3.4蛋白质工程的原理和应用 -高中生物人教版（2019）选择性必修3(课件共39张PPT)
文档属性
| 名称 | 3.4蛋白质工程的原理和应用 -高中生物人教版（2019）选择性必修3(课件共39张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 2.1MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2024-08-01 12:14:56 | ||
图片预览
文档简介
(共39张PPT)
学习目标
素养定位
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
1.说明基因的碱基排列顺序— 蛋白质的结构一蛋白质功能的 关系。(生命观念)
2.尝试通过蛋白质工程技术，根 据人类需要的蛋白质结构，设计 改造某一蛋白质的设计流程。
(科学思维)
3.举例说出蛋白质工程的进展 和前景。(社会责任)
预习案 · 自主学习
梳理必备知识，储备素养根基
与基因工是在基因工程的 基 础 上 ，延伸出来
程的关系的第二代基因工程
基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能
的关系
改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质
满足人类生产和生活的需求
一 、蛋白质工程的概念理解
改造或合成基 因
结果
目的
蛋白质工程
操作方法
二、蛋白质工程崛起的缘由 1.崛起缘由
(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。
(2)基因工程的不足：基因工程原则上只能生产自然界中已存在_的 蛋白质。
(3)天然蛋白质的不足：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.实例——提高玉米中赖氨酸含量
天冬氨酸激酶中第352位的 苏氨酸
改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。
二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的 天冬酰胺
改造 异亮氨酸
改造异亮氨酸
三、蛋白质工程的基本原理
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.方法：改 造 或 合成基因 0
3.流程：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。
四、蛋白质工程的应用
1.在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造胰岛素基因 实现了
对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将 它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，研发 出速效胰岛素类似物。
(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个 半胱氨酸 变成 丝氨酸 ,提高了干扰素的保存时间。
(3)改造抗体：将小鼠抗体上 结合抗原的区域 “嫁接”到人的
抗体上，降低了诱发 免疫反应的强度 0
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枯草 杆菌蛋白酶的多种 突变体 0
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程尝试改造某些参与 调控 光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率；改造微生物蛋白质的 结构，使它防治病虫害的效果增强。
(1)蛋白质工程能生产自然界中不存在的新型蛋白质分子。 ( √ )
(2)基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。( × ) 提示：基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则。
(3)由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计 改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。( √ )
(4)根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该多 肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。(× ) 提示：由于密码子的简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能 确定基因的脱氧核苷酸序列。 (5)通过蛋白质工程来改造现有蛋白质需要改变蛋白质分子的所有 氨基酸序列。( × ) 提示：蛋白质工程不需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列，只需 要在某些位点上进行改变。 (6)蛋白质工程常借助计算机建立蛋白质的三维结构模型。( √ )
2 探究案 ·互动探究
逐点击破疑难，提升关键能力
新知探究一蛋白质工程的基本原理
问题情境
资料：蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白 质，甚至是自然界不存在的蛋白质。
