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24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24张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 4.5MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2023-05-05 22:52:43 | ||
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文档简介
(共24张PPT)
人教版高中生物 选择性必修 3
第3章 基因工程
第4节
蛋白质工程的原理和应用
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(重、难点)。
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(重、难点)。
胰岛素是治疗糖尿病的有效药物，最开始人们都是从牛胰岛素中提取胰岛素，但用此方法获取胰岛素的产量很低成本很高，1982年，人们通过基因工程，将胰岛素基因导入到了大肠杆菌体内，利用大肠杆菌来生产胰岛素，与原方法比，基因工程可以极大地提高胰岛素的产量，胰岛素的价格也降低了很多，但天然胰岛素本身结构比较特殊，当其产量过高时，胰岛素分子之间容易形成二聚体或六聚体，这种情况极大地延缓了疗效。
情境导入
如何解决这一问题？单纯的基因工程可以么？
目标一
>
<
蛋白质工程的原理和应用
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。
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。
蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质及不足
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不足：
基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
基因重组
2.天然蛋白质的不足
天然蛋白质是生物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。
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
蛋白质工程崛起的缘由
3.实例：提高玉米赖氨酸含量
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设计改造。
2.改造蛋白质的方法：
改造或合成基因
3.天然蛋白质合成过程：
按照中心法则进行
基因
表达
形成具有特定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
转录、翻译
(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。
(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。
思考：为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？
蛋白质工程的基本原理
4.蛋白质工程的基本思路
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。
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
活动1
比较基因工程和蛋白质工程
不唯一，因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定，因此获得的基因总的碱基序列有多种。
问题1：如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
活动1
比较基因工程和蛋白质工程
可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。
问题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？
活动1
比较基因工程和蛋白质工程
应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。
问题3：研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？
蛋白质工程的应用
天然蛋白质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
1. 医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
蛋白质工程的应用
（2）延长干扰素体外保存时间
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
干扰素在体外保存相当困难
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸
在-70℃下干扰素可保存半年
蛋白质工程的应用
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
蛋白质工程的应用
2. 在其他工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
蛋白质工程的应用
3. 在农业方面
①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。
伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药
②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。
蛋白质工程与基因工程的区别与联系
比较项目 基因工程 蛋白质工程
区 别 起点
过程
实质
结果
联系 生产自然界中已存在的蛋白质
生产自然界中非天然的蛋白质
定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品
改造或制造人类所需要的蛋白质
预期的蛋白质功能
目的基因
获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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
①都在生物体外对基因进行操作；②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
1.(2022·陕西渭南高二期中)科学家利用蛋白质工程技术将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适温度提高了10～12 ℃。据分析，脯氨酸替代甘氨酸后，由于引入了一个吡咯环侧链，刚好填充于138位甘氨酸附近的空洞，使蛋白质空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性，下列说法正确的是
A.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异
B.蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具
C.蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
D.经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状不可遗传
√
解析 蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作，操作对象相同，A错误；
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，其过程中也需要酶和载体作为工具，B错误；
蛋白质工程指以蛋白质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，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去，C正确，D错误。
2.新冠病毒通过刺突蛋白(S蛋白)的活性域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用感染细胞。科学家设计了一种自然界中不存在的蛋白质LCB1，可与S蛋白的RBD紧密结合，以干扰新冠病毒的感染。下列叙述不合理的是
A.LCB1的结构可能与S蛋白的抗体有相似之处
B.S蛋白的RBD结构可以为设计LCB1提供信息
C.生产LCB1用到了基因工程的操作技术
