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“荧光蛋白细菌作画”案例导入，衔接基因工程旧知，通过“基因工程只能生产天然蛋白质”的不足引出蛋白质工程，构建从问题到原理的学习支架。 其亮点在于融合生命观念（如胰岛素结构改造与功能优化）、科学思维（对比基因工程与蛋白质工程的流程实质）和探究实践（任务单讨论改造基因的原因），通过实例（速效胰岛素、延长干扰素保存）和对比表格突破难点，帮助学生形成结构与功能观，教师可借助清晰流程和实例提升教学效果。

第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用 学习目标 01 概述中心法则与蛋白质工程的关系 02 列表比较基因工程和蛋白质工程的区别与联系 03 举例说明蛋白质工程在生产生活中的应用 01 问题探讨 02 发酵工程的基本环节 01 从社会中来 右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。 那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 如何解决这一问题？单纯的基因工程可以么？ 02 蛋白质工程崛起的缘由 概念：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）基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 （2） 操作方法和对象：改造或合成基因 （3）目的：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 （4）地位：在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程 （5）学科和技术：分子生物学、晶体学和计算机技术 基因工程的实际： 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，进而表现出新性状。 基因工程的不足： 在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 天然蛋白质的不足： 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。 02 蛋白质工程崛起的缘由 02 蛋白质工程崛起的缘由 赖氨酸合成 调控 达到一定浓度 两种酶的活性 352位的苏氨酸变成异亮氨酸 二氢吡啶二羧酸合成酶 天冬氨酸激酶 + 104位的天冬酰胺变成异亮氨酸 赖氨酸含量 抑制 提高 提高 限制 提高 提高5倍 提高2倍 蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？ 实例：提高玉米赖氨酸含量 自主学习 任务单（一） 请同学们阅读教材P94的内容，思考讨论并回答下列问题： 1.蛋白质工程的目标、实质、结果。 2.为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ 3.温故天然蛋白质合成的过程。构建出蛋白质工程的基本思路。 4.如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 03 蛋白质工程的基本原理 实质、目标和结果： (1)蛋白质工程的目标： 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)改造蛋白质的方法： 改造或合成基因 (3)结果： 生产出自然界没有的蛋白质。 思考：为什么蛋白质工程需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； 03 蛋白质工程的基本原理 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 回顾旧知 03 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的基本设计思路： 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？ 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 03 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程操作程序的基本思路和基因工程有什么不一样？ 思考 基因工程是遵循中心法则，DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。 蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，创造出自然界不存在的蛋白质。 03 蛋白质工程的基本原理 比较项目 蛋白质工程 基因工程 区别 过程 实质 结果 联系 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 目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品 创造出自然界不存在的蛋白质 生产出自然界已有的蛋白质 ①蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程 ②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造 蛋白质工程基本思路的应用 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。 提示： 查密码子表得知：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） GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C） CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G） GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C） mRNA序列为： DNA序列为： 某多肽链的一段氨基酸序列是： 丙氨酸 …… …… 色氨酸 赖氨酸 苯丙 氨酸 蛋白质工程基本思路的应用 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？ 确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 提示： 天然蛋白质 改造蛋白质 蛋白质工程已有哪些实际的应用呢？ 过渡 蛋白质工程基本思路的应用 思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ 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 04 蛋白质工程的应用 04 蛋白质工程的应用 胰岛素的分子结构示意图 胰岛素的3D示意图 α链 β链 脯氨酸 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，见效慢。科学研究发现，胰岛素β链第20～29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合。请小组讨论改造胰岛素分子的思路。 04 蛋白质工程的应用 医药工业方面 速效胰岛素 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体 预期结构 改造 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 新胰岛素基因 转录 mRNA 折叠 预期功能 行使功能 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 推测序列 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚合 科学家通过改造 实现对相应氨基酸序列的改变,使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，从而有效抑制了胰岛素的 。 胰岛素基因 聚合 （1）研发速效胰岛素类似物 04 蛋白质工程的应用 天然干扰素不易保存 预期结构 改造 一个半胱氨酸变成丝氨酸 新干扰素基因 转录 mRNA 折叠 预期功能 行使功能 延长保存时间 设计结构 氨基酸替换 推测序列 翻译 多肽链 在-70℃下可以保存半年 将干扰素分子上的一个 变成 ，在一定条件下，可以延长保存时间。 半胱氨酸 丝氨酸 半胱氨酸 丝氨酸 （2）延长干扰素体外保存时间 医药工业方面 04 蛋白质工程的应用 解决办法：通过__________，将小鼠抗体上___________的区域（即_________）“嫁接”到__________（即_______）上，经过这样改造的抗体_______________________________________； 医学问题：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。 改造基因 结合抗原 可变区 人的抗体 恒定区 诱发免疫反应的强度就会降低很多 （3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 医药工业方面 04 蛋白质工程的应用 工业用酶方面 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。 04 蛋白质工程的应用 在农业方面 ①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。 ②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。 伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药 04 蛋白质工程的应用 （2）科学家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。 伊维菌素是由土壤中发现的一种新型链霉菌提取出了一种名为阿维菌素的抗生素，经过多年的不断改造获得的，伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗动物寄生虫病兽药。 在农业方面 04 蛋白质工程的应用 蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为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。 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 三 级 结 构 一 级 结 构 四 级 结 构 二 级 结 构 蛋白质工程的现状 05 课堂小结 蛋白质工程 理论基础 技术手段 目标 基本思路 实践应用 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 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 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 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。 药物研发 改进酶的性能或开发新的工业用酶 增加粮食产量、研发新型农药 06 课堂小测 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 D 解析：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；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；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；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。 06 课堂小测 2.利用蛋白质工程对干扰素进行改造，可在一定条件下延长其保存时间。下列叙述错误的是( ) A.天然蛋白质合成的过程按照中心法则进行，蛋白质工程与之相反 B.利用蛋白质工程对干扰素进行改造时，操作对象是干扰素 C.经改造后的干扰素基因能通过工程菌的繁殖实现遗传 D.对干扰素的改造遇到的最大难题是干扰素的高级结构十分复杂 B 解析：天然蛋白质合成遵循DNA→RNA→蛋白质的中心法则；蛋白质工程是从预期蛋白质功能出发，设计蛋白质结构，改造基因，流程与天然蛋白质合成相反，A正确；蛋白质工程的操作对象是基因（干扰素基因），而非蛋白质（干扰素），因为基因可遗传、易改造，蛋白质不能直接改造且无法遗传，B错误；改造后的干扰素基因导入工程菌后，工程菌繁殖时会复制并传递该基因，实现目的基因的遗传和目的蛋白的生产，C正确；蛋白质的高级结构（空间结构）复杂，难以精准设计和改造，是蛋白质工程面临的最大难题，D正确。 06 课堂小测 3.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 A 解析：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；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；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；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。 感谢指正 Thanks To Correct Me Lavf58.45.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 FormatFactory : www.pcfreetime.com $