结合图示回答有关问题。
C
EmRNAD
设计
行使
蛋白质 (三维 结构)
A
生物 功能
B
多肽链
推测
折叠
目的 基因
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A.预期功能;B. 氨基酸序列; C.改造或合成 ;D. 转录 E. 翻译。
(2)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。
提示：不唯一，因为决定一种氨基酸的密码子往往不止一种，因此获 得的基因总的碱基序列有多种。
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分
子进行操作，还是通过对基因的操作来实现 原因是什么 提示：应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。 主要原因是①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结 构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一 代，被改造的蛋白质无法遗传。
(4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质
相同吗 分别体现在哪些方面
提示：不同。①操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是 天然基因改造后的基因，或新合成的基因；基因工程的操 作对象是天然基因。②得到的蛋白质不同：蛋白质工程可 以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然 界原有的蛋白质。
项目 蛋白质工程
基因工程
过程 预期蛋白质功能→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
归纳总结
蛋白质工程与基因工程的比较
实质 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
将一种生物的基
因转移到另一种
生物体内，后者产 生它本不能产生
的蛋白质
结果 可生产自然界没 有的蛋白质
只能生产自然界 已有的蛋白质
即 时 应 用
1.T4 溶菌酶在温度较高时易失去活性，研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行 改造，使T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的 半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。下列叙述正确
的是( )
A.T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类和数量发生了改变 B.T4 溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，自然界中的酶都可通过蛋白质工 程进行改造
C.蛋白质工程获取目的基因的过程与中心法则的流动方向一致
D.若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响
解析：T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸
种类及空间结构发生了改变；T4溶菌酶的改造属于蛋白 质工程的范畴，自然界中的酶大多数是蛋白质，少数是 RNA,蛋白质工程只能用于改造蛋白质类酶；蛋白质工程 获取目的基因的过程与中心法则的流动方向相反；结构 决定功能，若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变， 则蛋白质的功能也会受到影响。
资料：小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种
鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥， 不能直接用于人体。嵌合抗体就是保留鼠单克 隆抗体的可变区，而用人抗体的恒定区替换鼠 单克隆抗体的恒定区，这种嵌合抗体的抗原性 显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失。
目前，已有多种嵌合抗体用于临床治疗。
人鼠嵌合抗体
鼠抗体
L:轻链 H: 重链
新知探究二蛋白质工程的应用
问 题 情 境
人抗体
恒定区
可 变 区
(1)通过改造鼠单克隆抗体，生产人鼠嵌合抗体，属于哪种
生物工程的范畴 该抗体的化学本质是什么
提示：蛋白质工程；蛋白质。
(2)蛋白质改造时，为什么改造恒定区而不是可变区
提示：可变区是特异性识别抗原的区域，进行改造后就不 能识别特定的抗原。
(3)经过改造的人鼠嵌合抗体，与鼠单克隆抗体相比较，突出
的优点是什么 (从免疫角度考虑)
提示：降低诱发免疫反应的强度，对人体的不良反应减少。 (4)人鼠嵌合抗体制造过程中对科学家最大的挑战是什么 提示：设计嵌合抗体的空间结构。
即时应用 2.科学家选取纤维素酶分子中若干个氨基酸位点作为改造点，结合中心 法则原理，构建了“小而精”的突变体文库，最终获得催化效率更高的纤 维素酶分子。下列说法错误的是( ) A.改造纤维素酶分子的前提是已知纤维素酶的氨基酸序列及其空间结构 B.该过程设计出的高效纤维素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质 C.该过程的实质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造 D./纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同
