3.4 蛋白质工程的原理和应用（1课时）课件-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

世界上第一个基因工程药物 人干扰素α-1b（安达芬） 我国第一个基因工程药物 资料：天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离成单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。 1、基因工程的实质是什么？ 2、基因工程能不能产生自然界不存在的蛋白质呢？ 3、基因工程生产的天然蛋白质是都完全符合人类生产和生活的需要？ 基因重组 不能 不一定 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 资料：人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20-29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域。 3.4 蛋白质工程 概念：P93 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 蛋白质工程 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(DNA分子水平） 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 5 01 1. 基因工程的实质及缺陷 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。 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 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。 一、蛋白质工程崛起的缘由 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) 一、蛋白质工程崛起的缘由 7 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。 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。 02 二、蛋白质工程的基本原理 回顾旧知 转录 DNA RNA 翻译 肽链 逆转录 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 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 血红蛋白的三级结构 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 2、天然蛋白质合成过程： 按照中心法则 9 02 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 预期功能 生物功能 设计 蛋白质 （三维结构） 推测 改造或合成 转录 翻译 折叠 行使 目的基因 mRNA 多肽链 思考：与中心法则的关系？ 相反的 二、蛋白质工程的基本原理 【学科交叉】由于蛋白质的空间结构复杂，因此常常需要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型，要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术分析晶体的结构，要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 思考·讨论 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 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。 思考·讨论 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 1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？请把相应的碱基序列写出来。 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 丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC 色氨酸： ACC 赖氨酸：TTT 、TTC 甲硫氨酸：TAC 苯丙氨酸：TTT 、TTG 找到DNA上相对应的脱氧核苷酸序列（基因） 推出mRNA上的核糖核苷酸序列 思考·讨论 丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸 苯丙氨酸 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？ 人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因，对目的基因进行改造。 对基因的改造经常用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 拓展延伸 根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类： （1）大改： 设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质 （2）中改： 在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 （3）小改： 改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基 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 目的基因的筛选和获取 蛋白质工程和基因工程的比较 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 蛋白质工程和基因工程的比较 思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 15 03 【自主学习】自主阅读课本P95相关内容，总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。 三、蛋白质工程的应用 16 03 （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 1.医药工业方面 三、蛋白质工程的应用 17 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 β-干扰素氨基酸序列 1.医药工业方面 三、蛋白质工程的应用 18 03 （3）提高蛋白质的热稳定性 第3位上的 异亮氨酸 半胱氨酸 与第97位的半胱氨酸形成-s-s- P96 拓展应用 1.医药工业方面 三、蛋白质工程的应用 19 03 （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。 1.医药工业方面 三、蛋白质工程的应用 20 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。 3. 农业方面 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 三、蛋白质工程的应用 1. 科学家利用了什么技术让细菌能发出绿色荧光？ 基因工程技术使细菌表达了绿色荧光蛋白。 思考： 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。 2、科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 21 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。 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。 蛋白质食品的工厂化生产想象图 ◆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。 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 难度很大 血红蛋白的三维结构模型 三、蛋白质工程的应用 【练习与应用】 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。（ ） 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 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? A 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。 【练习与应用】 随堂练习 In-class practice 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 随堂练习 In-class practice 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）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，对蛋白 质的结构进行分子设计 基因改造或基因合成 相反 3.IKK激酶参与动物体内免疫细胞的分化。临床上发现某重症联合免疫缺陷(SCID)患儿IKK基因编码区第1183位碱基T突变为C,导致IKK上第395位酪氨酸被组氨酸代替。为研究该患儿发病机制,研究人员利用纯合野生鼠应用大引物PCR定点诱变技术培育出SCID模型小鼠(纯合),主要过程如图甲、乙。分析回答: (1)在PCR反应体系中,需加入引物、IKK基因、缓冲液、Mg2+等外,还需加入　　　　 　等。  (2)在图甲获取突变基因过程中,需要以下3种引物: 则PCR1中使用的引物有　　　　　　,PCR2中使用的引物有　　　和图中大引物的　　　(填“①”或“②”)链。   (3)PCR的反应程序:94 ℃ 3 min;94 ℃ 30 s,58 ℃ 30 s,72 ℃ 50 s,30个循环。在循环之前的94 ℃ 3 min处理为预变性;循环中72 ℃处理的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。   (4)研究人员经鉴定、筛选获得一只转基因杂合鼠F0,并确认突变基因已经稳定同源替代IKK基因,请你设计完成获得SCID模型鼠的实验步骤: ①杂交亲本:　　　　　　　　,杂交得F1;  ②F1雌、雄鼠随机交配得F2; ③提取F2每只小鼠的基因组DNA,采用分子生物学方法,利用IKK基因探针和突变基因探针进行筛选, 则　　　 　　 　　 　　 　　　 　　 　的为模型鼠。  耐高温DNA聚合酶、4种脱氧核苷酸(dNTP) 引物A和引物B 引物C ② 耐高温的DNA聚合酶从引物起始进行互补链合成 F0×野生鼠 IKK基因探针检测未出现杂交带,突变基因探针检测出现杂交带 引物A 5'—CCCCAACCGGAAAGTGTCA—3' (下划线字母为突变碱基) 引物B 5'—TAAGCTTCGAACATCCTA—3' (下划线部分为限制酶HindⅢ识别序列) 引物C 5'—GTGAGCTCGCTGCCCCAA—3' (下划线部分为限制酶SacⅠ识别序列) $