3.4蛋白质工程课件-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和应用，通过基因工程局限性（如荧光蛋白改造资料）导入，衔接基因工程知识，以回顾中心法则、对比逆流程及玉米赖氨酸改造方案为支架，构建知识脉络。 其亮点在于实例丰富（速效胰岛素、干扰素等），含重叠延伸PCR技术视频及跨学科技术（晶体学、X射线衍射），结合科学思维（对比基因工程与蛋白质工程）、探究实践（技术步骤分析），助学生建立结构与功能观，教师可借检测题和实例提升教学效率。

第4节 蛋白质工程的原理和应用 第3章 基因工程 1 教学目标 TEACHING OBJECTIVES 学习目标： 1.阐明蛋白质工程的基本原理。 2.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、 生产目标蛋白的过程。 重难点： 1.蛋白质工程的基本原理。 2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、 生产目标蛋白的过程。 蛋白质工程崛起的原油 1 目录 CONTENT 2 蛋白质工程的基本原理 3 蛋白质工程的应用 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，使后者产生它本不能产 生的蛋白质，进而表现出新的性状。 蛋白质工程崛起的缘由？ 局限性：只能生产自然界中已存在的蛋白质 ①基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质； ②天然蛋白质是生物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。 【资料】这些细菌能发出荧光，是因为它们的体内导入了荧光蛋白基因。最早发现的绿色荧光蛋白来源于一种发光水母，科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得能发出其他颜色的荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对蛋白质分子进行改造和设计呢? 1.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（对象），改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质（结果），以满足人类生产和生活的需求（目的）。 1 蛋白质工程 实例：玉米中赖氨酸的合成与天冬氨酸激酶及二氢吡啶二羧酸合成酶有关，研究发现，若将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸、二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，赖氨酸产量将大大提高。 方案1：直接改造两种酶上的氨基酸 方案2：改造两种酶的基因 问：蛋白质工程为什么不是直接改造蛋白质，而是通过改造基因来改造蛋白质？ ①蛋白质是由基因编码合成的，改造基因即为改造蛋白质； ②改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； ③蛋白质的空间结构比较复杂，改造基因比改造蛋白质更容易操作。 2.蛋白质工程的基本思路： 【回顾】基因工程的思路： 目的基因 mRNA 转录 具有特定氨基酸序列的多肽链 具有高级结构 的蛋白质 行使 生物功能 按照中心法则进行 翻译 盘曲折叠 预期蛋白质功能 设计 蛋白质结构 推测 氨基酸序列 改造现有基因或合成新基因 转录 mRNA 翻译 行使 生物功能 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反。 蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出的第2代基因工程， 是涉及多学科的综合科技工程。 获得蛋白质晶体： 分析晶体的结构： 构建蛋白质三维结构图: 3.蛋白质工程的难度很大： 蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。 借助计算机 X射线衍射技术 晶体学技术 【P94学科交叉】蛋白质工程需要用哪些技术？ 计算机建立的血红蛋白三维结构模型 利用X射线晶体衍射等，充分了解胰岛素的空间结构 若推测出某多肽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— 如何得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？ 密码子如下 丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸： UGG 赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG、GUG 苯丙氨酸：UUU、UUC GCU UGG AAA AUG UUU mRNA: CGA ACC TTT TAC AAA DNA模板链: 确定基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因，或用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等改造基因 【拓展】利用重叠延伸PCR技术进行定点突变： https://www.bilibili.com/video/BV1q8XnYtE5p/?spm_id_from=333.1387.favlist.content.click&vd_source=dceac9584aa5bad3e234efc796afe9b6 C A A G T T 5’ 3’ 3’ 5’ C C A G G T 5’ 3’ 3’ 5’ 蛋白质工程与基因工程的区别和联系 是否合成新基因 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 2.看蛋白质 1.看基因 是否为天然蛋白质 是 否 蛋白质工程 基因工程 基因工程与蛋白质工程的联系： 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 定点突变技术 或人工合成 实例1：研发速效胰岛素类似物 2 蛋白质工程的应用 ——医药工业方面 六聚体 二聚体 单体 资料：天然胰岛素制剂常以二聚体或六聚体的形式存在，需经历长时间才能解离为单体发挥作用，因此见效慢。 