3.4蛋白质工程的原理和应用课件-2026-2027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，通过胰岛素生产从动物提取到基因工程再到改造需求的问题链，衔接基因工程知识，以资料分析、学生活动为支架引导学生逐步深入。 其亮点在于融合科学思维（对比基因工程与蛋白质工程差异）、探究实践（如速效胰岛素改造实例分析）和生命观念（结构与功能观），采用问题驱动、实例解析及对比表格等方法，帮助学生构建知识体系，提升科学探究能力，教师可借助丰富资源高效开展教学。

3.4 第三章 基因工程 第4节 一、蛋白质工程崛起的缘由 学生活动 ：阅读资料，跟随科学家的研究方向，解决问题。 1. 结合上节课所学知识，思考如何在短时间内大量生产胰岛素？ 资料1：胰岛素是治疗糖尿病的特效药。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取，生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素就需要上千头牛，成本非常高。 资料2：微生物如大肠杆菌，具有培养方便、操作简单、成本低廉等优点，在科学研究中经常被用作工程菌。 2 一、蛋白质工程崛起的缘由 胰腺 提取筛选 胰岛素mRNA 胰岛素cDNA 逆转录 重组 质粒 质粒 导入 大肠杆菌 mRNA 胰岛素原 胰岛素 加工 用原核生物生产胰岛素示意图 逆转录酶 胰岛素原无生物学活性的原因？ 3 一、蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的实质： 将一种生物的_____转移到_____________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。 基因 另一种生物体 4 资料4：玉米中赖氨酸含量较低，因为赖氨酸合成过程中两种关键酶--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。 资料3：虽然基因工程提高了胰岛素的产量，但天然胰岛素本身结构特殊，易形成二聚体或六聚体。皮下注射后往往经历逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。 天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺） 改 造 改 造 天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸） 赖氨酸含量提高5倍 赖氨酸含量提高2倍 一、蛋白质工程崛起的缘由 5 2. 天然蛋白质一定符合人类生产和生活的需要吗？ 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。 3. 在具体应用中，基因工程技术有何局限？ 基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 不能改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。 4. 结合资料4思考，如何提高胰岛素的疗效？ 对胰岛素进行改造——蛋白质工程。 一、蛋白质工程崛起的缘由 6 二、蛋白质工程的基本原理 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。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。 蛋白质工程 ①基础：_______________________________________________ ②途经：___________________ ③操作对象：______ ④目的：_________________________________________________________ ⑤理论和技术：______________________________________ 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 改造或合成基因 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 在分子生物学、晶体学和计算机技术 基因 7 二、蛋白质工程的基本原理 按照中心法则进行。基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。 天然蛋白质合成的过程 转录 逆转录 翻译 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。 蛋白质工程的目标 8 二、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程的最终的操作对象是 。 蛋白质工程的操作对象 蛋白质工程的最终的操作对象是 。 ①蛋白质高级结构十分复杂，直接改造难度大。 ②改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； ③基因决定蛋白质的合成，改造基因即改造蛋白质； 蛋白质工程的基本思路 基因 9 二、蛋白质工程的基本原理 新蛋白质预期功能 找到并改变或合成 推测 转录 翻译 折叠 基因 DNA 所需新蛋白质新功能 氨基酸序列多肽链 蛋白质 三维结构 mRNA 起点： 目的： 终点： 实质： 前提： 蛋白质的预期功能 了解蛋白质结构和功能的关系 获得大量的改造后的蛋白质 改造或合成基因结构 生产出符合人们生活需要的蛋白质 关键技术：基因工程 蛋白质工程又称第二代基因工程 设计 蛋白质工程的一般过程 逆中心法则 10 二、蛋白质工程的基本原理 学生活动：阅读课本，思考问题。 资料5：研究发现，人胰岛素由A链和B链构成，B链某些氨基酸是胰岛素形成多聚体的关键区域，改变此区域氨基酸的组成，可能降低胰岛素间的作用力。 已知B链26-30位氨基酸序列为： 苏氨酸 人胰岛素结构 酪氨酸 UAU UAC 脯氨酸 CCU CCC CCA CCG 苏氨酸 ACU ACC ACA ACG 赖氨酸 AAA AAG 天冬 氨酸 GAU GAC 部分氨基酸的密码子 赖氨酸 脯氨酸 苏氨酸 酪氨酸 11 二、蛋白质工程的基本原理 酪氨酸 UAU UAC 天冬 氨酸 GAU GAC 苏氨酸 ACU ACC ACA ACG 赖氨酸 AAA AAG 脯氨酸 CCU CCC CCA CCG 1.