2027届高三生物一轮复习课件 蛋白质工程的原理和应用

该高中生物学高考复习课件聚焦“蛋白质工程的原理和应用”核心考点，依据高考评价体系梳理了崛起缘由、基本原理、应用实例三大考查模块，通过教材P93-95内容分析，明确“逆中心法则思路”“基因改造技术”“应用实例分析”为高频考点，构建了从概念到实践的完整备考体系。 课件亮点在于“原理建模+真题情境+素养落地”的复习策略，如以速效胰岛素改造为例，用基因定点突变技术图解突破“蛋白质结构与功能关系”考点，培养科学思维和探究实践素养。特设“基因工程与蛋白质工程辨析”易错点分析，提供“预期功能→结构设计→基因改造”答题模板，助力学生高效掌握得分技巧，教师可据此实现精准复习指导。

第3章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用 第四届花生 一、蛋白质工程的崛起：（P93—94） 1.崛起缘由： 2.基本原理： 3.概念： 第四届花生 转基因作物的种植使化学杀虫剂施用量减少8.2% 转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多。 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______，进而表现出新性状。 班廷、贝斯特 资料1：1978年，科学家们利用基因工程技术，生产出首个与人胰岛素序列完全相同的胰岛素产品。1982年，第1种重组人胰岛素产品获得批准。人胰岛素逐渐取代动物胰岛素被应用于临床。 1.蛋白质工程崛起的缘由： （1）基因工程的实质： （2）基因工程的不足： 蛋白质 基因 在原则上只能生产自然界______________。 已存在的蛋白质 第四届花生 从动物体内提取胰岛素的量十分有限，每100kg猪或牛的胰腺只能提取4～5g胰岛素，提取效率低且成本高昂。 天然蛋白质的__________符合________生存的需要，却不一定完全符合______________的需要。 资料2：天然胰岛素见效慢，是因为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，发挥作用。 1.蛋白质工程崛起的缘由： 六聚体 二聚体 单体 速效胰岛素 （3）天然蛋白质的不足： 结构和功能 特定物种 人类生产和生活 思考1：如何生产出速效胰岛素，满足人类需要。 结构→功能 第四届花生 资料3：通过研究胰岛素的三维结构发现，胰岛素B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，或者将它与第29位的赖氨酸交换位置，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。 脯氨酸 天冬氨酸 分子结构示意图 六聚体 单体 思考2：根据中心法则，写出胰岛素的合成过程。 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 胰岛素基因 转录 mRNA 第四届花生 思考3：如何将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸？ 哪种方案更好？ 直接改造胰岛素上的氨基酸 或改造胰岛素基因 ①DNA为双螺旋结构，操作更容易（蛋白质空间结构复杂，直接改造难度大） ②改造后的基因可以遗传，蛋白质无法遗传； ③蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质。 改造基因 分子结构示意图 脯氨酸 天冬氨酸 第四届花生 思考4：如何改造胰岛素基因，使其编码蛋白的第28位氨基酸由脯氨酸变为天冬氨酸？ 六聚体 单体 脯氨酸 天冬氨酸 GGG CCC CCC CTG GAC GAC 基因 mRNA 氨基酸 速效胰岛素 胰岛素 脯氨酸 天冬氨酸 改造蛋白质的思路： 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 第四届花生 2.基本原理： （1）目标： （2）实质： （3）基本思路： 根据对蛋白质____的特定需求，对其____进行改造。 功能 结构 改造或合成基因。 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→ ⑤获得所需蛋白质 中心法则逆推 第四届花生 94页思考.讨论： 讨论 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。 某多肽链的一段氨基酸序列是： GCU GCC GCA GCG UGG AAA AAG 丙氨酸 … 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸 苯丙 氨酸 … UUU UUC GAA GAG 查密码子表 mRNA序列 脱氧核苷酸序列 第四届花生 94页思考.讨论： 某多肽链的一段氨基酸序列是： 讨论： 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。 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？ GCU GCC GCA GCG UGG AAA AAG 丙氨酸 … 色氨酸 赖氨酸 谷氨酸 苯丙 氨酸 … UUU UUC GAA GAG 由于密码子具有简并性，一个氨基酸由一个或多个密码子决定。 ①人工合成目的基因（较短）。 ②从基因文库中获取目的基因；利用基因定点突变技术对基因进行改造。 4×1×2×2×2 = 32种 mRNA的序列： 脱氧核苷酸（基因）的序列： 有32种 查密码子表 mRNA序列 脱氧核苷酸序列 第四届花生 思考5：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？ 