D.可直接从细胞中获得基因用于LCB1的生产
√
解析 S蛋白的抗体能与S蛋白RBD特异性结合，而根据题干可知，LCB1可与S蛋白的RBD紧密结合，说明LCB1的结构可能与S蛋白的抗体类似，A合理；
由于LCB1可与S蛋白的RBD紧密结合，故LCB1可依据S蛋白的RBD结构进行设计，B合理；
生产LCB1用到了蛋白质工程，其中一些步骤用到了基因工程的操作技术，例如人工合成DNA，C合理；
由题意可知，蛋白质LCB1是一种自然界中不存在的蛋白质，故不能从细胞中获取相应的基因，D不合理。
人教版高中生物 选择性必修 3
第3章 基因工程
第4节
蛋白质工程的原理和应用
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(重、难点)。
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(重、难点)。
胰岛素是治疗糖尿病的有效药物，最开始人们都是从牛胰岛素中提取胰岛素，但用此方法获取胰岛素的产量很低成本很高，1982年，人们通过基因工程，将胰岛素基因导入到了大肠杆菌体内，利用大肠杆菌来生产胰岛素，与原方法比，基因工程可以极大地提高胰岛素的产量，胰岛素的价格也降低了很多，但天然胰岛素本身结构比较特殊，当其产量过高时，胰岛素分子之间容易形成二聚体或六聚体，这种情况极大地延缓了疗效。
情境导入
如何解决这一问题？单纯的基因工程可以么？
目标一
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蛋白质工程的原理和应用
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。
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。
蛋白质工程崛起的缘由
1.基因工程的实质及不足
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不足：
基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。
基因重组
2.天然蛋白质的不足
天然蛋白质是生物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。
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
蛋白质工程崛起的缘由
3.实例：提高玉米赖氨酸含量
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设计改造。
2.改造蛋白质的方法：
改造或合成基因
3.天然蛋白质合成过程：
按照中心法则进行
基因
表达
形成具有特定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
转录、翻译
(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。
(2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。
思考：为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？
蛋白质工程的基本原理
4.蛋白质工程的基本思路
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。
逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反
活动1
比较基因工程和蛋白质工程
不唯一，因为一个氨基酸是由一个或多个密码子决定，因此获得的基因总的碱基序列有多种。
问题1：如果已经推测出多肽中的氨基酸序列，那么推测出的基因中的碱基序列是否唯一呢？说明你的理由。
活动1
比较基因工程和蛋白质工程
可以人工合成目的基因，或应用基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等进而改造基因。
问题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？
活动1
比较基因工程和蛋白质工程
应将基因相应位置上的碱基进行替换，从而使其指导合成的胰岛素相应位置上的氨基酸发生改变。
问题3：研究人员试图将人胰岛素的B链的第28位氨基酸由脯氨酸替换为天冬氨酸，从而有效抑制胰岛素的聚合，获得速效胰岛素类似物，应该如何操作？
蛋白质工程的应用
天然蛋白质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
1. 医药工业方面
（1）研发速效胰岛素类似物
蛋白质工程的应用
（2）延长干扰素体外保存时间
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
干扰素在体外保存相当困难
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸
在-70℃下干扰素可保存半年
蛋白质工程的应用
（3）降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应
鼠抗体
人抗体
恒定区
恒定区
可变区
可变区
嵌合抗体
对人体的不良反应减少
蛋白质工程的应用
2. 在其他工业方面
改进酶的性能或开发新的工业用酶
如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
蛋白质工程的应用
3. 在农业方面
①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。
伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药
②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。
蛋白质工程与基因工程的区别与联系
比较项目 基因工程 蛋白质工程
区 别 起点
过程
实质
结果
联系 生产自然界中已存在的蛋白质
生产自然界中非天然的蛋白质
定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品
改造或制造人类所需要的蛋白质
预期的蛋白质功能
目的基因
获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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
①都在生物体外对基因进行操作；②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
1.(2022·陕西渭南高二期中)科学家利用蛋白质工程技术将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用脯氨酸替代，结果它的最适温度提高了10～12 ℃。据分析，脯氨酸替代甘氨酸后，由于引入了一个吡咯环侧链，刚好填充于138位甘氨酸附近的空洞，使蛋白质空间结构更具刚性，从而提高了酶的热稳定性，下列说法正确的是
A.蛋白质工程和基因工程的根本区别是操作对象的差异
B.蛋白质工程操作过程中，不需要酶和载体作为工具
C.蛋白质工程的目的是获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
D.经改造后的葡萄糖异构酶热稳定性提高这一性状不可遗传
√
解析 蛋白质工程和基因工程都要对基因进行操作，操作对象相同，A错误；
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，其过程中也需要酶和载体作为工具，B错误；
蛋白质工程指以蛋白质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，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去，C正确，D错误。
2.新冠病毒通过刺突蛋白(S蛋白)的活性域(RBD)与人体细胞表面的ACE2受体相互作用感染细胞。科学家设计了一种自然界中不存在的蛋白质LCB1，可与S蛋白的RBD紧密结合，以干扰新冠病毒的感染。下列叙述不合理的是
A.LCB1的结构可能与S蛋白的抗体有相似之处
B.S蛋白的RBD结构可以为设计LCB1提供信息
C.生产LCB1用到了基因工程的操作技术
D.可直接从细胞中获得基因用于LCB1的生产
√
解析 S蛋白的抗体能与S蛋白RBD特异性结合，而根据题干可知，LCB1可与S蛋白的RBD紧密结合，说明LCB1的结构可能与S蛋白的抗体类似，A合理；
由于LCB1可与S蛋白的RBD紧密结合，故LCB1可依据S蛋白的RBD结构进行设计，B合理；
生产LCB1用到了蛋白质工程，其中一些步骤用到了基因工程的操作技术，例如人工合成DNA，C合理；
由题意可知，蛋白质LCB1是一种自然界中不存在的蛋白质，故不能从细胞中获取相应的基因，D不合理。