3.4蛋白質工程的原理和應用課件高二下學期生物人教版選擇性必修三

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

學習目標1.說出蛋白質工程崛起的緣由。2.概述蛋白質工程的原理。3.舉例說明對現(xiàn)有蛋白質的編碼基因進行改造，獲得人類所需要的蛋白質的過程。

情境視頻細菌的藝術-微生物培養(yǎng)大賽

情境導入

科學家利用基因工程技術使細菌表達了熒光蛋白。綠色熒光蛋白來源于一種發(fā)光水母，科學家通過改造綠色熒光蛋白，獲得了能發(fā)出其他顏色熒光蛋白，才“畫”出了色彩斑斕的圖案?？茖W家如何對天然的綠色熒光蛋白進行改造？對蛋白質分子的設計和改造是通過蛋白質工程來實現(xiàn)的。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領域有著重要應用。①基礎：_______________________________________________②途經(jīng)：___________________③操作對象：______④目的：_________________________________________________________________________⑤地位：__________________________________________________⑥理論和技術：_______________________________________________蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程基因分子生物學、晶體學和計算機技術(了解）

1.蛋白質工程蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。

2.

蛋白質工程崛起的緣由基因工程的實質及不足①實質：基因工程是將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，使后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現(xiàn)出新的性狀。②不足：基因工程原則上只能生產自然界中已存在（天然）的蛋白質?；蛑亟M天然蛋白質的缺陷

天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。玉米中賴氨酸的含量較低，原因是賴氨酸合成過程中的兩種關鍵酶---天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細胞內賴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）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴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.

蛋白質工程崛起的緣由實例：提高玉米賴氨酸含量

為什么蛋白質工程改造基因而不是直接改造蛋白質？根據(jù)人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造，最終通過改造或合成基因來完成。(2)實質：改造或合成基因（來定向改造現(xiàn)有蛋白質或制造新的蛋白質）①蛋白質的高級結構十分復雜，直接改造難度大；②蛋白質是由基因編碼的，改造了基因可以間接改造蛋白質；③基因可以遺傳，蛋白質無法遺傳；(1)目標：

3.蛋白質工程的基本原理預期功能預期結構推測氨基酸序列（多肽鏈）改造或合成目的基因轉錄mRNA翻譯折疊設計行使(3)基本思路逆中心法則，與天然蛋白質合成的過程相反

3.蛋白質工程的基本原理

基因工程和蛋白質工程任務應將基因相應位置上的堿基進行替換，從而使其指導合成的胰島素相應位置上的氨基酸發(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，獲得速效胰島素類似物，應該如何操作？

基因工程和蛋白質工程任務2．如果已經(jīng)推測出多肽中的氨基酸序列，那么推測出的基因中的堿基序列是否唯一呢？并說明理由。不唯一，因為一個氨基酸是由一個或多個密碼子決定的，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

基因工程和蛋白質工程任務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，或應用基因定點突變技術來進行堿基的替換、增添等進而改造基因。根據(jù)改造蛋白質的部位的多少，對蛋白質的改造可分為三類：（1）大改：設計并制造出自然界中不存在的全新蛋白質（2）中改：在蛋白質分子中替換某一個肽段或某一個特定的結構域。（3）小改：改造蛋白質分子中的幾個氨基酸殘基

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

轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的

，進而表現(xiàn)出

。基因蛋白質新性狀在原則上只能生產自然界已存在的

。蛋白質即天然蛋白質天然蛋白質是生物在長期

過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種

的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。進化生存生產符合人類生產和生活需要的

。蛋白質基因工程與蛋白質工程的比較核心歸納比較項目基因工程蛋白質工程區(qū)別起點過程實質

結果聯(lián)系生產自然界中已存在的蛋白質生產自然界中非天然的蛋白質定向改造生物的遺傳特性,以獲得人類所需要的生物類型或生物產品改造或制造人類所需要的蛋白質預期的蛋白質功能目的基因獲取目的基因→構建表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定預期蛋白質功能→設計預期蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質①都在生物體外對基因進行操作；②蛋白質工程是在基因工程基礎上延伸出來的第二代基因工程核心歸納思考：如何辨別一個操作是基因工程還是蛋白質工程？是否合成新的基因蛋白質工程是否對原有基因進行改造是否是否蛋白質工程基因工程看蛋白質看基因是否為天然蛋白質是否蛋白質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，會延緩療效，通過改造胰島素基因實現(xiàn)了對相應氨基酸序列的改造，從而有效抑制了胰島素的聚合。

4.蛋白質工程的應用

（1）醫(yī)藥工業(yè)方面天然蛋白質易形成二聚體或六聚體預期結構改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或將它與B29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設計結構改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合①研發(fā)速效胰島素類似物將干擾素分子上的一個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題。天然干擾素不易保存預期結構改造一個半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉錄mRNA折疊預期功能行使功能延長保存時間設計結構氨基酸替換推測序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年

4.蛋白質工程的應用

（1）醫(yī)藥工業(yè)方面②延長干擾素體外保存時間③科學家通過改造基因，將小鼠抗體上結合抗原的區(qū)域"嫁接"到人的抗體上，

經(jīng)過改造的抗體誘發(fā)免疫反應的強度就會降低。

4.蛋白質工程的應用

（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)化生產需求的突變體，從而提高這種酶的使用價值。從頭設計蛋白的高分辨晶體結構（天藍色）與設計模型（綠色）比較。我國科學家建立蛋白質設計新方法蛋白質工程被廣泛用于改進酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶

4.蛋白質工程的應用

（2）其他工業(yè)方面①改造某些參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產量。②設計優(yōu)良微生物農藥，通過改造微生物蛋白質的結構，使它防治病蟲害的效果增強。伊維菌素是新型的廣譜、高效、低毒抗生素類抗寄生蟲藥

4.蛋白質工程的應用

（3）農業(yè)方面

蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為蛋白質發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結構，而這種高級結構往往十分復雜。要設計出更加符合人類需要的蛋白質，還需要不斷地攻堅克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質工程將會給人類帶來更多的福祉。三級結構一級結構四級結構二級結構由計算機建立的血紅蛋白三維結構模型

4.蛋白質工程的應用跟蹤訓練√1.(2023·江蘇連云港高二期中)下列各項與蛋白質工程沒有直接關系的是

A.利用各種高科技手段分析蛋白質的分子結構B.研究并改變某種蛋白質相關基因的堿基序列C.設計和制造自然界中沒有的人工蛋白質D.將編碼牛凝乳酶的基因導入酵母菌的基因組中獲得凝乳酶將編碼牛凝乳酶的基因導入酵母菌的基因組中獲得凝乳酶是基因工程的成果，與蛋白質工程沒有直接關系，D符合題意。跟蹤訓練2.(2021·遼寧，14)腈水合酶(N0)廣泛應用于環(huán)境保護和醫(yī)藥原料生產等領域，但不耐高溫。利用蛋白質工程技術在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)。下列有關敘述錯誤的是

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改造基因實現(xiàn)C.獲得N1的過程需要進行轉錄和翻譯D.檢測N1的活性時先將N1與底