3.4蛋白质工程的原理及应用 课件-2025-2026学年高二下学期人教版生物选择性必修3

该高中生物学课件聚焦蛋白质工程的原理与应用，通过基因工程无法生产非天然蛋白质的问题导入，以绿色荧光蛋白改造为蓝色荧光蛋白为例，构建“功能→结构→氨基酸→基因”的学习支架，衔接前后知识。 其亮点在于融合科学思维与探究实践，结合AlphaFold、钱永健等科学案例，通过结构与功能观分析蛋白质改造过程，对比基因工程与蛋白质工程表格助力总结。学生能提升科学探究能力，教师可利用实例丰富教学，提高效率。

第3章 第4节 人教版 选择性必修3 1 将荧光蛋白基因导入细菌，细菌就能在紫外灯照射下，发出荧光 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。（P93) 现在用细菌作画已经非常普遍了，这幅图更加绚丽多彩，颜色不再单一， 在这些众多荧光蛋白中，科学家最先只在水母里发现了绿色荧光蛋白（GFP），把它的基因导入细菌，细菌就会发绿光 那么这个事情其实可以通过基因工程来完成，具体怎么操作 其他颜色的荧光蛋白 想要一些亮度更高的，其他颜色的荧光蛋白（如蓝色)，自然界里没有现成的基因，基因工程还可行吗？ ​ 最早被发现的荧光蛋白是 绿色荧光蛋白（GFP） 基因工程的不足： 基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质 如何改造或制造 新的蛋白质？ 首先这些荧光蛋白能发出不同的颜色，其实是表现出了不同的性状，这是由蛋白质体现出来的，也就是说这些蛋白质的功能不一样，那么我们知道结构决定功能，我们要得到一些其他功能的蛋白质，首先要了解它的结构 二、蛋白质工程的基本思路 问题1.如何了解蛋白质的空间结构呢？ 基于神经网络原理构建的人工智能工具AlphaFold实现了对蛋白质三维结构的精准预测，解决困扰生命科学60年的难题 2024年诺贝尔化学奖得主 还有冷冻电镜技术、 核磁共振技术等 P94 随着技术的发展，X射线衍射技术为研究蛋白质的空间结构有了很好的帮助 并且后来AlphaFold技术的发展，他们也获得了诺贝尔化学奖 当然具体是怎么做到的，感兴趣的同学也可以去使用这个软件了解一下 资料1： 晶体结构分析表明GFP包含238个氨基酸，其发色团由（丝氨酸65-酪氨酸66-甘氨酸67）组成，这三个氨基酸的序列直接决定了荧光的颜色和亮度。 资料2： 科学家发现将绿色荧光蛋白的第 66 位酪氨酸替换为组氨酸，使发色团的电子跃迁能级发生变化，就能得到蓝色荧光蛋白（BFP），且改造后的氨基酸序列，不影响蛋白质的正确折叠。 1.想要获得蓝色荧光蛋白，是对基因进行改造还是直接改造蛋白质？ 2.如何利用绿色荧光蛋白得到蓝色荧光蛋白？ 二、蛋白质工程的基本思路 那么我们可以用这个软件来预测GFP的空间结构 5 翻译 行使 生物功能 特定氨基酸序列的多肽链 折叠 具有高级结构的蛋白质 绿色荧光 基因 转录 mRNA 结合必修2所学知识，绿色荧光蛋白的合成过程如下： 问题2.想要获得其他荧光蛋白，是对基因进行改造还是直接改造蛋白质？ 二、蛋白质工程的基本思路 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 翻译 行使 生物功能 特定氨基酸序列的多肽链 折叠 具有高级结构的蛋白质 绿色荧光 基因 转录 mRNA 结合必修2所学知识，绿色荧光蛋白的合成过程如下： 问题1.想要获得其他荧光蛋白，是对基因进行改造还是直接改造蛋白质？ 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 二、蛋白质工程的基本思路 问题3.如何利用绿色荧光蛋白得到蓝色荧光蛋白？ ①预期蛋白质的功能 ②设计预期的蛋白质结构 ③推测应有的氨基酸序列 ④通过改造GFP基因，获得目的基因BFP ⑤通过基因工程获得所需蛋白质并鉴定 二、蛋白质工程的基本思路 二、蛋白质工程的基本思路 丝氨酸 酪氨酸 甘氨酸 丝氨酸 组氨酸 甘氨酸 天然绿色荧光蛋白的 部分氨基酸序列 改造后的蓝色荧光蛋白的部分氨基酸序列 大肠杆菌是最常用的工程菌，红框为大肠杆菌的最优密码子 请推测出绿色荧光蛋白和蓝色荧光蛋白的部分基因序列 二、蛋白质工程的基本思路 由于密码子的简并性，基因的序列可能有多种。 有可能创造出来的不是天然的基因序列，但是只要是满足人类需求即可，如果想要效果好一些，可以选择最优密码子 10 mRNA mRNA 翻译 翻译 转录 天然绿色荧光蛋白的部分基因 改造后的蓝色荧光蛋白的部分基因 转录 丝氨酸 酪氨酸 甘氨酸 AGC UAU GGU AGC CAU GGU AGC TAT GGT AGC CAT GGT TCG ATA CCA 丝氨酸 组氨酸 甘氨酸 TCG GTA CCA DNA DNA 二、蛋白质工程的基本思路 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 要么合成，要么去 11 问题4.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人工合成目的基因 ②利用定点突变技术对基因进行改造 （通常设计含有非特异性配对的碱基引物， 再通过PCR将突变位点引入产物中） 二、蛋白质工程的基本思路 问题5.如何获得大量的蓝色荧光蛋白？ 