2021-2022学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3-3.4蛋白质工程的原理和应用课件（23张ppt）
文档属性
| 名称 | 2021-2022学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3-3.4蛋白质工程的原理和应用课件（23张ppt） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 3.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-05-22 16:48:31 | ||
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文档简介
(共23张PPT)
1.蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的原理和应用
2.蛋白质工程的实际应用
你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。
那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
用细菌“画”的画
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以 及其与
作为基础,通过 或 ,来改造 ,或 蛋白质,以满足 。
蛋白质分子的结构规律
生物功能的关系
改造
合成基因
现有蛋白质
制造一种新的
人类生产和生活的需求
①基础：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系；
②手段：
基因修饰或基因合成；
③改造对象：
蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构；
④产物：
改造的蛋白质、新的蛋白质。
2.基因工程的实质及缺陷
（1）实质：
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
（2）缺陷：
原则上，基因工程只能产生自然界中已经存在的蛋白质。
蛋白质工程的崛起主要是由于工业生产和基础理论研究的需要。
（1）天然蛋白质的缺陷：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。
（2）蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活需要的非天然蛋白质。
理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
一、蛋白质工程崛起的缘由
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
逆转录
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
天然蛋白质的合成过程与性状表达：
蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能
血红蛋白的三级结构
细胞内赖氨酸的浓度
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
抑制
提高
提高
限制
提高5倍
提高2倍
【实例】对天然酶的改造
一、蛋白质工程崛起的缘由
赖氨酸含量
1.蛋白质工程的目标：
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。
2.改造蛋白质的方法：
改造或合成基因
二、蛋白质工程的基本原理
基因决定蛋白质
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
目的基因
转录
翻译
mRNA
多肽链
行使
蛋白质（三维结构）
折叠
二、蛋白质工程的基本原理
预期功能
生物功能
分子设计
折叠
DNA合成
翻译
转录
基因
DNA
蛋白质
结构
氨基酸
序列
mRNA
①预期蛋白质功能
②设计预期的蛋白质结构
③推测应有的氨基酸序列
④找到对应的脱氧核苷酸序列
⑤合成新基因
⑥获得所需要的蛋白质
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。改造后相应基因的表达仍旧需要借助基因工程来实现。
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
讨论：
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。
1.对天然的蛋白质进行改造，为什么不是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现的？
①蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；②蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
二、蛋白质工程的基本原理
2.某多肽链的一段氨基酸序列是：
二、蛋白质工程的基本原理
查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。
mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
二、蛋白质工程的基本原理
2.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。
确定目的基因的碱基序列后，可以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。
拓展延伸:
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质改造可分三类：
（1）大改：
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质
（2）中改：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
（3）大改：
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系 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
目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
定向改造或生产人类所需的蛋白质
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品
创造出自然界不存在的蛋白质
生产出自然界已有的蛋白质
①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②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造
研发速效胰岛素类似物
提高干扰素的保存期
改造抗体
改造酶（工业、农业）
01
02
03
04
三、蛋白质工程的应用
行使功能
设计结构
①实例1：研发速效胰岛素类似物
天然胰岛素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
mRNA
折叠
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
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
转录
三、蛋白质工程的应用
天然干扰素
（体外保存困难）
改造后的干扰素
（-70℃可保存半年）
半胱氨酸
丝氨酸
②实例2：延长干扰素体外保存时间
三、蛋白质工程的应用
医学问题：小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
解决办法：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。
③实例3：制备人鼠嵌合抗体
三、蛋白质工程的应用
在工业方面的应用
突变体
在农业方面的应用
（1）尝试改造某些调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
（2）改造微生物蛋白质的结构，使其防治病虫害的效果增强。
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
三、蛋白质工程的应用
（1）改进酶的性能，从而提高其使用价值。如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的_________，从中筛选出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。
蛋白质工程是一项难度很大的工程。
主要原因：
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
前景展望：
科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
四、蛋白质工程的困难
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
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。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。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸，
判断下列相关表述是否正确。
(1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，
蛋白质工程不需要对基因进行操作。 ( )
(2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。( )
×
×
√
2. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的
基础上进行的，它最终要达到的目的是 ( )
A.分析蛋白质的三维结构
B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
3. 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( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质
A
