2024-2025學(xué)年高二生物人教版選擇性必修3教學(xué)課件 第3章 第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用第3章基因工程人教版高中生物選擇性必修3

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.說(shuō)出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2.概述蛋白質(zhì)工程的原理。3.舉例說(shuō)明對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)的編碼基因進(jìn)行改造，獲得人類(lèi)所需要的蛋白質(zhì)的過(guò)程。

情境視頻細(xì)菌的藝術(shù)-微生物培養(yǎng)大賽

情境導(dǎo)入

科學(xué)家利用基因工程技術(shù)使細(xì)菌表達(dá)了熒光蛋白。綠色熒光蛋白來(lái)源于一種發(fā)光水母，科學(xué)家通過(guò)改造綠色熒光蛋白，獲得了能發(fā)出其他顏色熒光蛋白，才“畫(huà)”出了色彩斑斕的圖案?？茖W(xué)家如何對(duì)天然的綠色熒光蛋白進(jìn)行改造？對(duì)蛋白質(zhì)分子的設(shè)計(jì)和改造是通過(guò)蛋白質(zhì)工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。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。①基礎(chǔ)：_______________________________________________②途經(jīng)：___________________③操作對(duì)象：______④目的：_________________________________________________________________________⑤地位：__________________________________________________⑥理論和技術(shù)：_______________________________________________蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程基因分子生物學(xué)、晶體學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)(了解）

1.蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(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(mǎn)足人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需求。

2.

蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程的實(shí)質(zhì)及不足①實(shí)質(zhì)：基因工程是將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。②不足：基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在（天然）的蛋白質(zhì)。基因重組天然蛋白質(zhì)的缺陷

天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需要。玉米中賴(lài)氨酸的含量較低，原因是賴(lài)氨酸合成過(guò)程中的兩種關(guān)鍵酶---天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細(xì)胞內(nèi)賴(lài)氨酸濃度的影響較大。二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴(lài)氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴(lài)氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）改造改造含量提高5倍含量提高2倍

2.

蛋白質(zhì)工程崛起的緣由實(shí)例：提高玉米賴(lài)氨酸含量

為什么蛋白質(zhì)工程改造基因而不是直接改造蛋白質(zhì)？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，最終通過(guò)改造或合成基因來(lái)完成。(2)實(shí)質(zhì)：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)）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；(1)目標(biāo)：

3.蛋白質(zhì)工程的基本原理預(yù)期功能預(yù)期結(jié)構(gòu)推測(cè)氨基酸序列（多肽鏈）改造或合成目的基因轉(zhuǎn)錄mRNA翻譯折疊設(shè)計(jì)行使(3)基本思路逆中心法則，與天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程相反

3.蛋白質(zhì)工程的基本原理

基因工程和蛋白質(zhì)工程任務(wù)應(yīng)將基因相應(yīng)位置上的堿基進(jìn)行替換，從而使其指導(dǎo)合成的胰島素相應(yīng)位置上的氨基酸發(fā)生改變。1.研究人員試圖將人胰島素B鏈的第28位氨基酸由脯氨酸替換為天冬氨酸，從而有效抑制胰島素的聚合，獲得速效胰島素類(lèi)似物，應(yīng)該如何操作？

基因工程和蛋白質(zhì)工程任務(wù)2．如果已經(jīng)推測(cè)出多肽中的氨基酸序列，那么推測(cè)出的基因中的堿基序列是否唯一呢？并說(shuō)明理由。不唯一，因?yàn)橐粋€(gè)氨基酸是由一個(gè)或多個(gè)密碼子決定的，因此獲得的基因總的堿基序列有多種。不同的生物密碼子基本相同，即共用一套密碼子。拓展延伸

基因工程和蛋白質(zhì)工程任務(wù)3．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？可以人工合成目的基因，或應(yīng)用基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等進(jìn)而改造基因。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(lèi)：（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

基因工程和蛋白質(zhì)工程任務(wù)4．蛋白質(zhì)工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白質(zhì)的原因：(1)任何一種天然蛋白質(zhì)都是由________編碼的，改造了________即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質(zhì)也是無(wú)法遺傳的。(2)對(duì)________進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造更容易操作，難度要小得多?；蚧蚧蚝诵臍w納基因工程實(shí)質(zhì)不足蛋白質(zhì)工程天然蛋白質(zhì)的不足目的將一種生物的

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

，進(jìn)而表現(xiàn)出

?；虻鞍踪|(zhì)新性狀在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的

。蛋白質(zhì)即天然蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期

過(guò)程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種

的需要，卻不一定完全符合人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需要。進(jìn)化生存生產(chǎn)符合人類(lèi)生產(chǎn)和生活需要的

。蛋白質(zhì)基因工程與蛋白質(zhì)工程的比較核心歸納比較項(xiàng)目基因工程蛋白質(zhì)工程區(qū)別起點(diǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)

