3.4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

该高中生物学课件聚焦基因工程与蛋白质工程原理及应用，从基因工程回顾切入，通过胰岛素生产历史及重组人胰岛素起效慢的问题引出蛋白质工程，搭建“基因工程→结构分析→改造实践”的学习支架，衔接前后知识脉络。 其亮点是以胰岛素改造为真实情境，融合生命观念（结构与功能观）、科学思维（资料分析推理）和探究实践（PCR定点突变设计），如通过分析B链疏水区域选择氨基酸替换位点培养能力。学生能提升解决实际问题能力，教师可获得完整的探究式教学案例。

项目 基因工程 操作对象 操作水平 操作流程 实质 基因 DNA分子水平 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 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 思考：基因工程能否生产自然界原本不存在的蛋白质 温故： 蛋白质工程的原理和应用 27 以胰岛素类似物的研发为例 胰岛素一级结构 胰岛素四级结构多聚体 我们将以一个非常经典的案例——胰岛素类似物的研发，来深入理解蛋白质工程是如何通过改造基因来创造出满足人类特定需求的新型蛋白质的。 胰岛素生产回顾： 提取 产量低 人工合成牛胰岛素 免疫排斥反应 产量增加 无免疫排斥反应 大肠杆菌表达人胰岛素 导 从动物体内提取胰岛素的量十分有限，1g需要30头牛，提取效率低且成本高昂。 在正式学习蛋白质工程之前，我们先来回顾一下胰岛素的发展历程。从最初从动物胰腺提取的第一代胰岛素，到利用基因工程生产的第二代重组人胰岛素，再到我们今天要重点讨论的、通过蛋白质工程改造的第三代胰岛素类似物。每一次进步都解决了前一代的痛点，而第三代胰岛素的出现，正是蛋白质工程威力的体现。 在正常人体内，血液中胰岛素的含量通常在进食后30、60分钟就达到高峰。而基因工程生产的重组人胰岛素制剂，注射120分钟后才出现高峰，起效较慢。 导 六聚体 二聚体 单体 为什么基因工程生产的重组人胰岛素起效还是慢呢？关键在于胰岛素的聚合特性。如大家所见，胰岛素分子在高浓度下会抱团形成六聚体，这个“大团体”很难穿过血管壁。它必须先分解成小一点的二聚体，最后才能变成可以发挥作用的单体。这个过程就像一个团队解散成单兵作战，需要时间，因此导致了起效延迟。 导学 1.回顾中心法则 2.P93黑体字 背诵 3.P94蛋白质工程的基本思路+图3-17 4.P94学科交叉+讨论1、2写书上 5.P95蛋白质工程的应用 资料1:胰岛素B链的羧基端B23-B28形成疏水平面， 在水溶液中，2个胰岛素单体的疏水区域结合， 形成胰岛素二聚体。不同氨基酸的R基不同， 其亲疏水性是不一样的，改变1个氨基酸就 可能改变蛋白质某个区域的亲疏水性。B24-B26 为胰岛素与其受体结合的重要位点。 资料2:要防止2个胰岛素单体的疏水区域结合， 既可以考虑破坏该区域的疏水结构，还可以考 虑同种电荷相互排斥。由于胰岛素分子表面存 在一些带负电的残基，新引入带正电荷的氨基酸 可能会与它们发生错误的分子内吸引，导致自身 结构异常折叠。在选择新的氨基酸时，新的氨基 酸侧链更长，更可能产生不可预期的副作用。 常规胰岛素通过皮下注射的方式进入人体内， 皮下pH值约为7.2-7.4。 资料3:20种常见氨基酸及其简写、亲水指数、带电情况(pH=7.2) 资料4:见附表1 20种常见氨基酸的名称及结构   结合资料，为降低人胰岛素的聚集，应如何改造蛋白质?请在下图中 确定1个改造位点，并选择合适的氨基酸替换。 组学 改造方向: 1.换成更亲水的氨基酸: 2.换成带负电的氨基酸 3.换成R基更短的氨基酸 降低胰岛素的聚集 面临问题: 如何大量制备目标蛋白? 展学 FVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTDKTGIVEQCCTSICSLYQLENYCN 面临问题:如何大量制备目标蛋白? 2.下图为人胰岛素B21-B30对应DNA、mRNA和氨基酸序列，请结合附表2完成下列任务:根据第1题确定的氨基酸替换位点，用红笔在图中肽链、mRNA、DNA上圈出改造位点，并在旁边写出替换后氨基酸种类，mRNA和DNA序列。 展学 一、获取目的基因 （人工合成目的基因 或 改造人胰岛素基因） 利用PCR定点突变术改造实例 下图人胰岛素B链部分基因序列，设计引物获得定点突变的目的基因 ATG TGT CTA TTC TGG TTT GTG AAC CAA CAC 展学 评学 一、获取目的基因 2 轮循环 门冬胰岛素是一种速效胰岛素类似物。 速效胰岛素类似物的特点: 1.起效迅速(10~20min)，可避免餐后高血糖，用以治疗因血糖过高引发的糖尿病急症，如酮症酸中毒; 2.药效作用时间较短，可大大降低低血糖(尤其是夜间低血糖)的风险。 二、目的基因表达结果 评学 设问.蛋白质工程本质是改造或合成基因，那蛋白质工程是基因工程吗？ 痛点1.通过预测的蛋白质功能设计出的三维结构，如何保证推测的氨基酸序列的准确性？ 三、蛋白质工程的难点 蛋白质发挥作用依赖于正确的高级结构，这种高级结构往往十分复杂，从预期功能，设计相应结构十分困难。 评学 蛋白质高级结构 蛋白质一级结构 蛋白质功能 完整研发+生产周期：2～5年 流程：功能设计→结构解析→基因突变→表达纯化→多轮筛选验证，反复试错，周期极长。 评学 痛点2.蛋白质的结构是通过方法预测和设计的？ 冷冻电镜技术 ——解析蛋白质三维结构的重要实验手段 为PDB数据库的建立提供信息 2017年诺贝尔化学奖颁给冷冻电镜技术开发。 优势： 不用让蛋白结晶（最大痛点解决） 适合超大蛋白、病毒、核糖体、蛋白‑核酸复合物 能看到蛋白天然状态、动态构象 精度现在可达原子级（~2 Å），接近X射线晶体 缺点：小蛋白（＜50 kDa）效果差 仪器极贵、数据量大、解析慢 评学 AlphaFold 3——AI精准预测分子结构、修饰以及分子之间的作用 二、AI辅助蛋白质工程（AlphaFold等结构预测） 周期大幅缩短：6～12个月（半年～1年） AI提前预测蛋白结构、筛选突变位点，减少无效实验，效率提升数倍。 评学 鼠抗体 人抗体 恒定区 恒定区 可变区 可变区 嵌合抗体 检学 思考：如何降低人对小鼠单抗的免疫反应 从人体中获取编码抗体恒定区/C区序列的基因,然后从杂交瘤细胞中提取编码小鼠单克隆抗体V区序列的基因,对两种基因进行改造、拼接，利用载体将重组基因导入受体细胞，并进行培养，获取人鼠嵌合抗体 基因变异类型与胰岛素有何不同？ 16 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $