3.4+蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用- 高二生物 課件（人教版2019選擇性必修3）

第3章

基因工程第4節(jié)

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)目標(biāo)010203嘗試通過(guò)蛋白質(zhì)工程技術(shù)，根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)改造某一蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)流程。（科學(xué)思維）說(shuō)明基因的堿基排列順序—蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)—蛋白質(zhì)功能的關(guān)系。（生命觀念）嘗試運(yùn)用逆向思維分析和解決問(wèn)題。（社會(huì)責(zé)任）基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用基因工程的應(yīng)用1.轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)植物2.轉(zhuǎn)基因抗病植物3.轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物4.改良植物的品質(zhì)5.提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率6.改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用1.對(duì)微生物或動(dòng)植物的細(xì)胞進(jìn)行基因改造，使它們能夠生產(chǎn)藥物。2.利用基因工程技術(shù)，可以讓哺乳動(dòng)物批量生產(chǎn)藥物,如乳腺生物反應(yīng)器。3.用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體等。溫故知新構(gòu)建基因工程菌生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸、維生素

情景視頻一:人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃（視頻）情景視頻二:從社會(huì)中來(lái)

右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過(guò)改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

用細(xì)菌“畫(huà)畫(huà)”（視頻）問(wèn)題1:科學(xué)家利用了什么技術(shù)讓細(xì)菌能發(fā)出綠色熒光？基因工程技術(shù)使細(xì)菌表達(dá)了熒光蛋白。問(wèn)題2:科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造讓細(xì)菌能發(fā)出黃色熒光？情景視頻一:從社會(huì)中來(lái)

右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過(guò)改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

用細(xì)菌“畫(huà)畫(huà)”（視頻）

科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物——黃色熒光蛋白。問(wèn)題2:科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造讓細(xì)菌能發(fā)出黃色熒光？問(wèn)題3:這種對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的技術(shù)與基因工程技術(shù)一樣嗎？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（一）基因工程的實(shí)質(zhì)和不足：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新性狀。基因工程的缺陷原則上只能產(chǎn)生自然界已存在的蛋白質(zhì)(天然蛋白)天然蛋白的缺陷有時(shí)不完全符合人類生產(chǎn)和生活需要蛋白質(zhì)工程對(duì)天然蛋白進(jìn)行改造，產(chǎn)生更符合人類需要的蛋白質(zhì)問(wèn)題4:什么是蛋白質(zhì)工程呢？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（二）蛋白質(zhì)工程概念：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求?；A(chǔ)

操作方法及對(duì)象結(jié)果目的蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程，是涉及多學(xué)科的綜合科技工程。實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

1.下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的敘述，錯(cuò)誤的是(

) A.分析蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)工程的研究?jī)?nèi)容之一 B.蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì) C.蛋白質(zhì)工程崛起的原因是天然蛋白質(zhì)不能夠完全滿足人類生產(chǎn)、生活的需要 D.蛋白質(zhì)工程可以制造一種新的蛋白質(zhì)，也可以對(duì)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造賴氨酸合成調(diào)控達(dá)到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴氨酸含量抑制提高提高限制提高提高5倍提高2倍一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（三）實(shí)例：對(duì)天然酶的改造問(wèn)題5:蛋白質(zhì)工程是怎樣進(jìn)行的呢？溫故天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程。構(gòu)建出蛋白質(zhì)工程的基本思路。為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)、實(shí)質(zhì)、結(jié)果。234

1合作探究一：請(qǐng)同學(xué)們自主閱讀教材P94，小組合作思考討論完成問(wèn)題。

二、蛋白質(zhì)工程的基本原理如何辨別一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？二、蛋白質(zhì)工程的基本原理目標(biāo)實(shí)質(zhì)結(jié)果根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。通過(guò)改造或合成基因，來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。生產(chǎn)出自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)。問(wèn)題5:為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？

