蛋白质工程的原理与应用课件-高二下学期生物人教版选择性必修3

1、基因工程的应用主要体现在哪几个方面？2、培育转基因抗病植物用到的目的基因，来源于什么生物？转基因抗除草剂植物中需要将

基因导入作物？3.怎样提高玉米必需氨基酸含量？如何培育出自然界没有的颜色变异的矮牵牛？4、怎样提高动物的生长速率？怎样解决人体的乳糖不耐受问题？5、基因工程生产的药物有哪些？有没有青霉素？(青霉素是诱变育种的产物）干扰素的本质？作用？6、怎样生成乳腺生物反应器是？与膀胱生物反应器相比其缺点是？7、器官移植为什么考虑用猪的器官而不是灵长目动物？8、怎样培育出不会引起免疫排斥的转基因克隆猪器官？

9、什么是基因工程菌、超级细菌？10、相比天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业酶的优点是？第4节蛋白质工程的原理和应用【学习目标】1.说出蛋白质工程崛起的缘由2.概述蛋白质工程的基本原理3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。【导】快速阅读课本“从社会中来”：你见过细菌画画吗？科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得黄色等其他颜色的荧光蛋白。科学家是怎样做的呢？

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，从而获得了绿色荧光蛋白的衍生物--黄色荧光蛋白。对蛋白质分子的设计和改造是通过__________来实现的。二、蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质：基因工程局限：

2.蛋白质工程崛起的原因：一、蛋白质工程概念：阅读P93--P94内容，回答以下问题原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质

是指以蛋白质分子的_____________________

作为基础，通过__

_

基因，来改造__________，或制造一种

，以满足人类生产和生活的需求。是在________的基础上，延伸出来的______________.蛋白质工程结构规律及其与生物功能的关系改造或合成现有的蛋白质新的蛋白质基因工程第二代基因工程将一种生物的基因转移到另一种生物内，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。即基因重组。天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，不一定完全符合人类生产和生活的需要。3.说出怎样通过蛋白质工程提高以玉米赖氨酸含量的？①基础：②操作手段及对象：③结果：④目的：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获得满足人类生产和生活需求的蛋白质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5倍提高2倍限制提高实例：玉米中的赖氨酸的含量比较低，原因是其合成过程中的两个关键酶的活性,受

浓度的影响较大。

达到一定浓度就会______这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果将天冬氨酸激酶中的第352位的苏氨酸变成__________，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成__________，就可以使赖氨酸的含量提高。抑制异亮氨酸异亮氨酸赖氨酸赖氨酸改造基因二、蛋白质的基本原理

阅读P94内容，回答以下问题1.目标：_______________________________________________________2.方法：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。改造或合成基因蛋白质功能蛋白质结构氨基酸序列脱氧核苷酸序列(基因)基因蛋白质预期功能预期结构推测氨基酸序列（多肽链）改造或合成目的基因设计转录mRNA翻译折叠行使3.基本思路：从预期的____________出发→设计预期的__________→推测应有___________→找到并改变相对应的_______________

或合成新的______→获得所需要的________。逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反4.学科交叉：蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的______________;要利用___________来获得蛋白质的结晶体，然后通过_______________，分析晶体的结构；要用到

来进行碱基的替换。三维结构模型晶体学技术X射线衍射技术基因的定点突变技术(1)天然蛋白质都是由基因编码的，通过改造基因来改造蛋白质，可以遗传下去。直接改造蛋白质则无法遗传。(2)改造基因比直接改造蛋白质更容易操作。思考：为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？5、思考讨论：课本94页（1）怎样得出决定一段肽链的脱氧核苷酸序列？

氨基酸：mRNA：--GCUUGGAAAGAAUUU--DNA上的碱基序列：--CGAACCTTTCTTAAA----GCTTGGAAAGAATTT--可以形成32种DNA碱基序列！人工合成目的基因；改造目的基因：利用基因定点突变技术对目的基因进行来进行碱基的替换、

