3.4 蛋白质工程的原理和应用(共20张PPT)-2022-2023学年高二生物课件（人教版2019选择必修3）
文档属性
| 名称 | 3.4 蛋白质工程的原理和应用(共20张PPT)-2022-2023学年高二生物课件（人教版2019选择必修3） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 6.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2023-01-10 17:57:01 | ||
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文档简介
(共20张PPT)
蛋白质工程的原理和应用
细菌
画
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
右图是用发出不同颜
色荧光的细菌“西画”
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
通过蛋白质工程
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，以满足人类的生产和生活的需求。
一、蛋白质工程
地位：
理论和技术：
蛋白质工程概念的内涵
结构规律及其与生物功能的关系
基因工程基础上延伸出来的第2代基因工程
分子生物学、晶体学和计算机技术
基础：
操作：
目的：
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求
基因工程在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。
2、基因工程的不足
3、天然蛋白的不足
1、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。
二、蛋白质工程崛起的缘由
赖氨酸合成
达到一定浓度
两种酶的活性
赖氨酸的含量
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
+
调 控
抑 制
抑制
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
提高
5倍
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
提高
2倍
提高
4.实例：
玉米中
赖氨酸
的含量
比较低，
赖氨酸
合成中
两种酶的氨
基酸被替换，
就可以使玉米叶
片和种子中游离赖氨
酸分别提高5倍和2倍。
三、蛋白质工程的基本原理
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分子设计。
2.蛋白质工程的方法
必须通过改造或合成基因来完成
3.天然蛋白质的合成过程遵循中心法则
DNA（基因）
转录
mRNA
翻译
蛋白质
基因→表达（转录和翻译）→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能
4.蛋白质工程的基本思路
7.蛋白质工程与正常基因表达对比
6.蛋白质工程的结果
生产出自然界没有的蛋白质
预期的蛋白质功能
设计预期的蛋白质结构
推测应有的氨基酸序列
找到并改变或合成新的基因
获得所需要的蛋白质
5.蛋白质工程的实质
通过改造或合成基因，定向改造现有蛋白质，或制造新的蛋白质
DNA合成
分子设计
转录
翻译
折叠
基因
DNA
mRNA
氨基酸序列
多肽链
蛋白质
三维结构
预期
功能
生物
功能
项目 蛋白质工程 基因工程
对象
起点
水平
流程
结果
实质
联系 基因
基因
预期蛋白质功能
目的基因
DNA分子水平
DNA分子水平
可生产自然界已有的蛋白质
可生产自然界没的蛋白质
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
①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;
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作;
将一种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
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
8.蛋白质工程与基因工程的比较
如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
看基因
看蛋白质
是否合成新的基因
是否为天然蛋白质
蛋白质工程
蛋白质工程
蛋白质工程
基因工程
基因工程
是否对原有基因进行改造
是
是
是
否
否
否
思考：某多肽链的一段氨基酸序列是:
……丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸……
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。
然后根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C,或A，或G)UGGAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，
先经查出相应氨酸酸密码子: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)
再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列为CGA(或G,或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C) AAA(或G)
思考：某多肽链的一段氨基酸序列是:
……丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸……
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。
讨论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
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型;要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体结构;要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
学科交叉
科学家通过改造_____________使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了______________发出速效胰岛素类似物。
1.在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物:
四、蛋白质工程的应用
将干扰素分子上的一个________变成________,提高了千扰素的保存时间。
(2)提高干扰素的保存期:
胰岛素基因
胰岛素的聚合
半胱氨酸
丝氨酸
(3)改造抗体:
结合抗原的区域
将小鼠单克隆抗体上_____________“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
利用蛋白质工程改造参与_____________的酶，以提高植物光合作用的效率。
2.在其他工业和农业方面的应用
(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶:
利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种_________。
突变体
(2)改造某些重要的酶:
调控光合作用
(3)改造微生物____________，使它防治病虫害的效果增强。
蛋白的结构
五、蛋白质工程的现状与前景
主要是因为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。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。
蛋白质工程是一项难度很大的工程
理论上可以，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人的研究。
异想天开：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
1.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( )
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要
B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构
C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
2.蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是
A.氨基酸结构 B.蛋白质空间结构
C.肽链结构 D.基因结构
B
D
3.蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是
A.基因功能 B.蛋白质功能
C.氨基酸序列 D. mRNA密码子序列
4.目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构 ③合成蓝色荧光蛋白基因 ④表达出蓝色荧光蛋白
A.①②③④ B.②①③④
C.②③①④ D.④②①③
B
B
5.科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺
变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是( )
A.直接改造这两种酶的空间结构
B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造
C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变
D.利用基因工程技术，对控制这两种酶合成的基因进行改造
D
6.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_______；代表中心法则内容的是________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：③________；④________；⑤________。
