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，以荧光蛋白改造案例导入，从基因工程的局限性出发，系统阐述蛋白质工程的定义、基本原理、与基因工程的比较及医药、工业、农业等领域的应用，构建完整知识脉络。 其亮点在于通过玉米赖氨酸改造、速效胰岛素设计等实例，渗透结构与功能观的生命观念，借助对比表格和决策树培养科学思维，结合课堂练习与思考讨论促进探究实践。学生能深化分子水平认知，教师可依托丰富案例与结构化总结提升教学效果。

第4节　蛋白质工程的原理和应用 右图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。 那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的 从社会中来 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术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。 ①基础：___________________________________ ②操作：___________________________________ ③操作对象：_______________________________ ④目的：___________________________________ ___________________________________ ⑤地位：___________________________________ ⑥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 在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 基因 分子生物学、晶体学和计算机技术 一.蛋白质工程 1.蛋白质工程定义 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。 一、蛋白质工程崛起的缘由 1.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，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.基因工程的局限性 原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 3.天然蛋白质的不足 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。 如玉米中赖氨酸含量较低，经人工设计改造，可使其叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 赖氨酸合成 调控 达到一定浓度 两种酶的活性 352位的苏氨酸变成异亮氨酸 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 赖氨酸含量 抑制 提高 提高 限制 提高 玉米中赖氨酸含量较低，原因在于赖氨酸合成的两种关键酶。 一、蛋白质工程崛起的缘由 实例 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。 2. 实质： 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。 4.天然蛋白质合成的过程 按照中心法则进行的。 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。 而蛋白质工程却与之相反！ 二、蛋白质工程的基本原理 1. 目标 3.结果： 生产出自然界没有的蛋白质。 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。 折叠 目的基因 二、蛋白质工程的基本原理 5.蛋白质工程的基本思路 1.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( ) A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类 的需要 B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构 C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程 B 2026/9/4 课堂练习 2、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)蛋白质工程的目的是_______________________________ ___________________________，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， 基因改造或基因合成 相反 对蛋白质的结构进行分子设计 思考·讨论 蛋白质工程基本思路的应用P94 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 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。 提示：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）。 mRNA序列为：GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G) UUU(或C) DNA序列为：CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C) CTT(或C) AAA(或G) GCT(或C或A或G) TGG AAA(或G) GAA(或G) TTT(或C） 思考·讨论 蛋白质工程基本思路的应用P94 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 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？ 确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。 对基因的改造经常会用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 项目 蛋白质工程 基因工程 操作对象 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 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 基因转移到另一种生物体内，产生它本不能产生的蛋白质 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，通过改造或合成基因对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质 总结-蛋白质工程和基因工程的比较 一.蛋白质工程 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）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 改造 新胰岛素基因 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 推测序列 转录 mRNA 翻译 多肽链 行使功能 速效胰岛素类似物 预期结构 折叠等 阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用 定点突变 1.医药工业方面 三、蛋白质工程的应用 （2）延长干扰素体外保存时间 天然干扰素不易保存 改造 新干扰素基因 预期功能 延长保存时间 设计结构 氨基酸替换 一个半胱氨酸变成丝氨酸 推测序列 预期结构 转录 mRNA 折叠 翻译 多肽链 行使功能 在-70℃下可以保存半年 定点突变 1.医药工业方面 三、蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 （3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 通过 ，将小鼠抗体上 的区域（即 ） “嫁接”到_______（即__ ___）上， 经过这样改造的抗体______________________； 改造基因 结合抗原 可变区 人的抗体 恒定区 诱发免疫反应的强度就会降低很多 三、蛋白质工程的应用 2.其他工业方面 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。 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。 三、蛋白质工程的应用 酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面。 由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。 在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。 工业用酶的优点： 3.农业方面 （1）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）利用蛋白质工程的思路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。 三、蛋白质工程的应用 P95旁栏：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。利用改造后的动物细胞、微生物细胞等可以生产人类需要的蛋白质，但这些蛋白质往往都是自然界中已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来的、自然界中不存在的蛋白质。 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。 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。 蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，高级结构非常复杂。 要设计出更符合人类需要的蛋白质还需不断地攻坚克难。随着科技的发展，蛋白质工程将会给人带来更多的福祉。 血红蛋白的三维结构模型 难度很大 三、蛋白质工程的应用 高级结构非常复杂，目前科学家对大多数蛋白质的高级结构了解很有限。 21 一.概念检测 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。 （ ） × × √ 练习与应用（P96） 一.概念检测 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 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 D A 练习与应用（P96） 二.拓展应用 T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它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。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第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。这项工作属于什么工程的范畴？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？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？ 这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。 如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、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。 练习与应用（P96） 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，并且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，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。 (3)该质粒便于进行双重筛选。 标记基因AmpR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。 而由于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（P98） 2. (1)逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4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人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。 (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（P98） 3.水稻根部一般没有根瘤菌，在种植时常需要施加氮肥。科学家想利用基因工程技术来减少施用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，他们提出了以下两种方案。 方案一　把根瘤菌的固氮相关基因导入水稻根系微生物中，使微生物能在根系处固氮，从而减少氮肥的施用量。 方案二　直接将固氮相关基因导入水稻细胞中，建立水稻的“小型化肥厂”，让水稻直接固氮，这样就可以免施氮肥了。 (1)请评估这两种方案哪种更容易实现。 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。 复习与提高（P98） (2)如果两个方案都实现的话，你认为哪种更值得推广？请说出你的理由。 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。 $