将改造得到的 BFP 基因，通过基因工程技术导入大肠杆菌等受体细胞，使其转录和翻译，在紫外灯照射下，检测并筛选出符合预期的菌株，得到大量的蓝色荧光蛋白。 12 用荧光蛋白点亮大脑中的神经元， 可以帮助科学家解析大脑功能 钱永健因在荧光蛋白改造方面做出的突 出贡献，获得了2008年的诺贝尔化学奖 科学家基于GFP，后续又陆续改造出了更稳定、颜色更丰富的其他荧光蛋白 这两种图片就是科学家对小鼠和果蝇神经细胞进行荧光标记的结果，如今荧光蛋白被广泛应用于生命科学研究的诸多领域 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 蛋白质 （三维结构） 行使 生物功能 预期功能 设计 推测 改造或合成 蛋白质工程的基本思路 问题6.蛋白质工程只能改造现有蛋白质吗， 能根据人类需要，制造出新的蛋白质吗？ 二、蛋白质工程的基本思路 资料3.利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白 2021年周强团队揭开新冠病毒入侵人体细胞的关键是新冠病毒表面的S蛋白含有RBD，能与人体细胞上的ACE2结合，进而侵入人体。ACE2在肺、心脏、肾脏和肠细胞表面广泛存在。你有什么思路来防止病毒入侵？ 科学家尝试制备针对RBD的单克隆，但发现抗病毒效果不理想 问题7.根据蛋白质工程的基本思路，说出设计一种效果更强的，能与新冠病毒的RBD结合的药物蛋白的基本思路？ 二、蛋白质工程的基本思路 戴维贝克，开发罗塞塔（Rustyta)软件设计全新蛋白质，并设计出了全新蛋白质，获得了2021年科学突破奖。 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 折叠 蛋白质 （三维结构） 行使 生物功能 预期功能 设计 推测 改造或合成 蛋白质工程的基本思路 蛋白质工程的概念 以蛋白质分子的____________及其____________的关系作为基础，通过____________或___________，对现有蛋白质进行_______，或________________________，以满足人类生产和生活的需求。也就是说，蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的__________________，是包含多学科的综合科技工程领域。(P93) 结构规律 生物功能 基因修饰 基因合成 改造 制造一种新的蛋白质 第二代基因工程 项目 基因工程 蛋白质工程 操作对象 操作起点 操作流程 结果 实质 联系 基因（DNA分子水平） 基因（DNA分子水平） 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 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 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 阅读教材95页内容，思考下列问题： 1.总结蛋白质工程在哪些领域有突出应用？ 2.为什么天然胰岛素制剂会延缓疗效？科学家如何对这一缺陷进行改进？ 3.将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸有什么效果？ 4.如何降低小鼠单克隆抗体诱发人的免疫反应强度？ 三、蛋白质工程的应用 三、蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 2.农业方面 3.其他工业方面 ①速效胰岛素 ②易保存的干扰素 ③降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 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减低很多。 负责识别和结合抗原 在同一种动物中，恒定区较为相似 三、蛋白质工程的应用 （没有用到定点突变） 21 1.医药工业方面 三、蛋白质工程的应用 2.农业方面 3.其他工业方面 ①速效胰岛素 ②易保存的干扰素 ③降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 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。 改进酶的性能或开发新的工业用酶,如枯草杆菌蛋白酶 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。 蛋白质工程的难点： 蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构， 依据蛋白质的功能设计蛋白质的高级结构非常困难。 前景展望： 三、蛋白质工程的应用 23 蛋白质工程 课堂小结 方法 基本原理 应用 改造 基因 合成 基因 改造现有蛋白质 制造新的蛋白质 蛋 白 质 的 功 能 蛋 白 质 的 结构 氨基酸的 序列 基因的 序列 设计 推测 改造 或合成 转录 翻译 折叠 行使 医药工业 农业 其他方面 今天我们通过荧光蛋白的改造，和抗新冠病毒药物蛋白的制造等众多实例学习了蛋白质工程的相关知识 当然更重要的是完成了思维的跨越，我们知道了某些新性状的形成，可以不靠漫长的进化，随着技术的发展，我们可以靠AI精准预测结构，再及逆行高效改造，人类也成为了生命功能的设计者和创造者，优化者 $