3.3蛋白质工程课件-2025-2026学年高二下学期生物苏教版选择性必修3

该高中生物学课件聚焦蛋白质工程，系统阐述其基本原理、设计思路及应用，通过“从社会中来”的胰岛素改造问题导入，结合中国合成牛胰岛素史实，衔接基因工程前序知识，构建“基因工程→蛋白质工程”学习支架。 其亮点是以真实案例（如单体速效胰岛素、T4溶菌酶稳定性改造）为载体，体现结构与功能观（生命观念），通过对比蛋白质工程与基因工程培养科学思维，逆向设计思路强化探究实践。课堂小结梳理核心内容，随堂小测巩固知识，助力学生深化理解，为教师提供优质教学资源。

第三节 蛋白质工程 第三章 基因工程 学习目标 1.简述蛋白质工程的基本原理 2.举例说明蛋白质工程的应用和发展 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题 从社会中来 1985 年度诺贝尔化学奖授予豪普特曼和卡尔，原因是他们研究出一套可从化合物结晶体的 X 射线衍射图像推断出该化合物分子结构的方法。这一方法也被应用于改造蛋白质分子如胰岛素分子。科学家为什么要改造胰岛素分子？ 事实1 1958 年，由中国科学院上海生物化学研究所、上海有机化学研究所和北京大学生物系组成的联合协作组，开始探索用化学方法合成牛胰岛素。1965 年，协作组完成了结晶牛胰岛素的全化学合成。经过鉴定，这种人工 积极思维：科学家为什么要改造胰岛素分子？ 纪念人工合成牛胰岛素结晶五十周年邮票 合成的结晶牛胰岛素在结构、生物活性、物理化学性质上都与天然的牛胰岛素完全一样。2015 年，中国邮政为纪念这一重要成果发行了纪念邮票 事实2 科学家发现经皮下注射的天然胰岛素进入血液的速率较为缓慢，其主要原因是胰岛素分子会聚合成二聚体或多聚体。这影响了胰岛素功能的及时发挥 事实3 科学家将胰岛素分子上的 2 个氨基酸加以改造，使改造后的胰岛素既能保持天然胰岛素分子的主要构象，又能保持为单体，从而提高了胰岛素进入血液的速率 积极思维：科学家为什么要改造胰岛素分子？ 迄今已有 1000 种以上的蛋白质的一级结构被研究确定，如胰岛素、胰核糖核酸酶、胰蛋白酶。科学家一直在努力通过蛋白质工程改造现有的一些蛋白质，以获得比“原版”蛋白质更加适合人类需要的新蛋白质产品。那么，什么是蛋白质工程呢？ 从社会中来 目录 1.蛋白质工程是基因工程的延伸 2.蛋白质工程的设计思路与应用 蛋白质工程是基因工程的延伸 1.蛋白质工程 以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 （1） 基础 （2） 操作方法和对象 （3）目的 （4）地位 （5）学科和技术 ：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 ：改造现有的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 ：在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程 ：分子生物学、晶体学和计算机技术 蛋白质工程是基因工程的延伸 2.蛋白质工程崛起的缘由 （1）基因工程的不足 基因工程原则上只能生产自然界 已存在的蛋白质(天然蛋白质) 天然蛋白质不一定完全符合 人类生产和生活的需要 需要对天然蛋白进行改造产生 更符合人类需要的蛋白质 实质：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 天然蛋白质的结构和功能 符合特定物种生存的需要 蛋白质工程崛起 蛋白质工程是基因工程的延伸 （2）蛋白质工程的优势 更充分地利用自然界中存在的 蛋白质 在分子水平上对蛋白质进行再 设计和改造，进而创造出自然界中 不存在的蛋白质 蛋白质工程是基因工程的延伸 3.蛋白质工程的基本原理 （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 （2）实质 通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 （3）天然蛋白质合成过程 中心法则 基因 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 （转录和翻译） 表达 蛋白质工程是基因工程的延伸 （4）蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程相反 从预期蛋白质功能出发→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 蛋白质工程是基因工程的延伸 【实例】水蛭素 水蛭素是水蛭的唾液腺分泌的一种效果很好的凝血酶抑制剂，由65 个氨基酸组成的蛋白质 通过蛋白质工程将其第 47 位的天冬酰胺变成赖氨酸或精氨酸时，这种新的蛋白质抗凝血效率可提高 4 倍。 