①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，直接改造難度大；②蛋白質(zhì)是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質(zhì)；③基因可以遺傳，蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳；（一）實(shí)質(zhì)、目標(biāo)和結(jié)果：二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（二）天然蛋白質(zhì)合成過(guò)程：基因mRNA轉(zhuǎn)錄翻譯具有特定氨基酸序列的多肽鏈具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能盤曲折疊按照中心法則進(jìn)行二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（三）蛋白質(zhì)工程的基本設(shè)計(jì)思路：①預(yù)期的蛋白質(zhì)功能②設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)③推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列④找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因⑤獲得所需蛋白質(zhì)預(yù)期功能生物功能設(shè)計(jì)推測(cè)改造或合成行使折疊目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯多肽鏈蛋白質(zhì)(三維結(jié)構(gòu))思路逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程相反蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用思考.討論二、蛋白質(zhì)工程的基本原理某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸問(wèn)題6:怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫(xiě)出來(lái)。查密碼子表得知：推知mRNA序列為：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(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

種可能序列32蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用思考.討論二、蛋白質(zhì)工程的基本原理丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸查密碼子表得知：推知mRNA序列為：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(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

種可能序列32脫氧核苷酸序列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

種可能序列32蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用思考.討論二、蛋白質(zhì)工程的基本原理某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸問(wèn)題7:確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？

確定目的基因的堿基序列后，可以根據(jù)人類的需要改造它，通過(guò)人工合成的方法獲取。根據(jù)改造蛋白質(zhì)的部位的多少，對(duì)蛋白質(zhì)的改造可分為三類：（1）大改：設(shè)計(jì)并制造出自然界中不存在的全新蛋白質(zhì)（2）中改：在蛋白質(zhì)分子中替換某一個(gè)肽段或某一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)域。（3）小改：改造蛋白質(zhì)分子中的幾個(gè)氨基酸殘基項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程區(qū)別

起點(diǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)結(jié)果應(yīng)用及現(xiàn)狀聯(lián)系預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→推測(cè)脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達(dá)出蛋白質(zhì)獲取目的基因→構(gòu)建基因表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定通過(guò)改造相應(yīng)的基因達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造的目的基因重組可以創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)①主要集中在對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，②對(duì)創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)還有許多技術(shù)難題未突破，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人們對(duì)此知之甚少①已被廣泛應(yīng)用，如轉(zhuǎn)基因植物、動(dòng)物、藥品生產(chǎn)等已商業(yè)化①蛋白質(zhì)工程獲得目的基因后，需要通過(guò)基因工程獲得預(yù)期蛋白質(zhì)②蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程三、蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較是否合成新的基因蛋白質(zhì)工程是否對(duì)原有基因進(jìn)行改造是否是否蛋白質(zhì)工程基因工程看蛋白質(zhì)看基因是否為天然蛋白質(zhì)是否蛋白質(zhì)工程基因工程三、蛋白質(zhì)工程與基因工程的比較問(wèn)題8:如何確定一個(gè)操作過(guò)程是基因工程技術(shù)還是蛋白質(zhì)工程技術(shù)？實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

2.蛋白質(zhì)工程的基本操作程序正確的是（

）①設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)②找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸的序列③推測(cè)應(yīng)有的氨基酸的序列④蛋白質(zhì)的預(yù)期功能A．①→②→③→④B．④→③→②→①C．④→①→③→②D．②→③→①→④實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

3.科學(xué)家為提高玉米中賴氨酸的含量，計(jì)劃將天冬氨酸激酶中第352位的蘇氨酸變?yōu)楫惲涟彼?，將二氫吡啶二羧酸合成酶中?04位的天冬酰胺變?yōu)楫惲涟彼帷榇?，下列操作正確的是(

)A.直接改造這兩種酶的空間結(jié)構(gòu)B.對(duì)指導(dǎo)這兩種酶合成的mRNA進(jìn)行改造C.利用誘變育種技術(shù)促使控制這兩種酶合成的基因突變D.利用基因工程技術(shù)，對(duì)控制這兩種酶合成的基因進(jìn)行改造實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

4.目前科學(xué)家們通過(guò)蛋白質(zhì)工程制造出了藍(lán)色熒光蛋白、黃色熒光蛋白等。采用蛋白質(zhì)工程技術(shù)制造出藍(lán)色熒光蛋白的過(guò)程的正確順序是(

