3.4 蛋白质工程的原理和应用 课件-2025—2026学年高二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，通过“从社会中来”的荧光蛋白改造实例导入，衔接基因工程只能产生天然蛋白质的不足，以自主学习任务单、思考讨论等为支架引导学生构建知识。 其亮点在于融入“细菌的艺术”视频激发兴趣，结合玉米赖氨酸含量提高、速效胰岛素等实例，通过对比表格培养科学思维，课堂小结归纳核心要点。助力学生形成结构与功能观，提升探究能力，为教师提供丰富教学资源和活动设计。

3.4 蛋白质工程的原理和应用 第三章 基因工程 情境视频 细菌的艺术-微生物培养大赛 ￭从社会中来 1. 为什么细菌可以“画"出美妙图案？ 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。 2. 以上技术基因工程可否完成？ 基因工程只能产生自然界已存在的蛋白质。 ——目前绿色荧光蛋白可以在多种生物体内表达。 —— 但是黄色荧光蛋白是一种全新的蛋白质。 发出绿色荧光的细菌 发出黄色荧光的细菌 ①实质： 基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。 ②不足： 基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。 基因重组 天然蛋白质的缺陷 天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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。 一、蛋白质工程崛起的缘由 1 基因工程的实质及不足： ——提高玉米赖氨酸含量 一、蛋白质工程崛起的缘由 2 实例： 达到一定浓度 352位的苏氨酸变成异亮氨酸 赖氨酸合成 调控 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 两种酶活性 抑制 提高 提高 玉米中赖氨酸含量较低 提高玉米中赖氨酸的含量 如何？ 赖氨酸含量 自主学习任务单 请同学们阅读教材P94，思考下列问题： 蛋白质工程的目标、实质、结果分别是？ 蛋白质工程是直接改造蛋白质吗？ 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。 如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？ （限时3min） 二、蛋白质工程的基本原理 二、蛋白质工程的基本原理 1 目标、实质和结果： 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，最终通过改造或合成基因来完成。 (2)实质： 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） (1)目标： (3)结果： 生产出自然界没有的蛋白质。 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； 二、蛋白质工程的基本原理 2 基本思路： 预期功能 预期结构 推测 氨基酸序列（多肽链） 改造或合成 目的基因 转录 mRNA 翻译 折叠 设计 行使 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 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 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 问题: 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。 查密码子表得知： 推知mRNA序列为： 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 UGG AAA GAA UUU 共 种可能序列 32 （或C或A或G） （或G） （或G） （或C） 思考讨论 ——蛋白质工程基本思路的应用 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 查密码子表得知： 推知mRNA序列为： 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） 共 种可能序列 32 脱氧核苷酸序列 GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA(或G） TTT(或C) CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT（或C） AAA(或G) 共 种可能序列 32 基因工程和蛋白质工程 任务 应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。 1.研究人员试图将人胰岛素B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？ 基因工程和蛋白质工程 任务 2．如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？并说明理由。 不唯一，因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的基因总的碱基序列有多种。 不同的生物密码子基本相同， 即共用一套密码子。 拓展延伸 基因工程和蛋白质工程 任务 3．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？ 可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。 根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类： （1）大改： 设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质 （2）中改： 在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 （3）小改： 改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基 核心归纳 基 因 工 程 实质 不足 蛋 白 质 工 程 天然 蛋白质的不足 目的 将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的 ，进而表现出 。 基因 蛋白质 新性状 在原则上只能生产自然界已存在的 。 蛋白质 即天然蛋白质 天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种 的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 进化 生存 生产符合人类生产和生活需要的 。 蛋白质 基因工程与蛋白质工程的比较 核心归纳 比较项目 基因工程 蛋白质工程 区 别 起点 过程 实质 结果 联系 生产自然界中已存在的蛋白质 生产自然界中非天然的蛋白质 定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品 改造或制造人类所需要的蛋白质 预期的蛋白质功能 目的基因 获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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 ①都在生物体外对基因进行操作； ②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 核心归纳 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 天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，会延缓疗效，通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合。 3. 蛋白质工程的应用 （1）医药工业方面 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 ①研发速效胰岛素类似物 ——定点突变 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70℃的条件下，可保存半年。解决了干扰素体外保存困难的问题。 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 3. 蛋白质工程的应用 （1）医药工业方面 ②延长干扰素体外保存时间 ——定点突变 鼠抗体 人抗体 恒定区 恒定区 可变区 可变区 嵌合抗体 对人体的不良反应减少 ③降低小鼠单克隆抗体免疫反应 3. 蛋白质工程的应用 （1）医药工业方面 ——基因融合 19 如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。 从头设计蛋白的高分辨晶体结构（天蓝色）与设计模型（绿色）比较。 我国科学家建立蛋白质设计新方法 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 3. 蛋白质工程的应用 （2）其他工业方面 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。 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 3. 蛋白质工程的应用 （3）农业方面 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。 三级结构 一级结构 四级结构 二级结构 由计算机建立的血红蛋白三维结构模型 3. 蛋白质工程的应用 课堂小结 蛋白质工程 目标 理论基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 实质 基本思路 实践应用 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 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 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） 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、研制新型农药 下列有关基因工程和蛋白质工程的叙述，正确的是（ ） A. 通过基因工程产生的蛋白质都符合人类需要 B. 通过基因工程能得到自然界中不存在的蛋白质 C. 蛋白质工程通常是对蛋白质结构进行直接改造 D. 蛋白质工程可以创造新的、自然界中不存在的蛋白质 蛋白质工程的基本流程正确的是（　　　） ①蛋白质分子结构设计 ②DNA合成 ③预期蛋白质功能 ④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A．①②③④ B．④②①③ C．③①④② D．③④①② D ￭实战演练 C 从某海洋动物中获得一基因，其表达产物为一种抗菌性和溶血性均较强的多肽P1。目前在P1 的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的多肽药物，首先要做的是( ) A. 合成编码目的肽的DNA 片段 B. 构建含目的肽DNA 片段的表达载体 C. 依据P1氨基酸序列设计多条模拟肽 D. 筛选出具有优良活性的模拟肽作为目的肽 C ￭实战演练 下列各项与蛋白质工程没有直接关系的是( ) A.利用各种高科技手段分析蛋白质的分子结构 B.研究并改变某种蛋白质相关基因的碱基序列 C.设计和制造自然界中没有的人工蛋白质 D.将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶 将编码牛凝乳酶的基因导入酵母菌的基因组中获得凝乳酶是基因工程的成果，与蛋白质工程没有直接关系，D符合题意。 ￭实战演练 D 腈水合酶(N0)广泛应用于环境保护和医药原料生产等领域，但不耐高温。利用蛋白质工程技术在N0的α和β亚基之间加入一段连接肽，可获得热稳定的融合型腈水合酶(N1)。下列有关叙述错误的是( ) A.N1与N0氨基酸序列的差异是影响其热稳定性的原因之一 B.加入连接肽需要通过改造基因实现 C.获得N1的过程需要进行转录和翻译 D.检测N1的活性时先将N1与底物充分混合，再置于高温环境 ￭实战演练 D Lavf59.27.100 $