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，以“细菌作画”情境导入，通过含荧光蛋白的细菌“颜料”引出基因改造，衔接基因工程只能产生天然蛋白的局限，构建从现象到本质的学习支架。 其亮点在于以情境激发探究实践，通过问题链引导科学思维，结合胰岛素改造、干扰素热稳定性提升等实例渗透结构与功能观（生命观念），课堂训练强化应用。助力学生构建知识网络，提升科学探究能力，教师可借实例与训练高效教学。

1 情境导入 “颜料”竟然是含不同颜色的荧光蛋白的细菌 为什么这些细菌会发出不同颜色的荧光？ 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 改造 黄色荧光蛋白 及其他颜色的荧光蛋白 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。 这个团块就是长在患儿肝脏上的肿瘤 科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？ 对蛋白质分子的设计和改造是通过 蛋白质工程来实现的。 3.4 蛋白质工程的原理和应用 本节聚焦： 蛋白质工程的基本原理是什么？ 蛋白质工程已有哪些实际的应用？ 一、蛋白质工程崛起的缘由 基因工程实质：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，进而表现出新性状。 原则上只能产生自然界已存在的蛋白质(天然蛋白) 基因工程的缺陷 有时不完全符合人类生产和生活需要 天然蛋白的缺陷 对天然蛋白进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质 蛋白质工程 怎么改造？ 是直接改造蛋白质分子，还是改造基因?为什么? 一、蛋白质工程崛起的缘由 赖氨酸产量提高 赖氨酸 合成时需： 天冬氨酸激酶； 二氢吡啶二羧酸合成酶。 达到一定浓度抑制酶活性 异亮氨酸 苏氨酸(352位） 异亮氨酸 天冬酰胺(104位) 实例：利用蛋白质工程提高玉米赖氨酸含量 提高5倍 提高2倍 赖氨酸含量低 一、蛋白质工程崛起的缘由 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 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。 思考：为什么要研究蛋白质工程呢？ 二、蛋白质工程的基本原理 1.蛋白质工程的目标 根据人们对蛋白质_____的特定需求，因此要对蛋白质的_____进行设计改造。 2.蛋白质工程的实质* _____________________________________________ 功能 结构 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） 思考：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 按照中心法则进行 天然蛋白质合成过程： 转录 DNA RNA 翻译 形成具有特定氨基酸序列的多肽链 折叠等 具有空间结构的蛋白质 表达生物特有的功能或性状 二、蛋白质工程的基本原理 3. 蛋白质工程基本思路 ①预期的蛋白质功能 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 预期功能 生物功能 设计 推测 改造或合成 行使 折叠 目的基因 转录 mRNA 翻译 多肽链 蛋白质 (三维结构) 思 路 逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反 二、蛋白质工程的基本原理 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 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 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。 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。 蛋白质工程关键技术：基因工程 又称第二代基因工程 蛋白质工程基本思路的应用 脱氧核苷酸序列： 查密码子表 丙氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 谷氨酸 赖氨酸 某多肽链的一段氨基酸序列是： 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。 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） 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) 二、蛋白质工程的基本原理 二、蛋白质工程的基本原理 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？ 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。 二、蛋白质工程的基本原理 待突变位点 常规下游引物 突变上游引物 进行PCR 产物作为下一轮PCR的大引物 二、蛋白质工程的基本原理 产物作为下一轮PCR的大引物 进行PCR 待突变位点 下游大引物 常规上游引物 二、蛋白质工程的基本原理 待突变位点 下游大引物 常规上游引物 进行PCR 突变基因 二、蛋白质工程的基本原理 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 4. 蛋白质工程与基因工程的比较 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 1．下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(　　) A．蛋白质工程的实质是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 B．蛋白质工程可以使大肠杆菌细胞合成人的胰岛素 C．蛋白质工程能生产出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D．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 课堂训练 B 2．蛋白质工程是新崛起的一项生物工程，又称第二代基因工程。如图表示蛋白质工程的流程。下列有关叙述错误的是(　　)   A．蛋白质工程就是根据人们需要，直接对蛋白质进行加工改造 B．蛋白质工程是通过基因改造或基因合成等方法，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质 C．①②过程为转录和翻译 D．蛋白质工程是从④开始的 课堂训练 A 3．