蛋白质工程是基因工程的延伸 4.蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据 （1）GenBank生物大分子数据库 ①序列文件的基本单位是序列条目，包括核苷酸排列顺序和注释两部分 ②GenPept是由GenBank中的核酸序列翻译而得到的蛋白质序列数据库 （2）Entrez数据库查询系统是一个将核酸、蛋白质序列和基因、蛋白质结构数据库整合在一起的综合数据库查询系统 蛋白质工程是基因工程的延伸 5.通过基因改造生产目标蛋白质 （1）基因的体外定向突变 适用对象：掌握蛋白质基本结构信息 目的：生产出符合人类需求的目标蛋白质 种类 目的 方法 大面积的定向突变 基因全合成 单一或少数几个突变位点的基因定向突变 引物定点引入法 蛋白质工程是基因工程的延伸 引物定点引入法（定点诱变） 引物定点引入法实质上是一种寡聚核苷酸介导的定点诱变，它能在克隆基因内直接产生各种点突变和区域突变，从而有目的地改造蛋白质分子中某活性部位的一个或几个氨基酸残基，最终达到改善蛋白质的性质和功能的目的。 引物 突变 DNA聚合酶 DNA连接酶 受体细胞 转录 突变 蛋白质工程是基因工程的延伸 （2）非定点诱变技术 ①适用对象：不能预先确定诱变位点的蛋白质 ②缺点：目的性和针对性不够强 ③优点：突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果 任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。 蛋白质工程是基因工程的延伸 【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 蛋白质工程和基因工程的对比 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作水平 结果 实质 联系 基因 基因 DNA分子水平 DNA分子水平 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 蛋白质工程和基因工程的对比 【思考】如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？ 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 蛋白质工程的设计思路与应用 【实例】单体速效胰岛素 将人胰岛素 B 链第 28 位的脯氨酸残基、第 29 位的赖氨酸残基分别改为赖氨酸残基和脯氨酸残基，便可获得单体速效胰岛素，这样便能避免胰岛素分子形成聚合体，以保证其效能的及时发挥 B28位（脯氨酸） B29位（赖氨酸） B28位（赖氨酸） B29位（脯氨酸） 天然胰岛素 速效胰岛素类似物 改造胰岛素 基因 聚合作用降低，起效快 易形成二聚体或六聚体 蛋白质工程的设计思路与应用 生物体内的酶有数千种，但目前能直接被运用于工业化生物转化反应的酶只有几十种，绝大多数酶类在大规模体外反应时，或丧失原有的催化特异性，或在高温高压及存在有机溶剂条件下会发生变性。因此，利用蛋白质工程改造蛋白质（酶）具有广阔的应用前景。 蛋白质工程的设计思路与应用 1.提高蛋白质（酶）的稳定性 （1）引入二硫键提高蛋白质（酶）稳定性 热稳定的蛋白质一般都具有抗有机溶剂和极端pH的能力。二硫键是稳定蛋白质分子空间结构最关键的一种共价键，在蛋白质分子中引入二硫键能显著提高其稳定性。 【例】T4 溶菌酶催化速率随温度升高而升高，T4 溶菌酶分子含有两个未形成二硫键的半胱氨酸，实验表明：向T4溶菌酶引入二硫键提高了T4溶菌酶的热稳定性 蛋白质工程的设计思路与应用 （2）转换氨基酸残基提高蛋白质（酶）的稳定性 在高温下，蛋白质分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的侧链上的酰胺基会发生脱氨反应，进而损害其结构和功能。 在不影响酶催化活性的前提下，将天冬酰胺和谷氨酰胺残基转换为其他合适的氨基酸残基，可以提高蛋白质的热稳定性。 【例】酵母菌的丙糖磷酸异构酶的两个亚基中各含有两个天冬酰胺残基，分别用苏氨酸和异亮氨酸残基替代，大幅度提高了酶的热稳定性 蛋白质工程的设计思路与应用 2.