解析：改造纤维素酶分子，属于蛋白质工程，需要已知纤
维素酶的氨基酸序列及其空间结构；设计出的高效纤维 素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质；该过程的实 质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造；纤维素酶 和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向 相同。
联系实际 ·迁移应用
由血栓引起的心脑血管疾病给人类健康造成极大危害，溶栓
疗法是治疗血栓的重要措施。组织型纤溶酶原激活剂 (t-PA)能激活纤溶酶原转化为纤溶酶，将沉积在血管内的纤 维蛋白溶解，而保持血管畅通。但t-PA用于溶栓治疗时具有 一定的局限性，它进入血浆后大部分与血浆纤溶酶原激活抑 制剂形成复合物，并迅速失去活性。利用现代生物工程技术 生产的改造型t-PA, 可以消除上述缺点，增加溶栓效能、减 少药用剂量和降低副作用等。
探究：(1)对t-PA进行改造一般需要通过哪种生物工程技术
实现
提示：蛋白质工程。
(2)试提出一种对t-PA进行改造的思路。
提示：预期改造型t-PA的功能→设计改造型t-PA 的结构→ 推测应有的氨基酸序列→找到并改变t-PA 基因中的脱氧核 苷酸序列→获得改造型t-PA。
课堂小结
按照人类需求改造现有蛋白
质或制造一种新的蛋白质
与中心法则相反
研发药物、改进酶的性能、 研发新的工业用酶等
崛起的缘由
基本原理
应用
蛋白质工程
随堂检测
1.某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构功能 相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发 成一种片剂，临床用于治疗食物消化不良，最佳方案是( )
A.利用蛋白质工程对此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功能
B.将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶
C.重新设计与创造一种全新的蛋白酶
D.减少此酶在片剂中的含量
解析：要提高该酶的热稳定性，可以采用蛋白质工程技术 替换此酶中的少数氨基酸，以改善其功能；蛋白质之间不 能进行简单的拼接；只需将此酶进行改造即可，不需重新 设计与创造一种新蛋白酶；减少此酶的含量会影响疗效， 且剩余的酶仍然容易失效。
2.下图表示蛋白质工程的操作过程，相关说法不正确的是( )
A.a、b过程分别是转录、翻译
B.蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作
C./蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术
D.蛋白质工程中可能构建出一种全新的基因
基因 DNA 合成 氨基酸序列 分子设计 蛋白质 -预期功能
DNA al mRNA 多肽链 折叠 三维结构 生物功能
解析：a 过程是以DNA的一条链为模板合成mRNA的转录过 程，b过程是以mRNA为模板合成具有一定氨基酸序列多 肽链的翻译过程；蛋白质工程需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，因此对蛋白质分子 结构的了解是非常关键的工作；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。
3.蛋白质工程是当前的新兴分子生物学技术，通过改造或合成基因，来
改造现有的蛋白质或制造新的蛋白质，以满足人类生产、生活的需求。 下列关于蛋白质工程的说法错误的是( )
A.蛋白质工程技术会改变组成蛋白质的氨基酸的种类、数目和排列 顺序
B.蛋白质工程获得的蛋白质都是自然界已存在的蛋白质(天然蛋白质) C.蛋白质工程不直接改造蛋白质的原因是改造基因易于操作且改造后 可遗传
D.蛋白质工程生产出来的蛋白质的品质优于天然蛋白质
解析：蛋白质工程技术是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，会改变组成蛋白质的氨基酸的种类、 数目和排列顺序；基因工程获得的蛋白质都是自然界已存在的蛋 白质(天然蛋白质),而蛋白质工程是根据人们的需求通过改造或 合成基因来改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质；蛋白质工程 不直接改造蛋白质的原因是改造基因易于操作且改造后可遗传； 蛋白质工程生产出来的蛋白质在天然蛋白质的基础上经过改造， 品质更加优良。
4.赖氨酸是人体的必需氨基酸，而玉米等谷类食物中赖氨酸含量
却很低。科学家已成功地利用转基因技术改良玉米，提高其赖氨 酸含量。回答下列问题。
(1)从基因控制性状的两种方式考虑，提高玉米赖氨酸含量的途 径有两种：一是将富含赖氨酸的蛋白质_编码基因导入玉米并进 行正常表达；二是 提高赖氨酸合成酶活性(或降低赖氨酸分解
酶 活 性 )以提高细胞中游离赖氨酸含量。
(2)要完成这一精确的转基因工程，获取目的基因后还需
借助限制性内切核酸酶(或限制酶)和DNA连接酶(填工具酶) 构建基因表达载体，再将表达载体导入受体细胞。受体细胞 可用已分化的玉米体细胞，原因是已分化的植物体细胞