)①推測(cè)藍(lán)色熒光蛋白的氨基酸序列和確定相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列②根據(jù)預(yù)期的藍(lán)色熒光蛋白的功能設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)③合成藍(lán)色熒光蛋白基因④表達(dá)出藍(lán)色熒光蛋白A.①②③④ B.②①③④C.②③①④D.④②①③

問(wèn)題9:蛋白質(zhì)工程有哪些運(yùn)用呢？請(qǐng)舉例。合作探究二：請(qǐng)同學(xué)們自主閱讀教材P95，小組合作思考討論總結(jié)蛋白質(zhì)工程可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域，有哪些案例。

四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用應(yīng)用實(shí)例醫(yī)藥工業(yè)方面其他工業(yè)方面農(nóng)業(yè)方面四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用（一）醫(yī)藥工業(yè)方面：定點(diǎn)突變1.實(shí)例二：研發(fā)速效胰島素類似物天然胰島素易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合轉(zhuǎn)錄四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用（一）醫(yī)藥工業(yè)方面：定點(diǎn)突變2.實(shí)例二：延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間

干擾素是動(dòng)物體內(nèi)的一種蛋白質(zhì)體，可以用于治療病毒的感染和癌癥，但在體外保存卻相當(dāng)困難。改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）延長(zhǎng)體外保存時(shí)間體外-70℃保存半年鼠抗體人抗體恒定區(qū)恒定區(qū)可變區(qū)可變區(qū)嵌合抗體對(duì)人體的不良反應(yīng)減少四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用（一）醫(yī)藥工業(yè)方面：基因融合3.實(shí)例三：降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用（二）其他工業(yè)方面的運(yùn)用：廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶

如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價(jià)值。（三）農(nóng)業(yè)工業(yè)方面的運(yùn)用：第二設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過(guò)改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲(chóng)害的效果增強(qiáng)。第一改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量；應(yīng)用實(shí)例醫(yī)藥工業(yè)方面改造胰島素基因，獲得⑦_(dá)___________類似物生產(chǎn)人鼠嵌合抗體其他工業(yè)方面改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶提高玉米葉片和種子中游離⑧________的含量農(nóng)業(yè)方面改造某些參與調(diào)控光合作用的酶設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物⑨______速效胰島素賴氨酸農(nóng)藥四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用(1)面臨的問(wèn)題：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。四、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用(2)前景展望：要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會(huì)給人類帶來(lái)更多的福祉。實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

5.下列有關(guān)基因工程和蛋白質(zhì)工程的敘述，正確的是（）

A.通過(guò)基因工程產(chǎn)生的蛋白質(zhì)都符合人類需要

B.通過(guò)基因工程能得到自然界中不存在的蛋白質(zhì)

C.蛋白質(zhì)工程通常是對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接改造

D.蛋白質(zhì)工程可以創(chuàng)造新的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

6.中華鱘是地球上最古老的脊椎動(dòng)物之一，被稱為“活化石”。研究者試圖通過(guò)蛋白質(zhì)工程改造中華鱘體內(nèi)的某些蛋白質(zhì)，使其更加適應(yīng)現(xiàn)在的水域環(huán)境，以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A．該工程可以定向改變蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)B．改造蛋白質(zhì)是通過(guò)改造基因結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的C．改造后的中華鱘和現(xiàn)有中華鱘仍是同一物種D．改造后的中華鱘的后代不具有改造的蛋白質(zhì)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

7.蛋白質(zhì)工程是在深入了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它最終要達(dá)到的目的是（

）

A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成

C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息

D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求8.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在這項(xiàng)替換研究中，目前可行的直接操作對(duì)象是（

）

A.基因B.氨基酸C.多肽鏈

D.蛋白質(zhì)實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

8.從某海洋動(dòng)物中獲得一基因，其表達(dá)產(chǎn)物為一種抗菌性和溶血性均較強(qiáng)的多肽P1。目前在P1的基礎(chǔ)上研發(fā)抗菌性強(qiáng)但溶血性弱的多肽藥物，首先要做的是(

)

A.合