增添等--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？CAGGGC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可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，其包含基因工程基本操作；预期蛋白质功能筛选获取目的基因蛋白质工程和基因工程的比较2.在医药工业方面：①_______在体外保存相当困难，通过蛋白质工程，可以延长保存时间.②小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，科学家将小鼠抗体上________的区域“嫁接”到人的_____上，这样的抗体诱发免疫反应的强度就会减少很多。3.在其他工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶。例如：

三、蛋白质工程的应用

阅读P951.速效胰岛素类似物：

干扰素结合抗原抗体获得了上百种枯草杆菌蛋白酶的突变体4.农业方面：尝试改造参与调控_________的酶，提高光合作用效率，粮食增产;设计优良___________，通过改造微生物蛋白质的结构，防治病虫害的效果增强。光合作用微生物农药5.蛋白质工程是一项难度很大的工程的原因：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。天然蛋白质易形成二聚体或六聚体预期结构改造B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B链29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课堂小结8．重叠延伸PCR技术是设计含突变点的互补核苷酸片段作为引物，在PCR过程中，互补的核苷酸片段形成重叠，重叠的部分互为模板，通过多次PCR扩增，从而获得突变基因的方法。科研人员将枯草芽孢杆菌的甘油激酶的第270位氨基酸M突变为1，构建出了对甘油高效利用的枯草芽孢杆菌。下列说法正确的是（）BD

A．通过PCR1获得产物AB需要进行2轮PCR扩增B．无法通过AB下链和CD上链获得突变产物ADC．在同一反应体系中加入四种引物可以同时获得大量产物AB和CDD．通过重叠延伸PCR技术对甘油激酶的改造属于蛋白质工程1．科学家利用蛋白质工程研制出了赖脯胰岛素，与天然胰岛素相比，赖脯胰岛素经皮下注射后易吸收、起效快。以下相关叙述错误的是（

）A．代表蛋白质工程操作思路获取赖脯胰岛素的过程是④⑤⑥①②③B．该技术需在DNA分子水平上进行设计和改造C．物质a和物质b分别代表多肽链和mRNAD．在基因表达过程中，物质a改变时物质b可能不变C2.蛋白质工程是基因工程的延伸。下列有关蛋白质工程的叙述，正确的是（

）A．蛋白质工程是基因工程的延伸，所以不需要遵循中心法则B．蛋白质工程中可以不用构建基因表达载体C．生产的蛋白质能在自然界中找到D．需要限制性内切核酸酶和DNA连接酶3．天然胰岛素制剂容易发生聚合，会在一定程度上延缓药效。科学家通过蛋白质工程将胰岛素B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，研发出速效胰岛素。下列说法错误的是（）A．设计速效胰岛素首先要从避免胰岛素形成聚合体这一预期功能开始B．该过程通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造C．速效胰岛素在受体细胞中合成时遵循中心法则D．该过程若使用大肠杆菌作为受体细胞，可直接生产有生物活性的胰岛素4．苏云金芽孢杆菌中的杀虫晶体蛋白Cry具有杀虫毒性，但Cry蛋白存在杀虫谱窄、毒力有限等问题，制约了其在农业生产中的进一步应用。科学家通过定点突变，将Cry蛋白第168位的组氨酸替换为精氨酸后，Cry蛋白对烟草天蛾的毒性提高了3倍；将Cry蛋白第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸分别替换成甘氨酸和丝氨酸后，Cry蛋白对烟草天蛾的毒性提高了7倍。下列有关叙述错误的是（

）

A．对Cry蛋白的改造是通过改造Cry蛋白的相关基因来实现的B．Cry蛋白的毒性提高了3~7倍的原因可能是改变了该蛋白质的空间结构C．改造Cry蛋白应从Cry蛋白基因的脱氧核苷酸序列出发设计其特有的结构D．使用蛋白质工程改造Cry蛋白过程中需要使用限制酶和DNA连接酶5．研究发现，新冠病毒侵入人体细胞的关键是新冠病毒表面的S蛋白中含有的受体结合结构域(RBD)能够和人体细胞上的血管紧张素转化酶2(ACE2)特异性结合，从而侵入人体细胞。科学家利用蛋白质工程技术获得了5种与RBD高亲和的小蛋白，命名为LCB1～LCB5。下列说法错误的是（