决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列是？写出mRNA及DNA碱基序列。 氨基酸：酪氨酸-苏氨酸-脯氨酸-赖氨酸-苏氨酸 mRNA：UAUACUCCUAAAACU（以第一个为例） DNA：ATATGAGGATTTTGA（模板链） TATACTCCTAAAACT（编码链） 12 二、蛋白质工程的基本原理 2.科学家通过蛋白质工程研发了速效胰岛素类似物，将B28位脯氨酸替换为天冬氨酸，有效抑制胰岛素聚合。写出改造后的mRNA及DNA碱基序列。 mRNA：UAUACUGAUAAAACU（以第一个为例） DNA：ATATGACTATTTTGA（模板链） TATACTGATAAAACT（编码链） 酪氨酸 UAU UAC 天冬 氨酸 GAU GAC 苏氨酸 ACU ACC ACA ACG 赖氨酸 AAA AAG 脯氨酸 CCU CCC CCA CCG 氨基酸：酪氨酸-苏氨酸-天冬氨酸-赖氨酸-苏氨酸 13 二、蛋白质工程的基本原理 3.综合上述两题思考，如果已经推测出胰岛素中的氨基酸序列，那么推测出的胰岛素基因中的碱基序列是否唯一？说明理由。 不唯一。 • 一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的碱基序列有多种。 • 不同的生物密码子基本相同，即共用一套密码子。 酪氨酸 UAU UAC 天冬 氨酸 GAU GAC 苏氨酸 ACU ACC ACA ACG 赖氨酸 AAA AAG 脯氨酸 CCU CCC CCA CCG 14 二、蛋白质工程的基本原理 4.确定改造后胰岛素基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？ 人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因；改造目的基因经常用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 拓展延伸 根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造（蛋白质工程类型）可分为三类： 依据氨基酸的性质和特点，制造全新蛋白质。 改变蛋白质分子中某一个多肽链片段或一个特定的结构。 利用基因工程中的定点诱变技术，改造蛋白质分子某活性部位的一个或几个氨基酸残基。 15 大改 中改 小改 二、蛋白质工程的基本原理 拓展：基因定点突变技术和基因突变的比较 定点突变 基因突变 相同点 类型 结果 不同点 场所 手段 方向 产生新基因 生物体外 生物体内 PCR技术 诱变因素 定向改造 不定向性 碱基对的增添、缺失、替换 16 二、蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；要利用晶体学技术来获得蛋白质的结晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体的结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 学科交叉 牛胰岛素结晶 二级结构 三级结构 四级结构 17 二、蛋白质工程的基本原理 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”。 人类蛋白质组计划 2010年，我国完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图，建立了符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。 18 二、蛋白质工程的基本原理 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 操作起点 操作水平 操作流程 结果 实质 联系 基因 基因 DNA分子水平 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 目的基因的筛选和获取 19 二、蛋白质工程的基本原理 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 20 三、蛋白质工程的应用 医药工业 其他工业 农业 速效胰岛素类似物：改变氨基酸序列，_____胰岛素的聚合。 原理：一个氨基酸的改变或两个氨基酸位置互换。 抑制 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 定点突变 21 三、蛋白质工程的应用 医药工业 其他工业 农业 干扰素： 一个半胱氨酸替换为丝氨酸，_____保存时间。 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） 延长 定点突变 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 多肽链 在-70℃下可以保存半年 转录 折叠 行使功能 翻译 改造 预期功能 设计结构 推测序列 22 三、蛋白质工程的应用 医药工业 其他工业 农业 单克隆抗体：将小鼠抗体上__________的区域“嫁接”到人的抗体上，降低诱发免疫反应的强度。 可变区 恒定区 恒定区 可变区 嵌合抗体 对人体的不良反应减少 结合抗原 鼠抗体 人抗体 23 三、蛋白质工程的应用 医药工业 其他工业 农业 广泛用于_____________或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。 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。 改进酶的性能 24 三、蛋白质工程的应用 改造某些_________________的酶，提高植物光合作用的效率。 医药工业 其他工业 农业 参与调控光合作用 改造_____________的结构，增强防治病虫害的效果。 微生物蛋白质 25 三、蛋白质工程的应用 1.