【高中生物】蛋白质工程的原理和应用课件 2022-2023学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

复习想要让同一物种里的优良性状集中在一个新品种中，在种内可以用什么方法来实现？

杂交育种要使生殖隔离的种间生物，实现基因交流应该用什么方法？基因工程育种普通棉花

抗虫棉花普通水稻

抗旱水稻抗病毒木瓜普通木瓜

转基因猪1.视频里面有一幅发光的树，科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。

从社会中来用细菌“画”的画2.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，获得了能发出其他颜色荧光蛋白，才“画”出了色彩斑斓的图案。科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？第三章第4节蛋白质工程的原理和应用本节聚焦阅读课本P93-951、蛋白质工程概念2、蛋白质工程崛起的缘由3、蛋白质工程的基本原理4、蛋白质工程的应用一.蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以

及其与

作为基础,通过

或

,来改造

或

______________

蛋白质,以满足

。蛋白质分子的结构规律生物功能的关系改造合成基因现有蛋白质制造一种新的人类生产和生活的需求基础：操作对象：结果：目的：与基因工程的关系：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分子生物学、晶体学和计算机技术12原理：

基因从一种生物转移到另一种生物

（基因重组）

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。12基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。蛋白质工程崛起的缘由天然蛋白质的不足天然蛋白质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。为满足人类生产和生活的需要，需对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质例如：改造干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶（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）玉米中赖氨酸含量可提高数倍二.蛋白质工程的基本原理探索天然干扰素的改造问题：天然干扰素在体外难以保存活动一目标：延长干扰素保存时间前提：了解干扰素结构及其功能的关系方案：改造干扰素结构：一级结构/空间结构二.蛋白质工程的基本原理活动一探索天然干扰素的改造干扰素动物和人体细胞收到病毒侵染后产生的一种糖蛋白功能：抗病毒、抑制细胞增殖、调节免疫、抗肿瘤等。二.蛋白质工程的基本原理探索天然干扰素的改造问题：天然干扰素在体外难以保存活动一目标：延长干扰素保存时间前提：了解干扰素结构及其功能的关系方案：改造干扰素结构：一级结构/空间结构二.蛋白质工程的基本原理活动二探索干扰素的改造思路和方法问题：到底该如何实现对干扰素结构的改造呢？干扰素（半胱氨酸）体外很难保存改造干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年

�对天然的蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？基因二.蛋白质工程的基本原理对基因改造的原因:①基因决定蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，且基因改造可以遗传下去。（基因改造----可以遗传；蛋白质改造----不可遗传）②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。二.蛋白质工程的基本原理活动二探索干扰素的改造思路和方法基因DNA转录mRNA翻译氨基酸序列多肽链折叠蛋白质三维结构生物功能预期功能分子设计DNA合成（1）实质：

。（2）直接操作对象：

。（3）操作水平：

。中心法则的逆推基因DNA分子水平二.蛋白质工程的基本原理4.蛋白质工程的基本思路预期功能设计推测多肽链改造或合成目的基因转录mRNA翻译折叠蛋白质（三维结构）行使生物功能构建蛋白质三维结构图:借助计算机制备蛋白质晶体：通过X射线衍射技术碱基的替换：基因的定点突变技术某多肽链的一段氨基酸序列是：思考：1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用二.蛋白质工程的基本原理丙氨酸色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸……查密码子表……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸-……氨基酸序列：GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA(或G）UUU(或C)mRNA序列：脱氧核苷酸序列：GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)某多肽链的一段氨基酸序列是：思考·讨论：蛋白质工程基本思路的应用二.蛋白质工程的基本原理丙氨酸色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸……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?⑴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、PCR技术扩增；⑵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活动二探索干扰素的改造思路和方法问题：到底该如何实现对干扰素结构的改造呢？干扰素（半胱氨酸）体外很难保存如何改造？干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年（半胱氨酸：UGU、UGC;丝氨酸：AGU、AGC）二.蛋白质工程的基本原理活动三问题：成功获得新的干扰素基因后，最终如何实现新型干扰素的大量生产？方案：新的干扰素基因+基因的载体基因工程利用转基因生物生产新型干扰素功效检测（-70℃，可保存半年）核心归纳基因工程和蛋白质工程的比较比较项目蛋白质工程基因工程区别起点原理过程目标结果联系预期蛋白质功能→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目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需要的新的生物类型和生物产品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预期的蛋白质功能目的基因改造或合成基因基因重组定向改造或生产人类所需的蛋白质生产自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的天然蛋白质蛋白质工程和基因工程的比较思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？看基因看蛋白质是否合成新的基因是否为天然蛋白质蛋白质工程是否对原有基因进行改造是否蛋白质工程基因工程是否是否基因工程蛋白质工程三.蛋白质工程的应用（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1.医药工业方面（2）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应基因融合通过

，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鼠—人嵌合抗体三.蛋白质工程的应用2.其他工业方面用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值3.农业方面(1)科学家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效率，增加粮食的产量(2)科学家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，增强微生物防治病虫害的效果三.蛋白质工程的应用◆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。◆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难度很大三.蛋白质工程的应用血红蛋白的三维结构模型异想天开

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。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。蛋白质食品的工厂化生产想象图习题巩固Exercisestoconsolidate1.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。()××√习题巩固Exercisestoconsolidate2.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习题巩固Exercisestoconsolidate3.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习题巩固Exercisestoconsolidate4.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?习题巩固Exercisestoconsolidate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。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例1.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。④⑤①②③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二.蛋白质工程的基本原理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。④⑤①②③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3.IKK激酶参与动物体内免疫细胞的分化。临床上发现某重症联合免疫缺陷(SCID)患儿IKK基因编码区第1183位碱基T突变为C,导致IKK上第395位酪氨酸被组氨酸代替。