3.4 蛋白质工程的原理和应用 课件高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

第3章

基因工程第4节

蛋白质工程的原理和应用教学目标：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）学习目标从社会中来

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。问题1:科学家利用了什么技术让细菌能发出绿色荧光？基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造让细菌能发出黄色荧光？

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。科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造让细菌能发出黄色荧光？问题2:这种对现有蛋白质进行改造的技术与基因工程技术一样吗？目录CONTENTS蛋白质工程的基本原理2/蛋白质工程崛起的缘由1/蛋白质工程的应用3/01蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质和不足：

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。基因工程的缺陷原则上只能产生自然界已存在的蛋白质(天然蛋白)天然蛋白的缺陷有时不完全符合人类生产和生活需要蛋白质工程对天然蛋白进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质深度学习自主学习导入新课迁移应用实例：提高玉米赖氨酸含量：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提高5倍提高2倍深度学习自主学习导入新课迁移应用蛋白质工程概念：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。基础

操作方法及对象结果目的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，是涉及多学科的综合科技工程。一、蛋白质工程崛起的缘由深度学习自主学习导入新课迁移应用02蛋白质工程的基本原理3、温故天然蛋白质合成的过程，构建出蛋白质工程的基本思路。2、为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？问题：1、蛋白质工程的目标、实质。合作探究一：请同学们自主阅读教材P94，小组合作思考讨论完成问题。

二、蛋白质工程的基本原理4、如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？目标实质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。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。（一）目标、实质二、蛋白质工程的基本原理问题1：蛋白质工程的目标、实质。深度学习自主学习导入新课迁移应用问题2: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；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；③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；二、蛋白质工程的基本原理RNA聚合酶分子模型深度学习自主学习导入新课迁移应用按照中心法则进行转录DNARNA翻译肽链逆转录复制复制折叠等具有空间结构的蛋白质表达生物特有的功能或性状蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能。三级结构一级结构四级结构二级结构问题3、温故天然蛋白质合成的过程，构建出蛋白质工程的基本思路。（二）蛋白质工程的基本设计思路：①预期的蛋白质功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质预期功能生物功能设计推测改造或合成行使折叠目的基因转录mRNA翻译多肽链蛋白质(三维结构)思路逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反深度学习自主学习导入新课迁移应用蛋白质工程基本思路的应用P94思考.讨论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。查密码子表得知：推知mRNA序列为：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）。GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共

种可能序列32二、蛋白质工程的基本原理深度学习自主学习导入新课迁移应用丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸赖氨酸查密码子表得知：推知mRNA序列为：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）。GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共

种可能序列32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)共

种可能序列32深度学习自主学习导入新课迁移应用讨论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？

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。

提示：天然蛋白质改造蛋白质蛋白质工程基本思路的应用P94思考.讨论深度学习自主学习导入新课迁移应用深度学习自主学习导入新课迁移应用（三）蛋白质工程与基因工程的比较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改造蛋白质或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深度学习自主学习导入新课迁移应用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问题4:如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？深度学习自主学习导入新课迁移应用03蛋白质工程的应用合作探究二：请同学们自主阅读教材P95，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。

应用实例医药工业方面其他工业方面农业方面深度学习自主学习导入新课迁移应用①产生速效胰岛素②产生易保存的干扰素③生产人鼠嵌合抗体（一）医药工业方面三、蛋白质工程的运用深度学习自主学习导入新课迁移应用（一）医药工业方面(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定点突变三、蛋白质工程的运用深度学习自主学习导入新课迁移应用（一）医药工业方面定点突变(2)延长干扰素体外保存时间天然干扰素（体外保存困难）改造后的干扰素（-70℃可保存半年）半胱氨酸丝氨酸干扰素在体外保存相当困难将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸在-70℃下干扰素可保存半年三、蛋白质工程的运用深度学习自主学习导入新课迁移应用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（一）医药工业方面：基因融合3.降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应深度学习自主学习导入新课迁移应用在上世纪80年代早期，人们开始利用基因工程制备抗体，以降低鼠源抗体的免疫原性．进行基因改造时，应该把图2中的（用图中字母表示)C和B进行连接，以减少免疫排斥深度学习自主学习导入新课迁移应用（二）他工业方面的运用：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。枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌三、蛋白质工程的运用深度学习自主学习导入新课迁移应用（三）农业方面的运用：第二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。第一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；三、蛋白质工程的运用深度学习自主学习导入新课迁移应用(1)面临的问题：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。(2)前景展望：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、蛋白质工程的运用深度学习自主学习导入新课迁移应用课堂小结蛋白质工程理论基础技术手段目标基本思路实践应用蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系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。药物研发改进酶的性能或开发新的工业用酶增加粮食产量、研发新型农药实战训练

1．蛋白质工程中对蛋白质分子进行设计时，主要包括哪几种（

）①进行少数氨基酸的替换②对不同来源的蛋白质的拼接③从预期蛋白质的功能出发去推测氨基酸排列顺序④直接改变蛋白质的空间结构A．①③④ B．①②③ C．②③④ D．①②④深度学习自主学习导入新课迁移应用实战训练

2．近年来，人工智能(AI)算法在蛋白质工程领域的应用已经被开发，下列关于AI算法在蛋白质工程领域应用的设想中，实现难度最大的是（

）A．根据人类对蛋白质的功能需求设计蛋白质的高级结构B．根据蛋白质的空间结构推测其氨基酸序列C．按照设定的氨基酸序列推测mRNA的碱基序列D．按照设定的mRNA的碱基序列设计新基因深度学习自主学习导入新课迁移应用实战训练

3.判断常考语句，澄清易混易错（1）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质

（

）（2）对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的

（

）（3）由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大

（

）（4）蛋白质工程不能改变蛋白质的活性

（

）深度学习自主学习导入新课迁移应用拓展延伸深度学习自主学习导入新课迁移应用

练习与应用（P96）

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。()××√深度学习自主学习导入新课迁移应用一、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

练习与应用（P96）

深度学习自主学习导入新课迁移应用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