蛋白质工程的原理和应用 高二生物人教版选择性必修3

第三章基因工程第4节

蛋白质工程的原理和应用人教版·选择性必修3问题探究：学习目标010203尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。（科学思维）说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。（生命观念）尝试运用逆向思维分析和解决问题。（社会责任）问题探究：【从社会中来】问题探究：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？问题探究：

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。1、科学家利用了什么技术让细菌能够发出荧光？蛋白质分子工程思考·讨论：基因工程1.基因工程的概念

是指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做DNA重组技术。水母的绿色荧光蛋白基因一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质

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，进而表现出新性状。一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质

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，进而表现出新性状。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。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。即天然蛋白质。

一、蛋白质工程崛起的缘由2.天然蛋白质的不足【资料1】

玉米中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制其活性，所以赖氨酸含量很难提高。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）天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）改造改造经人工设计改造，使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。

干扰素是动物体内的一种蛋白质或糖蛋白，可以用于治疗病毒的感染和癌症。但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在零下70℃的条件下，可以保存半年。要改造天然干扰素分子，是直接对干扰素分子的氨基酸序列进行改造，还是改造编码干扰素分子的基因？二、蛋白质工程的基本原理改造编码干扰素分子的基因体外很难保存体外可以保存半年干扰素（半胱氨酸）干扰素（丝氨酸）改造合作探究一：讨论改造天然干扰素分子的思路二、蛋白质工程的基本原理要改造天然干扰素分子，是直接对干扰素分子的氨基酸序列进行改造，还是改造编码干扰素分子的基因？改造编码干扰素分子的基因1、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；思考·讨论：③

基因可以遗传，蛋白质无法遗传；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；二、蛋白质工程的基本原理思考·讨论：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：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。丙氨酸…………色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸查阅密码子表氨基酸的编码序列推出mRNA序列推出脱氧核苷酸序列第一个碱基第二个碱基第三个碱基UCAGU苯丙氨酸苯丙氨酸亮氨酸亮氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸络氨酸丝氨酸终止终止半胱氨酸半胱氨酸终止、硒代半胱氨酸色氨酸UCAGC亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸脯氨酸组氨酸组氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸UCAGA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸（起始）苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸天冬酰胺天冬酰胺赖氨酸赖氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸UCAGG缬氨酸缬氨酸缬氨酸缬氨酸、甲硫氨酸（起始）丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸天冬酰胺天冬酰胺谷氨酸谷氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸UCAG丙氨酸…………色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸问题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。mRNA：UGGDNA：ACCmRNA：GCU(或C或A或G)DNA：CGA(或G或T或C)二、蛋白质工程的基本原理思考·讨论：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：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。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推出脱氧核苷酸序列推出mRNA序列：

GCU(或C或A或G)UGGAAA(或G)GAA（或G）UUU(或C)，丙氨酸…………色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸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)合作探究一：讨论改造天然干扰素分子的思路

干扰素是人或动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症。但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在零下70℃的条件下，可以保存半年。二、蛋白质工程的基本原理干扰素（半胱氨酸）干扰素（丝氨酸）改造UGU、UGCAGU、AGCDNAmRNATGT(或C)ACA(或G)

AGT(或C)TCA(或G)

对编码干扰素分子的基因进行改造时，利用什么技术进行碱基的替换？基因定点突变技术大肠杆菌或酵母菌新型干扰素导入与载体拼接新的干扰素基因重组DNA分子1.目的基因的筛选与获取2.基因表达载体的构建3.将目的基因导入受体细胞4.目的基因的

检测与鉴定干扰素基因改造或合成表达干扰素基因二、蛋白质工程的基本原理获得新的干扰素基因后，如何大量生产新型干扰素？二、蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的基本思路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多肽链借助计算机通过X射线衍射技术基因的定点突变技术构建蛋白质三维结构图：制备蛋白质晶体：碱基的替换：②蛋白质工程：①

天然蛋白质合成的过程（中心法则）：二、蛋白质工程的基本原理1.蛋白质工程的基本思路基因表达（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逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反

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。蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。①基础:蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系②操作方法及对象:改造或合成基因③结果:改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质④目的:改造或制造新的蛋白质，满足人类生产和生活的需求。⑤与基因工程的关系:⑥相关学科及技术：分子生物学、晶体学和计算机技术。二、蛋白质工程的基本原理2.蛋白质工程的概念蛋白质工程的目标

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。生产符合人们需求的、自然界中不存在的蛋白质。蛋白质工程的实质蛋白质工程的原理

由预期的蛋白质的功能出发，找到并改变相对应的基因或合成新的基因，即基因表达的逆推。二、蛋白质工程的基本原理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。二、蛋白质工程的基本原理课堂小结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→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中已存在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如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？二、蛋白质工程的基本原理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蛋白质工程基因工程看蛋白质看基因是否为天然蛋白质蛋白质工程基因工程思考·讨论：是否是否三、蛋白质工程的应用应用实例医药工业方面其他工业方面农业方面请同学们自主阅读教材P94～95，小组合作思考讨论总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例?合作探究二：改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物改造干扰素基因，延长保存时间生产人鼠嵌合抗体，降低了诱发人体免疫反应的强度改进酶的性能或开发新的工业用酶改造某些参与调控光合作用的酶设计优良微生物农药三、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

天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历长时间才能解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素B链第20～29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第B28位的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，从而有效抑制胰岛素的聚合。胰岛素的分子结构示意图胰岛素的3D示意图脯氨酸（更换为天冬氨酸）三、蛋白质工程的应用1.医药工业方面②

延长干扰素体外保存时间

干扰素在体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，则在-70℃的条件下可保存半年，延长了干扰素的保存时间。③

降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，降低治疗效果。

科学家通过改造基因，将小鼠单克隆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，降低了诱发人体免疫反应的强度。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。3.农业方面①

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４.蛋白质工程面临的问题蛋白质工程是一项难度很大的工程

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。目前对其了解还很不够，还需探索。血红蛋白的三维结构模型

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。①

面临的问题②难度大的原因前景展望三、蛋白质工程的应用【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。（

）练习与应用教材P96√××三、蛋白质工程的应用练习与应用教材P963.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.