天然胰岛素B链部分氨基酸序列： 酪氨酸 苏氨酸 脯氨酸 赖氨酸 苏氨酸 设计后胰岛素B链部分氨基酸序列： B28 B29 酪氨酸 苏氨酸 赖氨酸 脯氨酸 苏氨酸 B28 B29 mRNA mRNA 翻译 翻译 转录 天然胰岛素基因部分碱基序列 速效胰岛素基因部分碱基序列 转录 第四届花生 基因定点突变技术——以天然胰岛素为例： 待突变位点 引物1 突变引物 进行PCR 产物作为下一轮PCR的大引物 大引物1 突变引物 第四届花生 产物作为下一轮PCR的大引物 进行PCR 待突变位点 大引物1 引物2 大引物1 突变引物 第四届花生 待突变位点 大引物1 引物2 进行PCR 天然胰岛素对应的部分基因： 待突变位点 PCR 合成的人胰岛素突变基因 大引物1 第四届花生 思考5：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？ GGG CCC CTG GAC 基因 ①人工合成 ②定点突变技术 基因定点突变技术： 第四届花生 2.蛋白质工程的基本原理： 氨基酸序列 新胰岛素基因 改造 降低胰岛素的聚合作用 预期功能 三维结构 推测 B28位脯氨酸替换为天冬氨酸 预期结构 转录 mRNA 折叠 行使 翻译 多肽链 有效抑制胰岛素的聚合 设计 功能 ①定点突变技术 ②人工合成 六聚体 单体 第四届花生 转基因作物的种植使化学杀虫剂施用量减少8.2% 转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多。 1.崛起缘由： 2.基本原理： 3.概念： 4.理论和技术： 以蛋白质分子的________及其与________的关系作为基础，通过______________，来改造__________，或制造一种____ ______，以满足______________的需求。 一、蛋白质工程的崛起：（P93—94） 改造或合成基因。 基因工程只能生产已存在的蛋白质。 结构规律 生物功能 改造或合成基因 现有蛋白质 新的 蛋白质 人类生产和生活 “第二代基因工程” 计算机建立的血红蛋白三维结构模型 借助计算机 通过X射线衍射技术 基因的定点突变技术 获得蛋白质晶体： 分析晶体的结构： 构建蛋白质三维结构图: 碱基的替换： 晶体学技术 X射线晶体衍射， 了解空间结构。 第四届花生 学以致用：玉米中赖氨酸的含量比较低，会影响其营养价值，如何解决？ 资料：赖氨酸合成过程中的两种关键酶—天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。 基因工程技术：将赖氨酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中→含量比对照高30%。 蛋白质工程：将天冬氨酸激酶中第352 位的苏氨酸变成异亮氨酸，将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→玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 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？ 第四届花生 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？ 是否形成新的基因 蛋白质工程 是否对原有基因进行改造 蛋白质工程 基因工程 看蛋白质 看基因 是否为天然蛋白质 蛋白质工程 基因工程 是 否 是 否 是 否 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。 第四届花生 资料：科学家解析了水母绿色荧光蛋白的晶体结构，利用计算机进行辅助设计，将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。 从社会中来 思考1：什么技术让细菌能发出绿色、黄色荧光？ 基因工程、蛋白质工程 思考2：改造绿色荧光蛋白的思路？ 蛋白质能发黄色荧光 黄色荧光蛋白的结构 黄色荧光蛋白应有的氨基酸序列 （第203位为络氨酸） 黄色荧光蛋白的基因 mRNA 设计 推测 改造或 合成 行使 折叠 翻译 转录 第四届花生 到社会中去 资料1：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。 思考：提出问题，预期功能，说出思路？ 天然干扰素不易保存 预期结构 一个半胱氨酸变成丝氨酸 新干扰素基因 mRNA 延长保存时间 氨基酸替换 改造 转录 折叠 预期功能 行使功能 设计结构 推测序列 翻译 多肽链 在-70℃下可以保存半年 第四届花生 到社会中去 资料2：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。 负责识别和结合抗原 在同一种动物中，恒定区较为相似。 通过改造____，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 的强度就会降低很多。 免疫反应 基因 该过程能通过基因定点突变技术改造基因吗？ 不能；需要通过基因拼接完成。 第四届花生 二、蛋白质工程的应用：（P95） 应用 实例 医药工业方面 其他工业方面 农业方面 改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物 通过改造干扰素基因，延长保存时间的干扰素 生产人鼠嵌合抗体、降低排斥反应 改进酶的性能或开发新的工业用酶，如枯草杆菌蛋白酶的突变体 提高玉米叶片和种子中游离的赖氨酸含量 改造某些参与调控光合作用的酶 改造微生物蛋白质的结构，设计优良微生物农药 难点：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。 第四届花生 伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药 异想天开——蛋白质食品的工厂化生产： 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。 主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。 第四届花生 蛋白质工程小结： 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 第四届花生 $