蛋白质工程的原理和应用课件-2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修3

基因工程在农牧业方面的应用基因工程的应用1.转基因抗虫植物2.转基因抗病植物3.转基因抗除草剂植物4.改良植物的品质5.提高动物的生长速率6.改善畜产品的品质基因工程在医药卫生领域的应用基因工程在食品工业方面的应用1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。2.利用基因工程技术，可以让哺乳动物批量生产药物,如乳腺生物反应器。3.用转基因动物作器官移植的供体等。温故知新构建基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸、维生素

第3章

基因工程第4节

蛋白质工程的原理和应用学习目标1、掌握蛋白质工程的定义和基本原理2、举例说明蛋白质工程应用的实例自学指导一：阅读课本P93-94页，回答下列问题（4min）1.什么是蛋白质工程？基础，操作方法和对象，目的，地位，学科和技术？2.基因工程的实质是？不足是？3.蛋白质工程崛起的缘由？为什么玉米中赖氨酸的含量比较低？改造方法是？4.蛋白质工程的目标是什么？5.天然蛋白质合成过程和蛋白质工程的基本思路分别是什么？6.完成P94思考讨论从社会中来

你见过用细菌画画吗？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？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。用细菌“画”的画(1)基础：蛋白质分子的

及其与_________的关系。(2)操作方法和对象：

。(4)目的：

的蛋白质或

的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。(5)地位：在_________的基础上,延伸出来的第

代基因工程。(6)学科和技术：

。改造或合成基因分子生物学、晶体学和计算机技术一、蛋白质工程的概念及其理解蛋白质工程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。结构规律生物功能基因工程二改造现有制造一种新将一种生物的____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________。二、蛋白质工程崛起的缘由2.基因工程的不足:3.蛋白质工程崛起的缘由:1.基因工程的实质:基因蛋白质新的性状基因工程原则上只能生产自然界_______的蛋白质。已存在天然蛋白质是生物在

过程中形成的，它们的结构和功能符合

的需要，却不一定完全符合人类

的需要。长期进化特定物种生存生产和生活实战训练

1.下列关于蛋白质工程的叙述，错误的是(

) A.分析蛋白质分子的结构是蛋白质工程的研究内容之一 B.蛋白质工程只能生产自然界中已经存在的蛋白质 C.蛋白质工程崛起的原因是天然蛋白质不能够完全满足人类生产、生活的需要 D.蛋白质工程可以制造一种新的蛋白质，也可以对现有的蛋白质进行改造二、蛋白质工程崛起的缘由4.实例:对天然酶的改造：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三、蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的目标:2.蛋白质工程的实质: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。功能结构由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过

来完成。蛋白质工程的操作对象是基因还是蛋白质，为什么？改造或合成基因3.天然蛋白质合成过程：天然蛋白质合成的过程是按照________进行的。中心法则基因表达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形式生物功能转录和翻译4.蛋白质工程思路:从_______________出发→设计______________→推测____________→找到并改变___________________或_________→获得所需要的蛋白质蛋白质工程与天然蛋白质合成的过程_____。预期功能生物功能设计蛋白质（三维结构）推测改造或合成转录翻译折叠行使目的基因mRNA多肽链相反预期的蛋白质功能预期的蛋白质结构应有的氨基酸序列相对应的脱氧核苷酸序列合成新基因注意：蛋白质工程是在分子水平上的操作三、蛋白质工程的基本原理逆中心法则5.蛋白质工程的常用技术: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；要制备蛋白质晶体，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。学科交叉三、蛋白质工程的基本原理讨论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。---蛋白质工程基本思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：思考·讨论GCUGCCGCAGCGUGGAAAAAG丙氨酸…色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸…UUUUUCGAAGAG---蛋白质工程基本思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：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。GCUGCCGCAGCGUGGAAAAAG丙氨酸…色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸…UUUUUCGAAGAGGCU(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)一个氨基酸是由一个或多个密码子决定,因此获得的基因总的碱基序列有多种。---蛋白质工程基本思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：思考·讨论讨论：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？GCUGCCGCAGCGUGGAAAAAG丙氨酸…色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸…UUUUUCGAAGAG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定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。自学指导二：阅读课本P95页，回答下列问题（3min）1.阅读课时练P101，分析基因工程和蛋白质工程的不同点？思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？2.蛋白质工程有哪些应用？举实例说明3.蛋白质工程面临的问题及发展前景？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6.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？6.蛋白质工程和基因工程的比较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实战训练

2.蛋白质工程的基本操作程序正确的是（

）①设计预期的蛋白质结构②找到相对应的脱氧核苷酸的序列③推测应有的氨基酸的序列④蛋白质的预期功能A．①→②→③→④B．④→③→②→①C．④→①→③→②D．②→③→①→④实战训练

3.科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是(

)A.直接改造这两种酶的空间结构B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变D.利用基因工程技术，对控制这两种酶合成的基因进行改造拓展延伸根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：（1）大改：设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质（2）中改：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。（3）小改：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基四、蛋白质工程的应用1.医药工业方面:(1)研发速效胰岛素类似物:速效胰岛素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科学家通过改造

实现对相应氨基酸序列的改变,使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，从而有效抑制了胰岛素的

。胰岛素基因聚合定点突变四、蛋白质工程的运用

干扰素是动物体内的一种蛋白质体，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存却相当困难。改造干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）延长体外保存时间体外-70℃保存半年(2)延长干扰素体外保存时间:1.医药工业方面:定点突变四、蛋白质工程的应用天然干扰素不易保存预期结构改造一个半胱氨酸变成丝氨酸新干扰素基因转录mRNA折叠预期功能行使功能延长保存时间设计结构氨基酸替换推测序列翻译多肽链在-70℃下可以保存半年四、蛋白质工程的应用1.医药工业方面:(3)降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应:解决办法：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__________________________；医学问题：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。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对人体的不良反应减少基因融合鼠抗体人抗体恒定区恒定区可变区可变区嵌合抗体对人体的不良反应减少四、蛋白质工程的运用四、蛋白质工程的应用2.工业方面:蛋白质工程被广泛用于

或

。开发新的工业用酶改进酶的性能枯草杆菌蛋白酶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。四、蛋白质工程的应用3.农业方面:(1)改造某些_________________的酶,提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。(2)利用蛋白质工程的思路

，通过改造

的结构，使它防治病虫害的效果增强。参与调控光合作用设计优良微生物农药微生物蛋白质伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药应用实例医药工业方面改造胰岛素基因，获得____________类似物生产人鼠嵌合抗体其他工业方面改进酶的性能或开发新的工业用酶提高玉米叶片和种子中游离________的含量农业方面改造某些参与调控光合作用的酶设计优良微生物______速效胰岛素赖氨酸农药四、蛋白质工程的运用(1)面临的问题：蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为

四、蛋白质工程的运用(2)前景展望：

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。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。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。思考：蛋白质工程的概念：一、蛋白质工程崛起的缘由：二、蛋白质工程的基本原理：三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面；2.其他工业方面；3.农业方面。课堂小结

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。

基因原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，这些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号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。

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→找到相对应的脱氧核苷酸序列。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课堂小结背诵记忆：1、蛋白质工程的概念、基本思路、应用2、蛋白质工程与基因工程的区别与联系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设计基因改造或合成基因相反当堂检测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。（

）√××一、概念检测练习与应用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DA练习与应用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？二、拓展应用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