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

第4节 蛋白质工程的原理和应用 第3章 基因工程 为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？ 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 改造 黄色荧光蛋白 及其他颜色的荧光蛋白 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。 这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤 如何改造蛋白质？ 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 操作对象： 结果： 与基因工程的关系： 理论和技术： 改造或合成基因 改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 分子生物学、晶体学和计算机技术 3 一、蛋白质工程崛起的缘由 01 1.基因工程的实质及缺陷 ①实质： 基因工程是将一种生物的基因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蛋白质，进而表现出新性状。 ②缺陷： 基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。 2.蛋白质工程崛起的缘由 ②天然蛋白质的缺陷：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。 ①理论和技术条件: 分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。 6 01 产量提高 赖氨酸含量低 合成时需： 天冬氨酸激酶； 二氢吡啶二羧酸合成酶。 浓度影响酶活性 实例 异亮氨酸 苏氨酸(352位） 异亮氨酸 天冬酰胺(104位) 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）。 蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质。 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.目标：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，由于基因决定蛋白质，因此，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。 2.天然蛋白质合成原理： 按照中心法则 新蛋白质预期功能 找到并改变或合成 推测 转录 翻译 折叠 基因 DNA 所需新蛋白质新功能 氨基酸序列多肽链 蛋白质 三维结构 mRNA 起点： 目的： 终点： 实质： 前提： 蛋白质的预期功能 了解蛋白质结构和功能的关系 获得大量的改造后的蛋白质 改造或合成基因结构 生产出符合人们生活需要的蛋白质 关键技术：基因工程 蛋白质工程又称第二代基因工程 3.蛋白质工程的一般过程 逆中心法则 设计 a.以据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质（到目前还没有成功的例子） b.改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构域 c.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（实践中运用的最多） 借助计算机构建蛋白质三维结构图 4.蛋白质工程的类型 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 思考讨论 蛋白质工程基本思路的应用 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 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 推知mRNA序列为： 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 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。 天然蛋白质 改造蛋白质 归纳总结：蛋白质工程与基因工程的比较 比较项目 基因工程 蛋白质工程 区 别 起点 过程 实质 结果 联系 生产自然界中已存在的蛋白质 生产自然界中非天然的蛋白质 基因重组 通过改造相应的基因达到对蛋白质的改造 目的基因 预期蛋白质功能 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）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 ①都在生物体外对基因进行操作； ②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 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 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 三、蛋白质工程的应用 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 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用 (1) 研发速效胰岛素类似物 定点突变 1.医药工业方面 19 03 （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 20 03 （3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 基因融合 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减低很多。 人鼠嵌合体 1.医药工业方面 03 蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。 如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。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，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。 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。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。 2.其他工业方面 3.农业方面 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 课堂小结 课后习题 一.概念检测 1. 蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。 （1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（ ） （2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。 （ ） （3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。 （ ） x x √ 课后习题 2. 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 3. 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 二、拓展应用 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，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴？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？如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？ 这项工作属于蛋白质工程的范畴。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。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。 $