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

左图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。因为在它们的体内导入了荧光蛋白基因。 最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白。那么，科学家是怎样设计出其他颜色的呢？ 从社会中来 对蛋白质分子的设计和改造， 采用“定点突变”技术，将绿色荧光蛋白的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得黄色荧光蛋白。 ——“蛋白质工程” 第3章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用 一、蛋白质工程崛起的缘由 为什么会出现蛋白质工程？ 1.基因工程的不足 ：在原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质 A生物某基因 转入 B生物 表达 A生物某蛋白质 （已知的、已存在的） 2.天然蛋白质不一定符合人类生产和生活的需要 蛋白质工程出现 目的： 生产符合人类生产和生活需要的蛋白质 实例： 赖氨酸含量低 天冬氨酸（104位） 二氢吡啶二羧酸合成酶 需要 天冬氨酸激酶 赖氨酸的浓度会抑制 改造 异亮氨酸 （改造二氢吡啶二羧酸合成酶） 促进 赖氨酸提高 改造 苏氨酸（352位） 异亮氨酸 （改造天冬氨酸激酶） 促进 干扰素 体外很难保存 改造 （半胱氨酸） 丝氨酸 体外可以保存半年 G A A A C C C T T T G G G G A T C C C C T A G G 607 609 G A A A C C G G A U C C 607 609 转录 谷 苏 甘 丝 翻译 203 G A A T A C C T T A T G G G A T C C C C T A G G 607 609 G A A U A C G G A U C C 607 609 转录 翻译 203 谷 酪 甘 丝 基因定点突变 绿色荧光蛋白 黄色荧光蛋白 将绿色荧光蛋白改造为黄色荧光蛋白。 蛋白质工程的实质： 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。 ①基础： ②途经： ③操作对象： ④目的： ⑤地位： 蛋白质工程： 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 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 又称第二代基因工程 定义：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.对天然的蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作还是通过对基因的操作来实现？ 2.蛋白质工程中为什么通过对基因操作来实现对天然蛋白质的改造？ 思考讨论 通过改造或合成基因 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。 学科交叉 蛋白质工程经常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，分析晶体结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 已知天然蛋白质的合成过程是按照中心法则进行的 中心法则： 蛋白质 转录 DNA RNA 翻译 逆转录 盘曲折叠 具有空间结构的蛋白质 表达生物特有的功能或性状 肽链 而蛋白质工程却与其相反 氨基酸序列 找到并改造脱氧核苷酸序列 得到所需要的蛋白质 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 从预期的蛋白质功能出发 推测应有的氨基酸序列 → 设计预期的蛋白质结构 → 找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列或合成新基因 → 获得所需要的蛋白质 → 二、蛋白质工程的基本原理 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。 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 每种氨基酸都有对应的密码子，只要查密码子表就能将氨基酸蓄力的编码序列查出来。 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 思考讨论 蛋白质工程基本思路的应用 有多少种排列方式？ 由于氨基酸序列中有几个氨基酸是由多种密码子编码的，所以相应的碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列32种。 mRNA序列为：GCU(或C/A/G） UGG AAA(或G） GAA(或G） UUU(或C） DNA序列为： CGA(或G/T/C） ACC T TT(或C） CTT(或C） AAA(或G） GCT(或C/A/G） TGG AAA(或G） GAA(或G） TTT(或C） 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？ ①可以人工合成目的基因，或从基因文库中获取目的基因。 ②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。 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 思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 思考讨论 12 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 基因改造或基因合成 相反 的结构进行分子设计 课 堂 检 测 三、蛋白质工程的应用 医药方面的应用 1.研发速效胰岛素类似物 （定点突变） 天然胰岛素B链部分氨基酸序列： 酪氨酸 苏氨酸 脯氨酸 赖氨酸 苏氨酸 B28 B29 mRNA DNA 六聚体 设计后胰岛素B链部分氨基酸序列： 脯氨酸 赖氨酸 A A G C C C T T C G G G A A G C C C 单体 方法二：B28位脯氨酸替换为天冬氨酸 背景：天然胰岛素见效慢，是因为天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，发挥作用。 2.降低人对 ”小鼠单抗”的免疫反应 背景：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。 负责识别和结合抗原 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。 该过程通过基因拼接完成 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。 ——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。 枯草杆菌 枯草杆菌蛋白酶 3.其他工业方面 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。 蛋白质工程面临的问题及前景展望 1.蛋白质工程的难点： 蛋白质工程是一项难度很大的工程。 原因：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。 2.前景展望： 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 对蛋白质的结构进行设计和改造: 最终是通过改造 来实现的。 改造基因的方法： 。 基因 定点突变、基因融合、基因拼接 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.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 课 堂 检 测 3.（2023.山东）科研人员构建了可表达J-V5融合蛋白的重组质粒并进行了检测，该质粒的部分结构如图甲所示，其中V5编码序列表达标签短肽V5。   (1)与图甲中启动子结合的酶是        。 除图甲中标出的结构外，作为载体，质 粒还需具备的结构有       （答出2个结构即可）。 (2)构建重组质粒后，为了确定J基因连 接到质粒中且插入方向正确，需进行PCR检测，若仅用一对引物，应选择图甲中的引物            。已知J基因转录的模板链位于b链，由此可知引物F1与图甲中J基因的              （填“a链”或“b链”）相应部分的序列相同。 (3)重组质粒在受体细胞内正确表达后，用抗J蛋白抗体和抗V5抗体分别检测相应蛋白是否表达以及表达水平，结果如图乙所示。其中，出现条带1证明细胞内表达了           ，条带2所检出的蛋白               （填“是”或“不是”）由重组质粒上的J基因表达的。 RNA聚合酶 限制酶切割位点、标记基因、复制原点等  F2和R1或F1与R2  a链 J-V5融合蛋白 不是 课 堂 检 测 （1）基因表达载体的构建启动子是为了启动下游基因的“表达”，表达首先需要转录，因此RNA聚合酶识别和结合的部位才是转录的起始。作为运载体必须具备的条件：①要具有限制酶的切割位点；②要有标记基因（如抗性基因），以便于重组后重组子的筛选；③能在宿主细胞中稳定存在并复制；④是安全的，对受体细胞无害，而且要易从供体细胞分离出来，图中甲有启动子和终止子等，因此质粒还需具备的结构有限制酶的切割位点、标记基因、复制原点等。 （2）据图甲可知，引物F2与R1或F1与R2结合部位包含J基因的碱基序列，因此推测为了确定J基因连接到质粒中且插入方向正确，进行PCR检测时，若仅用一对引物，应选择图甲中的引物F2和R1或F1与R2。b是模板链，而根据图上启动子和终止子的位置可知转录方向是图上从左向右，对应的模板链方向应该是3’-5'，非模板链（也就是a链）是5'-3'；考虑到DNA复制的方向是子链的5’-3'，引物基础上延伸的方向肯定是5'-3'，所以引物结合的单链其方向是3'-5'；图中F1是前引物，在左侧，所以其配对的单链是3’-5'的b链，故其序列应该与a链相应部分的序列相同。 （3）据图乙可知，用抗J蛋白抗体和抗V5抗体分别检测，均出现条带1，说明条带1是J-V5融合蛋白。抗J蛋白抗体检测出现条带2，抗V5抗体检测不出现条带2，说明条带2所检出的蛋白不是由重组质粒上的融合的J基因表达的。 19 $