某生物中发现一种基因的表达产物是具有较强抗菌性和溶血性的多肽P1，科研人员预期在多肽P1的基础上研发抗菌性强但溶血性弱的蛋白质药物，下一步要做的是(　　) A．构建含目的肽DNA片段的表达载体 B．合成编码多肽P1的DNA片段 C．设计抗菌性强但溶血性弱的蛋白质结构 D．利用抗原—抗体杂交的方法对表达产物进行检测 课堂训练 C 三、蛋白质工程的应用 （一）医药工业方面 1.研发速效胰岛素类似物 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 天然的胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，延缓疗效。 定点突变 三、蛋白质工程的应用 2.延长干扰素体外保存时间 干扰素在体外保存相当困难 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸 在-70℃下干扰素可保存半年 天然干扰素 （体外保存困难） 改造后的干扰素 （-70℃可保存半年） 半胱氨酸 丝氨酸 定点突变 三、蛋白质工程的应用 3.提高蛋白质的热稳定性 第3位上的 异亮氨酸 半胱氨酸 与第97位的半胱氨酸形成-s-s- 例：T4溶菌酶热稳定性改造 定点突变 三、蛋白质工程的应用 4.降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 基因融合 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 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。 医学问题: 解决办法: 三、蛋白质工程的应用 伊维菌素 （二）其它工业方面 改进酶的性能或开发新的工业用酶，如适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶 （三）农业方面 改造某些参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量 设计微生物农药，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 三、蛋白质工程的应用 (1)面临的问题：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。 (2)前景展望：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 蛋白质工程现状 4.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 D 酶具有高效性，检测N1的活性需先将其置于高温环境，再与底物充分混合 课堂训练 5.扰素在体外保存非常困难。干扰素由166个氨基酸组成，如果将其分子上第17位的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在70 ℃的条件下可以保存半年。若利用蛋白质工程的原理和方法生产新型干扰素，下列思路最可行的是(　　) A．用DNA合成仪合成新的干扰素基因 B．利用基因定点突变技术改造干扰素基因 C．直接改造mRNA，进行密码子的替换 D．生产正常干扰素，再进行氨基酸的替换 B　 课堂训练 网络构建 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 练习与应用 1. 蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。 （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。 （ ） x x √ 练习与应用 2. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到 的目的是 （ ） A. 分析蛋白质的三维结构 B. 研究蛋白质的氨基酸组成 C. 获取编码蛋白质的基因序列信息 D. 改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满 足人类的需求 D 3. 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（ ） A.基因 B.氨基酸　　C.多肽链 D.蛋白质 A 复习与提高 1.(1)①应选择用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; ②注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因; ③限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。 (2)加入DNA连接酶。 复习与提高 (3) 该质粒便于进行双重筛选。 标记基因Amp基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。 由于LacZ基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒（没有连接目的基因的质粒）的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。 （4)含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了LacZ基因的结构，使其不能正常表达形成β-半乳糖苷酶，底物X-gal也就不会被分解。 复习与提高 2.(1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4送入小鼠成纤维细胞。 （2) 可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。 复习与提高 （3) 可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可）。 （4) 不会引起免疫排斥反应; 因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。 iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险。 复习与提高 3.(1) 从亲缘关系的远近来看，固氮相关基因可能更容易在水稻根系微生物中稳定存在和表达，进而使其具有固氮的能力。（其他合理答案均可) （2) 此题不要求有唯一的答案，学生可从便捷性、安全性、经济性等角度进行分析，言之成理即可。例如，从便捷性角度认为能固氮的水稻新品种更值得推广；或从转基因安全性角度认为能固氮的水稻根系微生物更值得推广等。 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 EV录屏5.1.3软件录制 Lavf58.33.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制, www.ieway.cn $