具有全能性，可通过植物组织培养技术获得转基因植株 (或植物细胞具有全能性) 0
(3)研究发现，玉米中赖氨酸含量低的原因是赖氨酸合成
过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧 酸合成酶受细胞内赖氨酸的浓度影响。推测，高浓度赖氨 酸 抑制 天冬氨酸激酶的活性，这属于负反馈(或反馈) 调节机制。为降低天冬氨酸激酶对赖氨酸的敏感性，可将 天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，这属于 蛋白质 工程范畴。
解析：(3)由于赖氨酸合成过程中的两种关键酶受细胞 内赖氨酸的浓度影响，导致玉米中赖氨酸含量低，推测， 高浓度赖氨酸抑制天冬氨酸激酶的活性，这属于负反馈 调节机制。为降低天冬氨酸激酶对赖氨酸的敏感性， 可将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸， 这属于蛋白质工程范畴。
学习目标
素养定位
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
1.说明基因的碱基排列顺序— 蛋白质的结构一蛋白质功能的 关系。(生命观念)
2.尝试通过蛋白质工程技术，根 据人类需要的蛋白质结构，设计 改造某一蛋白质的设计流程。
(科学思维)
3.举例说出蛋白质工程的进展 和前景。(社会责任)
预习案 · 自主学习
梳理必备知识，储备素养根基
与基因工是在基因工程的 基 础 上 ，延伸出来
程的关系的第二代基因工程
基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能
的关系
改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质
满足人类生产和生活的需求
一 、蛋白质工程的概念理解
改造或合成基 因
结果
目的
蛋白质工程
操作方法
二、蛋白质工程崛起的缘由 1.崛起缘由
(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。
(2)基因工程的不足：基因工程原则上只能生产自然界中已存在_的 蛋白质。
(3)天然蛋白质的不足：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.实例——提高玉米中赖氨酸含量
天冬氨酸激酶中第352位的 苏氨酸
改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。
二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的 天冬酰胺
改造 异亮氨酸
改造异亮氨酸
三、蛋白质工程的基本原理
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.方法：改 造 或 合成基因 0
3.流程：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。
四、蛋白质工程的应用
1.在医药工业方面的应用
(1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造胰岛素基因 实现了
对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将 它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，研发 出速效胰岛素类似物。
(2)提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个 半胱氨酸 变成 丝氨酸 ,提高了干扰素的保存时间。
(3)改造抗体：将小鼠抗体上 结合抗原的区域 “嫁接”到人的
抗体上，降低了诱发 免疫反应的强度 0
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枯草 杆菌蛋白酶的多种 突变体 0
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白质工程尝试改造某些参与 调控 光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率；改造微生物蛋白质的 结构，使它防治病虫害的效果增强。
(1)蛋白质工程能生产自然界中不存在的新型蛋白质分子。 ( √ )
(2)基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。( × ) 提示：基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则。
(3)由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计 改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。( √ )
(4)根据某多肽链的一段氨基酸序列，可以很容易地确定控制该多 肽链合成的基因的脱氧核苷酸序列。(× ) 提示：由于密码子的简并性，根据某多肽链的一段氨基酸序列，不能 确定基因的脱氧核苷酸序列。 (5)通过蛋白质工程来改造现有蛋白质需要改变蛋白质分子的所有 氨基酸序列。( × ) 提示：蛋白质工程不需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列，只需 要在某些位点上进行改变。 (6)蛋白质工程常借助计算机建立蛋白质的三维结构模型。( √ )
