蛋白质工程的原理和应用-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

第4节蛋白质工程的原理和应用第3章基因工程

任务一：设计速效和长效胰岛素类似物活动1:设计速效胰岛素【资料1】重组人胰岛素很难精确地调节血糖，使用后患者血糖浓度难以降到正常水平，这是由于胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，而胰岛素是以单体与受体结合，皮下注射胰岛素制剂后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，从而其作用比体内胰岛分泌的胰岛素的作用相对滞后，这在一定程度上延缓了疗效。问题1:阅读资料，思考若要提高重组人胰岛素起作用的速度，设计策略是什么？避免胰岛素形成聚合体【资料2】研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。其中若将人胰岛B28位的脯氨酸（密码子：CCU、CCC、CCA、CCG）替换为天门冬氨酸（密码子：GAU、GAC）,利用电荷的排斥作用来阻止胰岛素单体或二聚体的自我聚合，就会减少分子间的聚合。活动1:设计速效胰岛素问题2：阅读资料，思考怎样改造基因工程生产的重组人胰岛素，变为速效的胰岛素类似物？改造目的：改造或制造新胰岛素，满足人类的对速效胰岛素的需要注：不同颜色的片段表示不同氨基酸排列形成的特定空间结构的肽段（蛋白质的二级结构）蛋白质空间结构多样性血红蛋白（四级结构）α-螺旋β-折叠DavidBaker——

2021年科学突破奖问题2：阅读资料，思考怎样改造基因工程生产的重组人胰岛素，变为速效的胰岛素类似物？直接操作对象：

胰岛素基因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。为什么改造基因而不是直接改造蛋白质？资料2：研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。其中若将人胰岛B28位的脯氨酸（密码子：CCU、CCC、CCA、CCG）替换为天门冬氨酸（密码子：GAU、GAC）,利用电荷的排斥作用来阻止胰岛素单体或二聚体的自我聚合，就会减少分子间的聚合。问题2：阅读资料，思考怎样改造基因工程生产的重组人胰岛素，变为速效的胰岛素类似物？画出改造操作对象的过程图：

B28：脯氨酸氨基酸序列：mRNA:DNA:CCU中心法则如何将B链28位的脯氨酸换成天冬氨酸？B28：天冬氨酸（密码子：CCU、CCC、CCA、CCG）（密码子：GAU、GAC）GAU5’3’GGACCT5’3’CTAGAT3’5’3’5’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？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。学科交叉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，分析晶体结构；用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。总结生产速效胰岛素类似物的思路：问题2：阅读资料，思考怎样改造基因工程生产的重组人胰岛素，变为速效的胰岛素类似物？从预期的速效胰岛素类似物功能出发设计预期的速效胰岛素类似物的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转录翻译活动2：设计长效胰岛素类似物【资料3】速效胰岛素具有起效快、达峰快的优点，但是药效持续时间短，有降低餐后血糖为低血糖的风险，所以需要一种能够维持正常血糖水平，较长时间起作用的长效胰岛素。问题3：结合速效胰岛素的设计策略和资料，思考长效胰岛素的设计策略是什么？与速效类似物相反,设计长效类似物主要考虑提高胰岛素的自身聚合能力,使其倾向于形成多聚体，可较慢持续地释放药物，延长吸收及作用时间，不产生明显的峰值；能模拟正常人生理性基础胰岛素分泌，降低低血糖发生率。问题4：患者餐后血糖明显升高，平时血糖含量波动不大，若要提供基础胰岛素分泌和餐时胰岛素分泌，更好的控制血糖，应该怎样改进用药策略呢？活动2：设计长效胰岛素类似物按照一定比例将速效和长效（中效）胰岛素类似物进行混合。同时模拟了基础和餐时胰岛素分泌。目前已广泛应用到临床。问题5：新的胰岛素类似物合成后，可以作为药物使用了吗？安全性（毒性）检测评估：动物实验和临床试验有效性评估：例如对志愿者进行分组测试，测试指标：24h血糖波动、24h平均血糖、空腹血糖、餐后血糖波动幅度及低血糖发生率等。任务二:蛋白质工程及其应用问题1：请回顾以上流程，说明蛋白质工程含义和基本思路。蛋白质工程：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，以满足人类的生产和生活的需求。是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。基础：了解蛋白质的结构和功能途径：目的：改造或制造新蛋白质，满足人类的生产或生活的需要改造或合成基因基因结果：产生自然界原本不存在的蛋白质直接操作对象：蛋白质工程的基本原理：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问题2：总结蛋白质工程与基因工程的区别和联系。任务二:蛋白质工程及其应用项目蛋白质工程基因工程区别

操作流程结果联系预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定通过改造基因或合成基因，可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质②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问题3：自主阅读课本P95，并说出蛋白质工程的发展现状。蛋白质工程在医药、农业等其他领域的应用任务二:蛋白质工程及其应用1.医药工业：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1.医药工业：延长干扰素体外保存时间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β-干扰素氨基酸序列1.医药工业：降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应通过改造基因，将小鼠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，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会减低很多。2.其它工业方面改进酶的性能或开发新的工业用酶，如适应范围更广的枯草杆菌蛋白酶3.农业方面改造某些参与调控光合作用的酶设计微生物农药改造荧光蛋白来自钱永健实验室的荧光细菌画改造