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（共18张ppt)
文档属性
| 名称 | 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（共18张ppt) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-10-02 11:49:15 | ||
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文档简介
(共18张PPT)
3.4 蛋白质工程的原理和应用
教学目标
1.说出蛋白质工程崛起的缘由。
2.概述蛋白质工程的基本原理。
3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
基因工程
思考：
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
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。
用细菌 “画”的画
新课导入
蛋白质工程
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。
①基础：
②操作手段及对象：
③结果：
④目的：
⑤困难：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂，难度很大的工程。
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，是涉及多学科的综合科技工程。
蛋白质工程
基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，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。
原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
天然蛋白质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。
基因工程的不足：
蛋白质工程
.实例：提高玉米赖氨酸含量
赖氨酸合成
调控
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
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
蛋白质工程
1、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、原理：
改造基因（基因修饰或基因合成）
3、流程：
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
蛋白质工程基本原理
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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。
查密码子表得知：
推知mRNA序列为：
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）。
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
蛋白质工程基本原理
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G） UUU(或C)
mRNA序列
脱氧核苷酸序列
GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G)
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列
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。
蛋白质工程基本原理
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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。
蛋白质工程基本原理
基因工程 蛋白质工程
相同点
产生新的
产生的蛋白质
联系
都要改造基因，都属于分子水平
基因型，无新基因
基因（型）
原有的
新的
蛋白质工程以基因工程为基础，
是基因工程的应用和延伸
蛋白质工程基本原理
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
蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（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
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
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
蛋白质工程的应用
天然干扰素不易保存
预期结构
改造
一个半胱氨酸变成丝氨酸
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
1.医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
行使功能
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
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。
蛋白质工程的应用
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，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。
3.农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。
利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
2.其他工业方面
蛋白质工程的应用
4.面临的困难：
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
5.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。
蛋白质工程的应用
一级结构
氨基酸排列顺序
二级结构
指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式
三级结构
蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象
四级结构
在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链,才能全面地执行功能。每一条多肽链都有其完完整的三级结构,称为亚基
蛋白质工程的应用
课后练习
（1）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质 （ ）
（2）对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的 （ ）
（3）由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大 （ ）
（4）蛋白质工程不能改变蛋白质的活性 （ ）
1. 判断题
课后练习
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
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
D
A
3.4 蛋白质工程的原理和应用
教学目标
1.说出蛋白质工程崛起的缘由。
2.概述蛋白质工程的基本原理。
3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
基因工程
思考：
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
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。
用细菌 “画”的画
新课导入
蛋白质工程
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。
①基础：
②操作手段及对象：
③结果：
④目的：
⑤困难：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂，难度很大的工程。
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，是涉及多学科的综合科技工程。
蛋白质工程
基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，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。
原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
天然蛋白质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。
基因工程的不足：
蛋白质工程
.实例：提高玉米赖氨酸含量
赖氨酸合成
调控
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
赖氨酸含量
抑制
提高
提高
限制
提高
提高5倍
提高2倍
蛋白质工程
1、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、原理：
改造基因（基因修饰或基因合成）
3、流程：
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
蛋白质工程基本原理
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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。
查密码子表得知：
推知mRNA序列为：
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）。
GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
蛋白质工程基本原理
GCU(或C或A或G) UGG AAA(或G) GAA(或G） UUU(或C)
mRNA序列
脱氧核苷酸序列
GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G） TTT(或C)
CGA(或G或T或C) ACC TTT(或C)CTT（或C） AAA(或G)
……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……
氨基酸序列
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。
蛋白质工程基本原理
某多肽链的一段氨基酸序列是：
丙氨酸
苯丙氨酸
色氨酸
谷氨酸
赖氨酸
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。
蛋白质工程基本原理
基因工程 蛋白质工程
相同点
产生新的
产生的蛋白质
联系
都要改造基因，都属于分子水平
基因型，无新基因
基因（型）
原有的
新的
蛋白质工程以基因工程为基础，
是基因工程的应用和延伸
蛋白质工程基本原理
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
蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（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
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
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
蛋白质工程的应用
天然干扰素不易保存
预期结构
改造
一个半胱氨酸变成丝氨酸
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
1.医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
行使功能
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
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。
蛋白质工程的应用
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，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。
3.农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。
利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
2.其他工业方面
蛋白质工程的应用
4.面临的困难：
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
5.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。
蛋白质工程的应用
一级结构
氨基酸排列顺序
二级结构
指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式
三级结构
蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象
四级结构
在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链,才能全面地执行功能。每一条多肽链都有其完完整的三级结构,称为亚基
蛋白质工程的应用
课后练习
（1）蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质 （ ）
（2）对蛋白质的改造是通过直接改造相应的mRNA来实现的 （ ）
（3）由于蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，空间结构千差万别，蛋白质工程操作难度很大 （ ）
（4）蛋白质工程不能改变蛋白质的活性 （ ）
1. 判断题
课后练习
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
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
D
A