2 探究案 ·互动探究
逐点击破疑难，提升关键能力
新知探究一蛋白质工程的基本原理
问题情境
资料：蛋白质工程的目标是生产出符合人类生产和生活需要的蛋白 质，甚至是自然界不存在的蛋白质。
结合图示回答有关问题。
C
EmRNAD
设计
行使
蛋白质 (三维 结构)
A
生物 功能
B
多肽链
推测
折叠
目的 基因
(1)写出流程图中字母代表的含义：
A.预期功能;B. 氨基酸序列; C.改造或合成 ;D. 转录 E. 翻译。
(2)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。
提示：不唯一，因为决定一种氨基酸的密码子往往不止一种，因此获 得的基因总的碱基序列有多种。
(3)对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分
子进行操作，还是通过对基因的操作来实现 原因是什么 提示：应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造。 主要原因是①蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结 构相对简单，容易改造；②改造后的基因可以遗传给下一 代，被改造的蛋白质无法遗传。
(4)蛋白质工程和基因工程的操作对象以及得到的蛋白质
相同吗 分别体现在哪些方面
提示：不同。①操作对象不同：蛋白质工程的操作对象是 天然基因改造后的基因，或新合成的基因；基因工程的操 作对象是天然基因。②得到的蛋白质不同：蛋白质工程可 以得到自然界没有的新的蛋白质；基因工程得到的是自然 界原有的蛋白质。
项目 蛋白质工程
基因工程
过程 预期蛋白质功能→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
归纳总结
蛋白质工程与基因工程的比较
实质 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
将一种生物的基
因转移到另一种
生物体内，后者产 生它本不能产生
的蛋白质
结果 可生产自然界没 有的蛋白质
只能生产自然界 已有的蛋白质
即 时 应 用
1.T4 溶菌酶在温度较高时易失去活性，研究人员对编码T4溶菌酶的基因进行 改造，使T4溶菌酶的第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的 半胱氨酸之间形成了一个二硫键，提高了T4溶菌酶的耐热性。下列叙述正确
的是( )
A.T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸种类和数量发生了改变 B.T4 溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，自然界中的酶都可通过蛋白质工 程进行改造
C.蛋白质工程获取目的基因的过程与中心法则的流动方向一致
D.若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变，蛋白质的功能也会受到影响
解析：T4溶菌酶耐热性提高的原因是组成该酶的氨基酸
种类及空间结构发生了改变；T4溶菌酶的改造属于蛋白 质工程的范畴，自然界中的酶大多数是蛋白质，少数是 RNA,蛋白质工程只能用于改造蛋白质类酶；蛋白质工程 获取目的基因的过程与中心法则的流动方向相反；结构 决定功能，若高温使蛋白质分子的空间结构发生改变， 则蛋白质的功能也会受到影响。
资料：小鼠单克隆抗体的制备比较简单，但这种
鼠源性的单克隆抗体会被人的免疫系统排斥， 不能直接用于人体。嵌合抗体就是保留鼠单克 隆抗体的可变区，而用人抗体的恒定区替换鼠 单克隆抗体的恒定区，这种嵌合抗体的抗原性 显著下降，而抗体的特异识别功能没有丧失。
目前，已有多种嵌合抗体用于临床治疗。
人鼠嵌合抗体
鼠抗体
L:轻链 H: 重链
新知探究二蛋白质工程的应用
问 题 情 境
人抗体
恒定区
可 变 区
(1)通过改造鼠单克隆抗体，生产人鼠嵌合抗体，属于哪种
生物工程的范畴 该抗体的化学本质是什么
提示：蛋白质工程；蛋白质。
(2)蛋白质改造时，为什么改造恒定区而不是可变区
提示：可变区是特异性识别抗原的区域，进行改造后就不 能识别特定的抗原。
(3)经过改造的人鼠嵌合抗体，与鼠单克隆抗体相比较，突出
的优点是什么 (从免疫角度考虑)
提示：降低诱发免疫反应的强度，对人体的不良反应减少。 (4)人鼠嵌合抗体制造过程中对科学家最大的挑战是什么 提示：设计嵌合抗体的空间结构。
即时应用 2.科学家选取纤维素酶分子中若干个氨基酸位点作为改造点，结合中心 法则原理，构建了“小而精”的突变体文库，最终获得催化效率更高的纤 维素酶分子。下列说法错误的是( ) A.改造纤维素酶分子的前提是已知纤维素酶的氨基酸序列及其空间结构 B.该过程设计出的高效纤维素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质 C.该过程的实质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造 D./纤维素酶和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向不同
解析：改造纤维素酶分子，属于蛋白质工程，需要已知纤
维素酶的氨基酸序列及其空间结构；设计出的高效纤维 素酶分子可能是自然界中不存在的蛋白质；该过程的实 质是对纤维素酶基因在分子水平上进行改造；纤维素酶 和高效纤维素酶在细胞内合成过程中遗传信息的流向 相同。
