-60℃ D.②过程需要利用引物a和引物d获得突变产物AD 补充：基因的定点突变技术——重叠PCR ①该过程需要___种引物； ②PCR1的产物AB是引物___和引物___扩增的结果； ③PCR2的产物CD是引物___和引物___扩增的结果； ④产物AD的形成需要引物吗？_______________________ ⑤需要改变的碱基位于引物___和引物___上 ⑥引物b和引物c之间有什么关系？_________________ ⑦PCR3中突变产物AD的扩增需要引物___和引物___ 4 a b c d b c 引物b和引物c应有部分碱基互补 a d 不需要，需要耐高温的DNA聚合酶 补充：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 例1．下列不属于蛋白质工程成果的是( ) A．改造酶的结构，提高酶的热稳定性 B．生产出鼠—人嵌合抗体 C．将t－PA分子中的天冬酰胺替换为谷氨酰胺 D．将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素 D 【解析】绝大多数酶是蛋白质，A正确；抗体化学本质是蛋白质，B正确；替换氨基酸是对蛋白质的改造，C正确；将人的胰岛素基因整合到大肠杆菌体内生产胰岛素是基因工程，D错误。 29 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 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 $