3.4蛋白质工程的原理和应用（教学课件）生物人教版选择性必修3

选必三 第4节 蛋白质工程的原理和应用 第3章 基因工程 2019人教版·生物·选择性必修3 1 教材分析 一、学习目标 二、重难点 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。 1.概述蛋白质工程的基本原理。 2.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。 2 课堂导入 什么是蛋白质工程呢 你见过用细菌画画吗？ 如何实现的呢？ 用细菌“画画”（视频） 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。 如何改造蛋白质？ 01 蛋白质工程崛起的缘由 02 蛋白质工程的基本原理 目录 04 练习与应用 蛋白质工程的原理和应用 03 蛋白质工程的应用 5 蛋白质工程崛起的缘由 01 探究新知 6 将一种生物的____转移到另一种生物体内，后者可以产生它__________________，进而表现出________。 一、蛋白质工程崛起的缘由 1.基因工程的实质： 基因 本不能产生的蛋白质 新的性状 2.基因工程的局限性： 只能生产自然界中已存在的蛋白质 3.天然蛋白质的不足： 天然蛋白质是生物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 实例：对天然酶的改造 赖氨酸 天冬氨酸激酶 （含量低） 二氢吡啶二羧酸合成酶 玉米 促进 促进 抑制 抑制 改造 后的 天冬氨酸激酶 异亮氨酸 （352位） 苏氨酸 （352位） 变为 异亮氨酸 （104位） 天冬酰胺 （104位） 改造 后的二氢吡啶二羧酸合成酶 变为 玉米 赖氨酸 （含量提高5倍） 促进 （含量提高2倍） 赖氨酸 玉米 促进 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。 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 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 二、蛋白质工程的定义 习题巩固 1、以下关于蛋白质工程的说法正确的是：( ) A. 蛋白质工程以基因工程为基础 B. 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造 C. 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 D. 蛋白质工程的实质是改造蛋白质 A 蛋白质工程的基本原理 02 探究新知 11 1.蛋白质工程的目标 根据人们对蛋白质_____的特定需求，因此要对蛋白质的_____进行设计改造。 2.蛋白质工程的实质 _____________________________________________ 功能 结构 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） 思考：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； 三、蛋白质工程的基本原理 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 3. 蛋白质工程基本思路 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 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 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 1.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：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（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G） GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C） 共___种可能序列 32 丙 色 赖 甲硫 苯丙 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？ 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。 改造蛋白质 天然蛋白质 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 4. 蛋白质工程与基因工程的比较 判断技巧：如何判断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 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。 2.蛋白质工程的基本操作程序正确的是（ ） ①设计预期的蛋白质结构 ②找到相对应的脱氧核苷酸的序列 ③推测应有的氨基酸的序列 ④蛋白质的预期功能 A．①→②→③→④ B．④→③→②→① C．④→①→③→② D．②→③→①→④ 习题巩固 C 3.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)代表蛋白质工程操作思路的过程是________；代表中心法则内容的是__________。(填写数字) (2)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__________。 (3)蛋白质工程的目的是_______________________________ ____________________________________，通过_____________________________实现。 (4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。 ④⑤ ①②③ 转录 翻译 折叠 推测 改造合成 根据人们对蛋白质功能的特定需求， 基因改造或基因合成 相反 对蛋白质的结构进行分子设计 习题巩固 蛋白质工程的应用 03 23 （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 四、蛋白质工程的应用 （3）提高蛋白质的热稳定性 第3位上的 异亮氨酸 半胱氨酸 -s-s- 定点突变 （2）延长干扰素体外保存时间 定点突变 天然干扰素不易保存 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 改造 新干扰素基因 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 （4）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 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减低很多。 鼠抗体 人抗体 恒定区 恒定区 可变区 可变区 嵌合抗体 对人体的不良反应减少 基因融合 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 基因定点突变：是在体外特异性地取代、插入或缺失DNA序列中任何一个特定碱基的技术,包括盒式取代诱变、寡核苷酸引物诱变及PCR定点诱变等。 　项目 　　　　　　内容 条件 原料 酶 引物 能量 操作方法 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 ＡＴＰ ＰＣＲ技术 补充：基因的定点突变技术 （1）改造某些参与调控光合作用的酶 2.其他工业方面 改进酶的性能或开发新的工业用酶如适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶 3.农业方面 （2）设计微生物农药 【资料】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。 【资料】科学家利用蛋白质工程的思路来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。 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 一级结构 氨基酸排列顺序 二级结构 指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式 三级结构 蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象 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整的三级结构,称为亚基 五、蛋白质工程的现状 习题巩固 4.科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是(　　) A.直接改造这两种酶的空间结构 B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造 C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变 D.利用基因工程技术，对控制这两种酶合成的基因进行改造 解析:蛋白质工程的操作对象是基因，应利用基因工程技术，对控制题述两种酶合成的基因进行改造，D正确。 D 习题巩固 5.目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是(　　) ①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列　 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构　 ③合成蓝色荧光蛋白基因　 ④表达出蓝色荧光蛋白 A.①②③④ B.②①③④ C.②③①④ D.④②①③ B 到社会中去 酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。 你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？ 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。 人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。 课堂小结 练习与应用 04 35 教材P59 练习与应用 1.蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而产生出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术。( ) 解析：蛋白质工程直接改造的是基因，而非蛋白质。 2.基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要。( ) 3.通过改造相关基因，使天冬氨酸激酶上352位的苏氨酸变为异亮氨酸，可以大幅度提高玉米中赖氨酸的含量。( ) × √ √ 教材P59 练习与应用 4.蛋白质工程的目标是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。( ) 5.蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。( ) 6.由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。( ) √ × √ 教材P59 练习与应用 7.(2025·大连高二期末)蛋白质工程被用于改进酶的性能或开发新的工业用酶时，常用两种策略：合理设计，需了解蛋白质的结构及控制性状的基因序列，过程如图；定向进化，在试管中模拟自然进化，利用人工诱变技术诱发大量突变，按照特定的需要给予选择压力，选择具有所需特征的蛋白质。下列叙述错误的是(　　) A．对某种蛋白质进行合理设计可能得到多种基因序列 B．⑤过程的完成依赖基因的改造或基因的合成 C．定向进化也需要事先了解蛋白质的空间结构情况 D．定向进化策略与自然选择实质基本相同，但速度不同 C 定向进化不需要事先了解蛋白质的空间结构情况 教材P59 练习与应用 8.镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病，患者的血红蛋白分子β­肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替，导致功能异常。回答下列问题： (1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的____________序列发生改变。 (2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中，可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作_______(填“属于”或“不属于”)蛋白质工程，理由是该操作___________________________________________。 (3)用基因工程方法制备血红蛋白时，可先提取早期红细胞中的________，以其作为模板，在________酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和_____________酶的作用下，构建基因表达载体，导入受体菌后进行表达。 (4)检测受体菌是否已合成血红蛋白，可从受体菌中提取________，用相应的抗体进行______________杂交，若出现杂交带，则表明该受体菌已合成血红蛋白。 碱基 不属于 没有对现有蛋白质进行改造 mRNA 逆转录 DNA连接 蛋白质 抗原-抗体 THANKS 2019人教版·生物·选择性必修3 作业 完成课时作业 40 Lavf57.62.100 $