結(jié)果聯(lián)系生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界中非天然的蛋白質(zhì)定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類(lèi)所需要的生物類(lèi)型或生物產(chǎn)品改造或制造人類(lèi)所需要的蛋白質(zhì)預(yù)期的蛋白質(zhì)功能目的基因獲取目的基因→構(gòu)建表達(dá)載體→導(dǎo)入受體細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→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→獲得所需要的蛋白質(zhì)①都在生物體外對(duì)基因進(jìn)行操作；②蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程核心歸納思考：如何辨別一個(gè)操作是基因工程還是蛋白質(zhì)工程？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)工程基因工程天然的胰島素制劑容易形成二聚體或六聚體，會(huì)延緩療效，通過(guò)改造胰島素基因?qū)崿F(xiàn)了對(duì)相應(yīng)氨基酸序列的改造，從而有效抑制了胰島素的聚合。

4.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

（1）醫(yī)藥工業(yè)方面天然蛋白質(zhì)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(lài)氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄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①研發(fā)速效胰島素類(lèi)似物將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，在-70℃的條件下，可保存半年。解決了干擾素體外保存困難的問(wèn)題。天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年

4.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

（1）醫(yī)藥工業(yè)方面②延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間③科學(xué)家通過(guò)改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域"嫁接"到人的抗體上，

經(jīng)過(guò)改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)降低。

4.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

（1）醫(yī)藥工業(yè)方面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。從頭設(shè)計(jì)蛋白的高分辨晶體結(jié)構(gòu)（天藍(lán)色）與設(shè)計(jì)模型（綠色）比較。我國(guó)科學(xué)家建立蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)新方法蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶

4.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

（2）其他工業(yè)方面①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。②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)。伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類(lèi)抗寄生蟲(chóng)藥

4.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

（3）農(nóng)業(yè)方面

蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮功能必須依賴(lài)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。要設(shè)計(jì)出更加符合人類(lèi)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(lèi)帶來(lái)更多的福祉。三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型

4.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用跟蹤訓(xùn)練√1.(2023·江蘇連云港高二期中)下列各項(xiàng)與蛋白質(zhì)工程沒(méi)有直接關(guān)系的是

A.利用各種高科技手段分析蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)B.研究并改變某種蛋白質(zhì)相關(guān)基因的堿基序列C.設(shè)計(jì)和制造自然界中沒(méi)有的人工蛋白質(zhì)D.將編碼牛凝乳酶的基因?qū)虢湍妇幕蚪M中獲得凝乳酶將編碼牛凝乳酶的基因?qū)虢湍妇幕蚪M中獲得凝乳酶是基因工程的成果，與蛋白質(zhì)工程沒(méi)有直接關(guān)系，D符合題意。跟蹤訓(xùn)練2.(2021·遼寧，14)腈水合酶(N0)廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)和醫(yī)藥原料生產(chǎn)等領(lǐng)域，但不耐高溫。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)在N0的α和β亞基之間加入一段連接肽，可獲得熱穩(wěn)定的融合型腈水合酶(N1)。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是

A.N1與N0氨基酸序列的差異是影響其熱穩(wěn)定性的原因之一B.加入連接肽需要通過(guò)改造基因?qū)崿F(xiàn)C.獲得N1的過(guò)程需要進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯D.檢測(cè)N1的活性時(shí)先將N1與底物充分混合，再置于高溫環(huán)境√跟蹤訓(xùn)練在N0的α和β亞基之間加入一段連接肽，可獲得熱穩(wěn)定的融合型腈水合酶(N1)，則N1與N0氨基酸序列有所不同，這可能是影響其熱穩(wěn)定性的原因之一，A正確；蛋白質(zhì)工程的作用對(duì)象是基因，即加入連接肽需要通過(guò)改造基因?qū)崿F(xiàn)，B正確；N1為蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)的合成需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過(guò)程，C正確；酶具有高效性，檢測(cè)N1的活性需先將其置于高溫環(huán)境，再與底物充分混合，D錯(cuò)誤。課堂小結(jié)五分鐘查落實(shí)【要語(yǔ)必背】1.基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。2.對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，最終還必須通過(guò)改造或合成基因來(lái)完成。3.蛋白質(zhì)工程的基本思路：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→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→獲得所需要的蛋白質(zhì)?！鹃L(zhǎng)句表達(dá)】1.蛋白質(zhì)工程是指以_________________________________________________________________________________________________________________________________________。2.將正常的血紅蛋白基因?qū)牖颊叩墓撬柙煅杉?xì)胞中，可以合成正常的血紅蛋白達(dá)到治療的目的。此操作

(填“屬于”或“不屬于”)蛋白質(zhì)工程，理由是該操作

。不屬于沒(méi)有對(duì)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)進(jìn)行改造