）

A．若LCB1～LCB5的空间结构不同，则其和RBD的亲和力可能不同B．LCB1～LCB5可能具有和ACE2相似的结构域C．每种LCB的氨基酸序列只能推测出一种相应的mRNA序列D．利用蛋白质工程合成LCB1～LCB5的过程遵循中心法则6．2020年诺贝尔化学奖颁给了开发基因组编辑方法的两位女科学家，CRISPA/Cas9基因编辑技术可对基因进行定点编辑，其原理是由一条单链导RNA引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割，示意图如下。下列叙述错误的是（）A．向导RNA可识别、切割DNA上的目标位点B．单链向导RNA与识别序列，通过氢键连接C．引入供体DNA分子插入切割点，可以对基因进行定向改造D．生物体自身存在的修复系统能将断裂上下游两端的序列连接起来，实现目标基因的敲除7.人体内的t—PA蛋白能高效降解由纤维蛋白凝聚而成的血栓，但给心梗患者注射大剂量基因工程t—PA会诱发颅内出血。研究证实，将t—PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，能显著降低其出血副作用。对天然t—PA基因进行改造，并使其在大肠杆菌细胞内表达，可制造出改良t—PA蛋白。如图表示相关的目的基因、载体及限制酶。pCLY11为质粒，新霉素为抗生素。有关叙述正确的是（

C

）A．制造出性能优异的改良t—PA蛋白的过程属于蛋白质工程B．用XmaⅠ和BglⅡ切开pCLY11，才能使其与t—PA改良基因高效连接C．选择有新霉素抗性的大肠杆菌作为受体细胞进行重组质粒的筛选和鉴定D．区分重组质粒和原有质粒的一个标志是可以观察mlacZ基因的表达情况8.干扰素在体外保存相当困难，如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，获得的新型干扰素可在-70℃的条件下保存半年。请回答下列问题：（1）新型干扰素是科研人员在天然干扰素的基础上，利用______工程研发获得的。干扰素基因在体外扩增时，与体内DNA复制的区别在于______________________________________（答出2点）。（2）基因表达载体需包括启动子、终止子、目的基因、___________________等，其中启动子的作用是_____________________________________________________________________________。（3）使用牛作为新型干扰素的乳腺生物反应器，需用_______________法将目的基因导入受精卵中。相比乳腺生物反应器，使用膀胱生物反应器的优点有__________________________________________________________________（写出2点）。（4）与牛、羊相比，大肠杆菌等微生物作为受体细胞的优势有_________________________________________________________________（答出2点）。蛋白质不需要解旋酶，需要使用耐高温的DNA聚合酶，反应体系温度高标记基因RNA聚合酶识别和结合的位点，驱动基因转录出RNA显微注射不受动物年龄、性别的限制；能够提取产物的时间长；提取方便等多为单细胞生物，易培养；繁殖快；节省培养空间和成本等9．（2022·湖南·高考真题）水蛭是我国的传统中药材，主要药理成分水蛭素为水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。拟通过蛋白质工程改造水蛭素结构，提高其抗凝血活性。回答下列问题:(1)蛋白质工程流程如图所示，物质a是

，物质b是

。在生产过程中，物质b可能不同，合成的蛋白质空间构象却相同，原因是

。(2)蛋白质工程是基因工程的延伸，基因工程中获取目的基因的常用方法有

、

和人工合成。PCR技术遵循的基本原理是

。(1)氨基酸序列多肽链mRNA密码子的简并性(2)从基因文库中获取目的基因PCR获取DNA半保留复制(3)将提取的水蛭蛋白经甲、乙两种蛋白酶水解后，分析水解产物中的肽含量及其抗凝血活性，结果如图所示。推测两种处理后酶解产物的抗凝血活性差异主要与肽的

（填“种类”或“含量”）有关，导致其活性不同的原因是__________________________________。

种类提取的水蛭蛋白的酶解时间和处理的酶的种类不同，导致水蛭蛋白空间结构有不同程度破坏练一练P96【练习与应用】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。（

）××√练一练P96【练习与应用】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DA练一练P96【练习与应用】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。P98【复习与提高】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。P98【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