3.4蛋白质工程的原理和应用课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

为了获取更多的胰岛素，科学家在传统生产的基础上，利用基因工程和蛋白质工程，研发了一系列特效药。研发思路是什么？什么是蛋白质工程呢？3.4一、蛋白质工程崛起的缘由学生活动：阅读资料，跟随科学家的研究方向，解决问题。1.结合上节课所学知识，思考如何在短时间内大量生产胰岛素？资料1：胰岛素是治疗糖尿病的特效药。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取，生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素就需要上千头牛，成本非常高。资料2：微生物如大肠杆菌，具有培养方便、操作简单、成本低廉等优点，在科学研究中经常被用作工程菌。胰腺提取筛选胰岛素mRNA胰岛素cDNA逆转录重组质粒质粒导入大肠杆菌mRNA胰岛素原胰岛素加工用原核生物生产胰岛素示意图逆转录酶胰岛素原无生物学活性的原因？一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质：将一种生物的_____转移到_____________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。基因另一种生物体资料4：玉米中赖氨酸含量较低，因为赖氨酸合成过程中两种关键酶--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。资料3：虽然基因工程提高了胰岛素的产量，但天然胰岛素本身结构特殊，易形成二聚体或六聚体。皮下注射后往往经历逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。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）改造改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）赖氨酸含量提高5倍赖氨酸含量提高2倍一、蛋白质工程崛起的缘由2.天然蛋白质一定符合人类生产和生活的需要吗？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。3.在具体应用中，基因工程技术有何局限？基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。

不能改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。4.结合资料4思考，如何提高胰岛素的疗效？对胰岛素进行改造——蛋白质工程。一、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程的基本原理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。蛋白质工程学生活动：阅读课本，思考问题。1.描述合成天然蛋白质的原理和过程。2.蛋白质工程的目标、操作对象、基本思路。二、蛋白质工程的基本原理按照中心法则进行。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。天然蛋白质合成的过程转录逆转录翻译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。蛋白质工程的目标二、蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的最终的操作对象是

。蛋白质工程的操作对象①改造基因比改造蛋白质更容易操作。②改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传；③基因决定蛋白质的合成，改造基因即改造蛋白质；蛋白质工程的基本思路基因二、蛋白质工程的基本原理学生活动：阅读课本，思考问题。资料5：研究发现，人胰岛素由A链和B链构成，B链某些氨基酸是胰岛素形成多聚体的关键区域，改变此区域氨基酸的组成，可能降低胰岛素间的作用力。已知B链26-30位氨基酸序列为：苏氨酸人胰岛素结构酪氨酸UAUUAC脯氨酸CCUCCCCCACCG苏氨酸ACUACCACAACG赖氨酸AAAAAG天冬氨酸GAUGAC部分氨基酸的密码子赖氨酸脯氨酸苏氨酸酪氨酸二、蛋白质工程的基本原理酪氨酸UAUUAC天冬氨酸GAUGAC苏氨酸ACUACCACAACG赖氨酸AAAAAG脯氨酸CCUCCCCCACCG1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？写出mRNA及DNA碱基序列。氨基酸：酪氨酸-苏氨酸-脯氨酸-赖氨酸-苏氨酸mRNA：UAUACUCCUAAAACU（以第一个为例）DNA：ATATGAGGATTTTGA（模板链）TATACTCCTAAAACT（编码链）二、蛋白质工程的基本原理酪氨酸UAUUAC天冬氨酸GAUGAC苏氨酸ACUACCACAACG赖氨酸AAAAAG脯氨酸CCUCCCCCACCG2.科学家通过蛋白质工程，研发了速效胰岛素类似物，将B28位脯氨酸替换为天冬氨酸，有效抑制了胰岛素聚合。写出改造后的mRNA及DNA碱基序列。氨基酸：酪氨酸-苏氨酸-天冬氨酸-赖氨酸-苏氨酸mRNA：UAUACUGAUAAAACU（以第一个为例）DNA：ATATGACTATTTTGA（模板链）TATACTGATAAAACT（编码链）二、蛋白质工程的基本原理酪氨酸UAUUAC天冬氨酸GAUGAC苏氨酸ACUACCACAACG赖氨酸AAAAAG脯氨酸CCUCCCCCACCG3.综合上述两题思考，如果已经推测出胰岛素中的氨基酸序列，那么推测出的胰岛素基因中的碱基序列是否唯一？说明理由。

不唯一。•一个氨基酸是由一个或多个密码子决定的，因此获得的碱基序列有多种。•

不同的生物密码子基本相同，即共用一套密码子。二、蛋白质工程的基本原理4.确定改造后胰岛素基因的碱基序列后，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。DNA合成仪基因文库二、蛋白质工程的基本原理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；要利用晶体学技术来获得蛋白质的结晶体，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。学科交叉牛胰岛素结晶二级结构三级结构四级结构二、蛋白质工程的基本原理人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”。人类蛋白质组计划2010年，我国完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图，建立了符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。二、蛋白质工程的基本原理比较项目基因工程蛋白质工程区别起点过程实质

结果联系目的基因预期的蛋白质功能获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定预期蛋白质功能→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。定向改造或制造人类所需要的蛋白质定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品。生产自然界中已存在的蛋白质生产自然界中非天然的蛋白质①都在生物体外对基因进行操作；②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三、蛋白质工程的应用医药工业其他工业农业速效胰岛素类似物：改变氨基酸序列，_____胰岛素的聚合。原理：一个氨基酸的改变或两个氨基酸位置互换。抑制三、蛋白质工程的应用医药工业其他工业农业干扰素：一个半胱氨酸替换为丝氨酸，_____保存时间。半胱氨酸丝氨酸天然干扰素（体外保存困难）改造后的干扰素（-70℃可保存半年）延长三、蛋白质工程的应用医药工业其他工业农业单克隆抗体：将小鼠抗体上__________的区域“嫁接”到人的抗体上，降低诱发免疫反应的强度。可变区恒定区恒定区可变区嵌合抗体对人体的不良反应减少结合抗原鼠抗体人抗体三、蛋白质工程的应用医药工业其他工业农业广泛用于_____________或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。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。改进酶的性能三、蛋白质工程的应用改造某些_________________的酶，提高植物光合作用的效率。医药工业其他工业农业参与调控光合作用改造_____________的结构，增强防治病虫害的效果。微生物蛋白质三、蛋白质工程的应用1.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。蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构。2.蛋白质工程难度很大，主要的原因是什么？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。这种高级结构很复杂，目前对其了解还很不够，还需探索。姓名考号座位号不准超过此线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（）针对训练A.基因B.氨基酸C.多肽链D.蛋白质#课堂小结理论基础实践应用技术手段目标基本思路蛋白