(3)蛋白质工程的目的是__________________
__________，通过_________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是________的。
④⑤
①②
折叠
分子设计
合成
对蛋白质的结构进行
基因合成或修饰
相反
分子设计
蛋白质工程的原理和应用
细菌
画
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
右图是用发出不同颜
色荧光的细菌“西画”
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
通过蛋白质工程
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，以满足人类的生产和生活的需求。
一、蛋白质工程
地位：
理论和技术：
蛋白质工程概念的内涵
结构规律及其与生物功能的关系
基因工程基础上延伸出来的第2代基因工程
分子生物学、晶体学和计算机技术
基础：
操作：
目的：
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求
基因工程在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。
2、基因工程的不足
3、天然蛋白的不足
1、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。
二、蛋白质工程崛起的缘由
赖氨酸合成
达到一定浓度
两种酶的活性
赖氨酸的含量
天冬氨酸激酶
二氢吡啶二羧酸合成酶
+
调 控
抑 制
抑制
352位的苏氨酸变成异亮氨酸
提高
5倍
104位的天冬酰胺变成异亮氨酸
提高
2倍
提高
4.实例：
玉米中
赖氨酸
的含量
比较低，
赖氨酸
合成中
两种酶的氨
基酸被替换，
就可以使玉米叶
片和种子中游离赖氨
酸分别提高5倍和2倍。
三、蛋白质工程的基本原理
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分子设计。
2.蛋白质工程的方法
必须通过改造或合成基因来完成
3.天然蛋白质的合成过程遵循中心法则
DNA（基因）
转录
mRNA
翻译
蛋白质
基因→表达（转录和翻译）→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能
4.蛋白质工程的基本思路
7.蛋白质工程与正常基因表达对比
6.蛋白质工程的结果
生产出自然界没有的蛋白质
预期的蛋白质功能
设计预期的蛋白质结构
推测应有的氨基酸序列
找到并改变或合成新的基因
获得所需要的蛋白质
5.蛋白质工程的实质
通过改造或合成基因，定向改造现有蛋白质，或制造新的蛋白质
DNA合成
分子设计
转录
翻译
折叠
基因
DNA
mRNA
氨基酸序列
多肽链
蛋白质
三维结构
预期
功能
生物
功能
项目 蛋白质工程 基因工程
对象
起点
水平
流程
结果
实质
联系 基因
基因
预期蛋白质功能
目的基因
DNA分子水平
DNA分子水平
可生产自然界已有的蛋白质
可生产自然界没的蛋白质
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
①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;
②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作;
将一种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
通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质
8.蛋白质工程与基因工程的比较
如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
看基因
看蛋白质
是否合成新的基因
是否为天然蛋白质
蛋白质工程
蛋白质工程
蛋白质工程
基因工程
基因工程
是否对原有基因进行改造
是
是
是
否
否
否
思考：某多肽链的一段氨基酸序列是:
……丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸……
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。
然后根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C,或A，或G)UGGAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，
先经查出相应氨酸酸密码子: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)
再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列为CGA(或G,或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C) AAA(或G)
思考：某多肽链的一段氨基酸序列是:
……丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-谷氨酸-苯丙氨酸……
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。
讨论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
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型;要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体结构;要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
学科交叉
科学家通过改造_____________使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了______________发出速效胰岛素类似物。
1.在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物:
四、蛋白质工程的应用
将干扰素分子上的一个________变成________,提高了千扰素的保存时间。
(2)提高干扰素的保存期:
胰岛素基因
胰岛素的聚合
半胱氨酸
丝氨酸
(3)改造抗体:
结合抗原的区域
将小鼠单克隆抗体上_____________“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
利用蛋白质工程改造参与_____________的酶，以提高植物光合作用的效率。
2.在其他工业和农业方面的应用
(1)改进酶的性能或开发新的工业用酶:
利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种_________。
突变体
(2)改造某些重要的酶:
调控光合作用
(3)改造微生物____________，使它防治病虫害的效果增强。
蛋白的结构
五、蛋白质工程的现状与前景
主要是因为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。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。
蛋白质工程是一项难度很大的工程
理论上可以，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人的研究。
异想天开：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
1.下列关于蛋白质工程的说法，错误的是( )
A.蛋白质工程能定向改造蛋白质的分子结构，使之更加符合人类的需要
B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子结构
C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子
D.蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
2.蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是
A.氨基酸结构 B.蛋白质空间结构
C.肽链结构 D.基因结构
B
D
3.蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是
A.基因功能 B.蛋白质功能
C.氨基酸序列 D. mRNA密码子序列
4.目前科学家们通过蛋白质工程制造出了蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等。采用蛋白质工程技术制造出蓝色荧光蛋白的过程的正确顺序是
①推测蓝色荧光蛋白的氨基酸序列和确定相对应的脱氧核苷酸序列 ②根据预期的蓝色荧光蛋白的功能设计其结构 ③合成蓝色荧光蛋白基因 ④表达出蓝色荧光蛋白
A.①②③④ B.②①③④
C.②③①④ D.④②①③
B
B
5.科学家为提高玉米中赖氨酸的含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变为异亮氨酸，将二氢吡啶羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺
变为异亮氨酸。为此，下列操作正确的是( )
A.直接改造这两种酶的空间结构
B.对指导这两种酶合成的mRNA进行改造
C.利用诱变育种技术促使控制这两种酶合成的基因突变
D.利用基因工程技术，对控制这两种酶合成的基因进行改造
D
6.下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：
(1)代表蛋白质工程操作思路的过程是_______；代表中心法则内容的是________。(填写数字)
(2)写出图中各数字代表的生物学过程的名称或内容：③________；④________；⑤________。
(3)蛋白质工程的目的是__________________
__________，通过_________________实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是________的。
④⑤
①②
折叠
分子设计
合成
对蛋白质的结构进行
基因合成或修饰
相反
分子设计