4.T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴 在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么 如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如, 由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。
1.蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的原理和应用
2.蛋白质工程的实际应用
你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。
最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。
那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
用细菌“画”的画
一、蛋白质工程崛起的缘由
1.蛋白质工程的概念
蛋白质工程是指以 及其与
作为基础,通过 或 ,来改造 ,或 蛋白质,以满足 。
蛋白质分子的结构规律
生物功能的关系
改造
合成基因
现有蛋白质
制造一种新的
人类生产和生活的需求
①基础：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系；
②手段：
基因修饰或基因合成；
③改造对象：
蛋白质的结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构；
④产物：
改造的蛋白质、新的蛋白质。
2.基因工程的实质及缺陷
（1）实质：
基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
（2）缺陷：
原则上，基因工程只能产生自然界中已经存在的蛋白质。
蛋白质工程的崛起主要是由于工业生产和基础理论研究的需要。
（1）天然蛋白质的缺陷：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。
（2）蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活需要的非天然蛋白质。
理论和技术条件:分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
一、蛋白质工程崛起的缘由
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
逆转录
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
天然蛋白质的合成过程与性状表达：
蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能
血红蛋白的三级结构
细胞内赖氨酸的浓度
达到一定浓度
两种酶的活性
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
二氢吡啶二羧酸合成酶
天冬氨酸激酶
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
抑制
提高
提高
限制
提高5倍
提高2倍
【实例】对天然酶的改造
一、蛋白质工程崛起的缘由
赖氨酸含量
1.蛋白质工程的目标：
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。
2.改造蛋白质的方法：
改造或合成基因
二、蛋白质工程的基本原理
基因决定蛋白质
预期功能
生物功能
设计
推测
改造或合成
目的基因
转录
翻译
mRNA
多肽链
行使
蛋白质（三维结构）
折叠
二、蛋白质工程的基本原理
预期功能
生物功能
分子设计
折叠
DNA合成
翻译
转录
基因
DNA
蛋白质
结构
氨基酸
序列
mRNA
①预期蛋白质功能
②设计预期的蛋白质结构
③推测应有的氨基酸序列
④找到对应的脱氧核苷酸序列
⑤合成新基因
⑥获得所需要的蛋白质
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。改造后相应基因的表达仍旧需要借助基因工程来实现。
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
讨论：
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。
1.对天然的蛋白质进行改造，为什么不是直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现的？
①蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；②蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；
二、蛋白质工程的基本原理
2.某多肽链的一段氨基酸序列是：
二、蛋白质工程的基本原理
查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。
mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
二、蛋白质工程的基本原理
2.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。
确定目的基因的碱基序列后，可以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。
拓展延伸:
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质改造可分三类：
（1）大改：
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质
（2）中改：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
（3）大改：
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 过程
实质
结果
联系 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
目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
定向改造或生产人类所需的蛋白质
定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的新的生物类型和生物产品
创造出自然界不存在的蛋白质
生产出自然界已有的蛋白质
①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②基因工程中所利用的某些酶可以通过蛋白质工程进行修饰、改造
研发速效胰岛素类似物
提高干扰素的保存期
改造抗体
改造酶（工业、农业）
01
02
03
04
三、蛋白质工程的应用
行使功能
设计结构
①实例1：研发速效胰岛素类似物
天然胰岛素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
mRNA
折叠
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
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
转录
三、蛋白质工程的应用
天然干扰素
（体外保存困难）
改造后的干扰素
（-70℃可保存半年）
半胱氨酸
丝氨酸
②实例2：延长干扰素体外保存时间
三、蛋白质工程的应用
医学问题：小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，从而导致治疗效果大大降低
解决办法：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。
③实例3：制备人鼠嵌合抗体
三、蛋白质工程的应用
在工业方面的应用
突变体
在农业方面的应用
（1）尝试改造某些调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
（2）改造微生物蛋白质的结构，使其防治病虫害的效果增强。
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
三、蛋白质工程的应用
（1）改进酶的性能，从而提高其使用价值。如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的_________，从中筛选出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。
蛋白质工程是一项难度很大的工程。
主要原因：
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
前景展望：
科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
四、蛋白质工程的困难
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
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。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。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸，
判断下列相关表述是否正确。
(1)基因工程需要在分子水平对基因进行操作，
蛋白质工程不需要对基因进行操作。 ( )
(2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。( )
(3)蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。( )
×
×
√
2. 蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的
基础上进行的，它最终要达到的目的是 ( )
A.分析蛋白质的三维结构
B.研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
3. 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( )
A.基因 B.氨基酸 C.多肽链 D.蛋白质
A
4.T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴 在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么 如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践,还有很多工作需要做。例如, 由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。