能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的宿主细胞中，让宿主细胞生产人类所需要的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。 蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构。 2.蛋白质工程难度很大，主要的原因是什么？ 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。 这种高级结构很复杂，目前对其了解还很不够，还需探索。 26 三、蛋白质工程的应用 细菌画画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。 27 姓名 考号 座位号 不 准 超 过 此 线 水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ） 针对训练 A. 基因 B. 氨基酸 C. 多肽链 D. 蛋白质 28 姓名 考号 座位号 不 准 超 过 此 线 针对训练 下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题： （1）代表蛋白质工程操作思路的过程是_____；代表中心法则内容的是________。(填写数字) （2）写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：①______；②______；③______；④______；⑤__________。 （3）蛋白质工程的目的_______________________________________ _____________________，通过___________________实现。 （4）从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是______的。 ④⑤ ①②③ 转录 翻译 折叠 推测 改造合成 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白 质的结构进行分子设计 基因改造或基因合成 相反 29 基因定点突变——重叠延伸PCR 指在PCR技术的基础上,采用具有互补末端的引物,使PCR产物形成重叠链,通过重叠链延伸,将不同来源的片段重叠拼接起来的一项技术。 其中引物2和3的突起处代表与模板链不能互补的突变位点，而这两条引物有部分碱基(包括突变位点)是可以互补的。分别利用引物1和2，引物3和4进行PCR后，得到的DNA片段可以通过引物2和3互补的碱基杂交在一起，再在DNA聚合酶的作用下延伸，就能成为一条完整的DNA片段。最后，用引物1和4进行扩增得到含有突变位点的DNA片段。通过测序可检验定点突变是否成功。 30 基因定点突变——重叠延伸PCR 拟突变位点 引物4 引物3 引物1 引物2 31 基因定点突变——重叠延伸PCR 拟突变位点 引物4 引物3 引物1 引物2 拟突变位点 引物1 引物2 PCR1 使用引物1和引物2 拟突变位点 引物4 引物3 PCR2 使用引物3和引物4 32 基因定点突变——重叠延伸PCR 拟突变位点 引物1 引物2 PCR1 使用引物1和引物2 拟突变位点 引物4 引物3 PCR2 使用引物3和引物4 引物3 拟突变位点 引物1 引物2 第一次 第一次 拟突变位点 引物4 引物3 33 基因定点突变——重叠延伸PCR 拟突变位点 引物1 引物2 拟突变位点 引物4 引物3 引物3 拟突变位点 引物1 引物2 第一次 第一次 拟突变位点 引物4 引物3 第二次 引物2 引物1 第二次 引物3 混合，变性后杂交 引物4 34 基因定点突变——重叠延伸PCR 引物2 引物1 引物3 混合，变性后杂交 引物4 引物2 引物3 方案一： 引物1 引物4 方案二： Taq酶 Taq酶 Taq酶 Taq酶 引物4 引物1 分别带有引物1和引物4（非重叠）的杂交链才是我们需要的。 此处不需要引物 互为模板和引物 35 基因定点突变——重叠延伸PCR 引物1 引物4 方案二： Taq酶 Taq酶 Taq酶 Taq酶 引物4 引物1 此处不需要引物 互为模板和引物 PCR3 引物4 引物1 使用引物1和引物4 大量 36 基因定点突变——大引物PCR 需要用到三条引物进行两轮PCR，这三条引物分别是突变上游引物、常规上游引物和常规下游引物。第一轮PCR利用突变上游引物和常规下游引物进行扩增，得到不完整的含有突变位点的DNA片段;第二轮PCR利用第一轮扩增产物中的一条DNA链作为下游大引物，它与常规上游引物一起扩增得到完整的含有突变位点的DNA片段。 37 基因定点突变——大引物PCR 拟突变位点 常规下游引物 突变上游引物 常规上游引物 PCR1 使用常规下游引物和突变上游引物 大引物PCR需要用到三条引物进行两轮PCR，这三条引物分别是突变上游引物、常规上游引物和常规下游引物。 38 基因定点突变——大引物PCR 拟突变位点 常规下游引物 突变上游引物 常规上游引物 PCR1 使用常规下游引物和突变上游引物 常规下游引物 突变上游引物 第一次复制 39 基因定点突变——大引物PCR PCR1 使用常规下游引物和突变上游引物 常规下游引物 突变上游引物 第一次复制 第二次复制 突变上游引物 常规下游引物 作为下一轮PCR的大引物 大引物是诱变引物的互补链 PCR体系1得到不完整的含有突变位点的DNA片段 不选另一条链作为大引物的原因是：以野生型DNA作为模板，另一条链作为大引物时无法延伸出新的子链。 40 基因定点突变——大引物PCR 常规下游引物 突变上游引物 第二次复制 突变上游引物 常规下游引物 作为下一轮PCR的大引物 PCR2 用原始的DNA模板使用常规上游引物和大引物 第一次复制 常规下游引物 大引物 41 基因定点突变——大引物PCR PCR2 使用常规上游引物和大引物 第一次复制 常规下游引物 大引物 第二次复制 大引物 常规上游引物 得到完整的含有突变位点的DNA片段。 42 #课堂小结 理论基础 实践应用 技术手段 目标 基本思路 蛋白质工程 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 43 Lavf57.62.100 $