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

该高中生物学课件聚焦蛋白质工程的原理与应用，以荧光细菌“琼脂艺术”和转基因小鼠案例导入，衔接基因工程只能生产天然蛋白质的局限，搭建从天然蛋白到人工改造的知识支架，系统呈现蛋白质工程的定义、操作对象及基本思路。 其亮点在于通过“思考·讨论”分析多肽链脱氧核苷酸序列、密码子表应用等活动，培养科学思维与探究实践能力，结合干扰素保存、速效胰岛素等应用案例渗透结构与功能观的生命观念。学生能深化知识理解，教师可通过案例与小测提升教学效果。

琼 脂 艺 术 那么科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 左下图是用发出不同颜色荧光的细菌“画”的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是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，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。 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 1. 基因工程的实质 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。 (基因重组) 2. 基因工程产生的蛋白质的特点 ①只能生产自然界中已存在的蛋白质 ②这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的 ③天然蛋白质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. 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。 设计基础 方法 (实质) 结果 目的 它是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程。 二、蛋白质工程 2. 操作对象 基因 ①构建蛋白质的三维结构模型： ②获得蛋白质晶体： 借助计算机 3. 理论和技术 ③分析晶体的结构： ④碱基的替换： 晶体学技术 X射线衍射技术 基因的定点突变技术 计算机建立的血红蛋白三维结构模型 胰岛素的晶体结构(X射线衍射技术) 随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程取得了很大的进展。 二、蛋白质工程 4. 基本思路 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 预期功能 生物功能 设计 推测 改造或合成 翻译 折叠 行使 转录 目的 基因 mRNA 多肽链 蛋白质(三维结构) 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。 二、蛋白质工程 6 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 预期功能 生物功能 设计 推测 改造或合成 翻译 折叠 行使 转录 目的 基因 mRNA 多肽链 蛋白质(三维结构) 二、蛋白质工程 课堂小测 1、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 课堂小测 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 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】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 色 氨酸 赖 氨酸 谷 氨酸 苯丙 氨酸 …… …… 查阅密码子表 mRNA序列 脱氧核苷酸序列 二、蛋白质工程 10 第一个 碱基 第二个碱基 第三个 碱基 U C A G U 苯丙氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 酪氨酸 酪氨酸 终止 终止 半胱氨酸 半胱氨酸 终止、硒代半胱氨酸 色氨酸 U C A G C 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 U C A G A 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸（起始） 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 U C A G G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸、甲硫氨酸 (起始) 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 U C A G 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】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 色 氨酸 赖 氨酸 谷 氨酸 苯丙 氨酸 …… …… GCU GCC GCA GCG UGG AAA AAG GAA GAG UUU UUC 查阅密码子表 mRNA序列 脱氧核苷酸序列 mRNA的序列： 4×1×2×2×2 = 32种 32种 二、蛋白质工程 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？ 【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 色 氨酸 赖 氨酸 谷 氨酸 苯丙 氨酸 …… …… ①人工合成目的基因 ②从基因文库中获取目的基因后，利用定点突变技术对基因进行改造 通过PCR实现 二、蛋白质工程 三、蛋白质工程的应用 1. 医药工业方面 (1)延长干扰素的保存时间 预期功能 生物功能 设计 推测 改造或合成 翻译 折叠 行使 转录 目的 基因 mRNA 多肽链 蛋白质(三维结构) 半胱氨酸 丝氨酸 延长保存时间 氨基酸替换 一个半胱氨酸变成丝氨酸 改造 新干扰素基因 在-70℃下可以保存半年 天然干扰素不易保存 问题： 三、蛋白质工程的应用 1. 医药工业方面 (2)研发速效胰岛素类似物 S S H2N CO OH S S CO OH H2N S S A链 B链 1 21 1 30 改造目标： 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为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。 降低胰岛素的聚合作用 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，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。 改造原理： 改造胰岛素基因的具体操作： 三、蛋白质工程的应用 1. 医药工业方面 (2)研发速效胰岛素类似物 通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天门冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置。 S S H2N CO OH S S CO OH H2N S S A链 B链 1 21 1 30 成果： 有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。 三、蛋白质工程的应用 1. 医药工业方面 (3)制备人鼠嵌合抗体 与抗原特异性结合 在同一种动物中，恒定区较为相似 该过程不能通过基因的定点突变 技术完成，需要通过基因拼接完成 问题： 小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。 通过改造基因，科学家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。 解决方法： 三、蛋白质工程的应用 2. 其他工业方面 (1)研究方向： 被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶 (2)举例——枯草杆菌蛋白酶 作用： 用途： 成果： 水解蛋白质 常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等 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。 三、蛋白质工程的应用 3. 农业方面 (1)改造某些参与调控光合作用的酶 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。 (2)设计优良微生物农药 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，使它防治病虫害的效果增强。 三、蛋白质工程的应用 3. 农业方面 (3)提高玉米中赖氨酸的含量 天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸 合成酶 赖氨酸 苏氨酸 （352位） （含量提高2倍） 天冬酰胺 （104位） 改造后的天冬氨酸激酶 异亮氨酸 （104位） 改造后的二氢吡啶二羧酸 合成酶 赖氨酸 赖氨酸 异亮氨酸 （352位） （含量提高5倍） 抑制 抑制 促进 促进 促进 促进 （含量低） 20 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。 三、蛋白质工程的应用 蛋白质工程是一项难度很大的工程 主要原因： 科学家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。 前景展望： 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 课堂小测 3、下列关于蛋白质工程及其应用的叙述，错误的是（ ） A. 通过改造胰岛素基因可解决天然胰岛素容易聚合的问题 B. 将干扰素分子上的一个丝氨酸变成半胱氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间 C. 将单克隆抗体技术与蛋白质工程结合，可生产出诱发免疫反应较弱的单克隆抗体 D. 蛋白质发挥功能必须依赖正确且复杂的高级结构，因此蛋白质工程的难度较大 B $