联系实际 ·迁移应用
由血栓引起的心脑血管疾病给人类健康造成极大危害，溶栓
疗法是治疗血栓的重要措施。组织型纤溶酶原激活剂 (t-PA)能激活纤溶酶原转化为纤溶酶，将沉积在血管内的纤 维蛋白溶解，而保持血管畅通。但t-PA用于溶栓治疗时具有 一定的局限性，它进入血浆后大部分与血浆纤溶酶原激活抑 制剂形成复合物，并迅速失去活性。利用现代生物工程技术 生产的改造型t-PA, 可以消除上述缺点，增加溶栓效能、减 少药用剂量和降低副作用等。
探究：(1)对t-PA进行改造一般需要通过哪种生物工程技术
实现
提示：蛋白质工程。
(2)试提出一种对t-PA进行改造的思路。
提示：预期改造型t-PA的功能→设计改造型t-PA 的结构→ 推测应有的氨基酸序列→找到并改变t-PA 基因中的脱氧核 苷酸序列→获得改造型t-PA。
课堂小结
按照人类需求改造现有蛋白
质或制造一种新的蛋白质
与中心法则相反
研发药物、改进酶的性能、 研发新的工业用酶等
崛起的缘由
基本原理
应用
蛋白质工程
随堂检测
1.某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构功能 相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发 成一种片剂，临床用于治疗食物消化不良，最佳方案是( )
A.利用蛋白质工程对此酶中的少数氨基酸替换，以改善其功能
B.将此酶与人蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶
C.重新设计与创造一种全新的蛋白酶
D.减少此酶在片剂中的含量
解析：要提高该酶的热稳定性，可以采用蛋白质工程技术 替换此酶中的少数氨基酸，以改善其功能；蛋白质之间不 能进行简单的拼接；只需将此酶进行改造即可，不需重新 设计与创造一种新蛋白酶；减少此酶的含量会影响疗效， 且剩余的酶仍然容易失效。
2.下图表示蛋白质工程的操作过程，相关说法不正确的是( )
A.a、b过程分别是转录、翻译
B.蛋白质工程中对蛋白质分子结构的了解是非常关键的工作
C./蛋白质工程是完全摆脱基因工程技术的一项全新的生物工程技术
D.蛋白质工程中可能构建出一种全新的基因
基因 DNA 合成 氨基酸序列 分子设计 蛋白质 -预期功能
DNA al mRNA 多肽链 折叠 三维结构 生物功能
解析：a 过程是以DNA的一条链为模板合成mRNA的转录过 程，b过程是以mRNA为模板合成具有一定氨基酸序列多 肽链的翻译过程；蛋白质工程需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，因此对蛋白质分子 结构的了解是非常关键的工作；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。
3.蛋白质工程是当前的新兴分子生物学技术，通过改造或合成基因，来
改造现有的蛋白质或制造新的蛋白质，以满足人类生产、生活的需求。 下列关于蛋白质工程的说法错误的是( )
A.蛋白质工程技术会改变组成蛋白质的氨基酸的种类、数目和排列 顺序
B.蛋白质工程获得的蛋白质都是自然界已存在的蛋白质(天然蛋白质) C.蛋白质工程不直接改造蛋白质的原因是改造基因易于操作且改造后 可遗传
D.蛋白质工程生产出来的蛋白质的品质优于天然蛋白质
解析：蛋白质工程技术是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，会改变组成蛋白质的氨基酸的种类、 数目和排列顺序；基因工程获得的蛋白质都是自然界已存在的蛋 白质(天然蛋白质),而蛋白质工程是根据人们的需求通过改造或 合成基因来改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质；蛋白质工程 不直接改造蛋白质的原因是改造基因易于操作且改造后可遗传； 蛋白质工程生产出来的蛋白质在天然蛋白质的基础上经过改造， 品质更加优良。
4.赖氨酸是人体的必需氨基酸，而玉米等谷类食物中赖氨酸含量
却很低。科学家已成功地利用转基因技术改良玉米，提高其赖氨 酸含量。回答下列问题。
(1)从基因控制性状的两种方式考虑，提高玉米赖氨酸含量的途 径有两种：一是将富含赖氨酸的蛋白质_编码基因导入玉米并进 行正常表达；二是 提高赖氨酸合成酶活性(或降低赖氨酸分解
酶 活 性 )以提高细胞中游离赖氨酸含量。
(2)要完成这一精确的转基因工程，获取目的基因后还需
借助限制性内切核酸酶(或限制酶)和DNA连接酶(填工具酶) 构建基因表达载体，再将表达载体导入受体细胞。受体细胞 可用已分化的玉米体细胞，原因是已分化的植物体细胞
具有全能性，可通过植物组织培养技术获得转基因植株 (或植物细胞具有全能性) 0
(3)研究发现，玉米中赖氨酸含量低的原因是赖氨酸合成
过程中的两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧 酸合成酶受细胞内赖氨酸的浓度影响。推测，高浓度赖氨 酸 抑制 天冬氨酸激酶的活性，这属于负反馈(或反馈) 调节机制。为降低天冬氨酸激酶对赖氨酸的敏感性，可将 天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，这属于 蛋白质 工程范畴。
解析：(3)由于赖氨酸合成过程中的两种关键酶受细胞 内赖氨酸的浓度影响，导致玉米中赖氨酸含量低，推测， 高浓度赖氨酸抑制天冬氨酸激酶的活性，这属于负反馈 调节机制。为降低天冬氨酸激酶对赖氨酸的敏感性， 可将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸， 这属于蛋白质工程范畴。