降低胰岛素的聚合作用 改变B链第20～29位氨基酸组成 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 预期蛋白质功能 设计结构 推测氨基酸序列 改造胰岛素基因 脯氨酸 天冬氨酸 GGG CCC 脯氨酸密码子 CCC CTG GAC GAC 天冬氨酸 预期蛋白质结构 mRNA 多肽链 转录 翻译 行使功能 有效抑制胰岛素的聚合 实例2：改造干扰素基因，延长干扰素体外保存时间 自然蛋白质的不足：干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病，但在体外保存却相当困难。 半胱氨酸 丝氨酸 天然干扰素 （体外保存困难） 改造后的干扰素 （-70℃可保存半年） 实例3：制备人鼠嵌合抗体 资料：小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，导致治疗效果大大降低。 负责识别和结合抗原 同种动物 恒定区相似 解决方法： 通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（可变区）“嫁接”到人的抗体（恒定区）上，经过改造的嵌合抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。 通过基因片段的拼接 两条多肽片段拼接 可变区 恒定区 可变区 恒定区 二、其他工业方面 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，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 利用蛋白质工程获得该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出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、农业方面 ①科学家正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速率，增加粮食的产量。 ②利用蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，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。 教材P96【概念检测】 蛋白质工程可以说是基因工程的延伸，判断： (1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作（ ） (2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ） (3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（  ） √ × × 拓展应用：T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。 问题：1.这项工作属于什么工程的范畴？ 2.在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么？ 3.如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作？ 蛋白质工程 还需重新明确：该酶的耐受温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等; 需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。 根本原因：基因的碱基序列发生了变化。 【复习与提高】某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因 (AmpR)、LacZ 基因及一些酶切位点，如图所示： （1）在第②步中，应怎样选择限制酶？ 选择相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA 片段。 ③连接质粒和目的基因 （2）在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？ 加入DNA连接酶 ①获取质粒和DNA ②限制酶切质粒和含目的基因的DNA 含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈 ；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈 。 重组质粒 空质粒 LacZ 基因编码产生β-半乳糖苷酶可分解X-gal，使菌落呈蓝色，否则呈白色 ③连接质粒和目的基因 ⑤添加了青霉素、X-gal等成分的培养基上培养大肠杆菌 ①获取质粒和DNA ②限制酶切质粒和含目的基因的DNA （3）选用含有AmpR 和LacZ 基因的质粒进行实验有哪些优势？ AmpR 基因用于检测 。 便于进行双重筛选。 LacZ 基因用于检测 。 蓝色 白色 也有其他连接产物 质粒是否导入大肠杆菌 一般只有导入质粒（空质粒或重组质粒）的大肠杆菌才能在添加青霉素的培养基上生长。 导入的是否为空质粒 （4）含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？ 注：目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达产生 B-半乳糖苷酶，X-gal就不会被分解，菌落不会呈蓝色。 练.胰岛素可用于治疗糖尿病，但胰岛素注射后易在皮下堆积，需较长时间才能进入血液，进入血液后又易被分解，因此治疗效果受到影响。下图是新的速效胰岛素的生产过程，有关叙述错误的是（ ） A.新的胰岛素的预期功能是 构建新胰岛素模型的主要依据 B.新的胰岛素生产过程中 不涉及中心法则 C.若用大肠杆菌生产新的胰岛素， 常用Ca2＋处理大肠杆菌 D.新的胰岛素功能的发挥必须依赖于蛋白质正确的高级结构 B 17 感谢观看! 2019人教版·生物·选择性必修3 18 Lavf57.62.100 $