改善酶的催化活性 （1）理论基础 大量酶蛋白的 X 射线晶体衍射结果显示，酶的催化活性中心附近有少数关键性氨基酸残基，在很大程度上决定了酶的催化活性 （2）思路：转换氨基酸残基改善酶催化活性 【例】将嗜热芽孢杆菌酪氨酰-tRNA 合成酶分子中的一个苏氨酸残基改变为丙氨酸或脯氨酸残基时，酶的活性大幅提高 【补充】删除末端部分氨基酸序列或某些肽段等也可以改善某些酶的催化活性 蛋白质工程的设计思路与应用 3.消除酶的被抑制特性 【思路】转换氨基酸残基可以消除酶的被抑制特性 【例】枯草芽孢杆菌蛋白酶是一种丝氨酸型蛋白酶，它具有广谱的蛋白质降解能力。但该酶会因漂白剂的抑制作用而无法用作洗涤添加剂。将该酶分子中第 222 位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基，酶的活性将不再受漂白剂的抑制 课堂小结 蛋白质工程 设计思路与应用 蛋白质的改造 过程 概念 提高蛋白质（酶）的稳定性 定点诱变技术 非定点诱变技术 改善酶的催化活性 消除酶的被抑制特性 随堂小测 1.研究人员将胰岛素B链的第28位氨基酸替换为天冬氨酸，抑制了胰岛素聚合，从而获得速效胰岛素类似物。下列叙述正确的是( ) A.该产品是通过直接改造胰岛素来生产的 B.改变氨基酸的种类不会影响胰岛素的空间结构 C.可通过定向诱导胰岛素基因碱基增添达到改造目的 D.胰岛素改造的基本思路与天然蛋白质合成过程相反 解析：A、该改造通过改造胰岛素基因实现（蛋白质工程），并非直接改造胰岛素蛋白质，直接改造蛋白质无法遗传且效果不稳定，A错误；B、氨基酸种类改变会导致胰岛素肽链结构改变，进而影响其空间结构，空间结构改变导致功能改变（抑制聚合），B错误；C、改造是替换第28位氨基酸，对应基因中碱基对替换，并非碱基增添，碱基增添会导致肽链延长，C错误；D、天然蛋白质合成是基因→mRNA→蛋白质，蛋白质工程（改造胰岛素）是预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→改造基因，思路与天然合成相反，D正确。 D 随堂小测 2.人体内的t-PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓，然而，为心梗患者注射大剂量的基因工程t--PA会诱发颅内出血，其原因是t-PA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实，通过某种技术，将t-PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，可制造出性能优异的改良t-PA蛋白，进而显著降低颅内出血。下列叙述错误的是( ) A.该技术的关键是了解t-PA蛋白基因的分子结构 B.该技术生产改良t-PA蛋白的过程遵循碱基互补配对原则 C.该技术是蛋白质工程 D.该技术的原理是从预期的蛋白质功能出发最终找到脱氧核苷酸序列的过程 解析：A、该技术为蛋白质工程，关键是从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，进而推测应有的氨基酸序列，找到对应的脱氧核苷酸序列，无需了解t-PA蛋白基因的分子结构，A错误；B、蛋白质工程中，基因的修饰、合成等过程遵循碱基互补配对原则，B正确；C、该技术通过改造基因来改造蛋白质，属于蛋白质工程，C正确；D、蛋白质工程的原理是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→找到对应的脱氧核苷酸序列，D正确。 A 随堂小测 3.下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，不合理的是( ) A.蛋白质工程和基因工程都需要构建基因表达载体 B.蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因修饰或基因合成来完成 C.基因工程和蛋白质工程都能对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质 D.基因工程和蛋白质工程产生的变异都可遗传 解析：蛋白质工程最终需借助基因工程实现，都需要构建基因表达载体，A、B正确。基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，C错误。基因工程产生的变异属于基因重组，目的基因转入后可以随宿主的基因一同表达并遗传给后代；蛋白质工程最终也要通过基因修饰或基因合成来完成，因此蛋白质工程产生的变异也可以遗传，D正确。 C THANKS 谢谢观看 $