人教版生物选择性必修3 3.4 蛋白质工程的原理和应用(共25张PPT)
文档属性
| 名称 | 人教版生物选择性必修3 3.4 蛋白质工程的原理和应用(共25张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 3.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2024-12-22 07:58:28 | ||
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文档简介
(共25张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
学习目标
（1）结合中心法则有关知识，说明蛋白质工程的基本原理
（2）基于蛋白质工程的实例，采用模型建构方法，表示蛋白质工程的基本思路
（3）尝试通过蛋白质工程技术，运用逆向思维设计或改造某一蛋白质（人胰岛素）的设计流程
资料一 20世纪80年代，以基因重组技术为基石的人胰岛素应运而生，高度纯化的人胰岛素对于血糖的控制更加准确，因此很快取代了第一代的动物胰岛素
1、根据中心法则，说出由胰岛素基因合成胰岛素的过程
2、回顾通过基因工程生产人胰岛素的流程
胰岛素基因 mRNA 胰岛素
资料2
人体内，胰岛素的含量通常在进食后30-60分钟就达到高峰，而目前使用的基因工程生产的胰岛素制剂，注射120分钟才出现高峰。
研究发现，胰岛素分子容易聚合成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往需要经历一个逐渐解聚为单体的过程。
胰岛素六聚体
胰岛素单体
起效慢
基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，这些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。
蛋白质工程崛起的缘由
基本思路？
胰岛素的分子结构示意图
→ 空间结构
→ 氨基酸序列
功能
利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术手段，充分了解胰岛素的空间结构。
起效慢
如何改？
资料3：科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。
脯氨酸
天冬氨酸
讨论1：要有效抑制胰岛素的聚合，使应该如何对改造？
方案1：直接改造胰岛素上的氨基酸
方案2：对胰岛素基因进行改造
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传
课堂活动1：已知天然胰岛素β链27-29位氨基酸序列如下所示
苏氨酸
脯氨酸
赖氨酸
β
（1）、利用材料包中的彩色卡纸（密码子），在课堂活动纸拼出该序列对应的mRNA序列（根据手中材料尽可能多种），分析出现多种情况的原因
（2）、根据学案已知密码子，写出对应的基因片段的碱基序列
（3）当脯氨酸被天冬氨酸替换后，基因的模板链发生的变化为
六聚体
单体
苏氨酸 脯氨酸 赖氨酸
（ACU CCC AAG）
苏氨酸 天冬氨酸 赖氨酸
(ACU GAC AAG)
基因
mRNA
氨基酸
胰岛素
课堂活动1：根据已知密码子，写出对应的基因片段的碱基序列
①②
①②
ACU CCC AAG
ACU GAC AAG
ACT CCC AAG
TGA GGG TTC
ACT GAC AAG
TGA CTG TTC
如何改造基因？
资料4：科学家运用PCR技术可以改变目的基因上特定位点的核苷酸，实现定点突变。
常规下游引物
课堂活动2：根据活动1结果设计引物部分碱基序列
G A C A A G
C T G T T C
G A C A A G
C T G T T C
C T G T T C
G A C A A G
1
课堂活动3：基于前面的思考和活动，请同学们梳理总结出研发速效胰岛素的流程图。
胰岛素的新功能—3
速效胰岛素的三维结构—6
预测多肽链的氨基酸序列—2
速效胰岛素基因的碱基序列—1
生成第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸的多肽链—4
速效胰岛素—5
新基因—7
胰岛素的新功能—3
速效胰岛素的三维结构—6
多肽链的氨基酸序列—2
速效胰岛素基因的碱基序列—1
生成第28位脯氨酸替换为天冬氨酸的多肽链—4
速效胰岛素—5
新基因—7
预期
设计
推测
推测
合成或改造
表达
折叠
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。
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
基因
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
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
蛋白质工程
①基础：
②操作对象：
③操作手段：
④目的：
⑤地位：
改造或合成基因
阅读课本P93，并总结以下问题
课堂活动4：根据蛋白质工程的概念及基本思路归纳概括
（1）、 蛋白质工程的基本思路与基因工程的不同点？
（2）、如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
基因工程是遵循中心法则，DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
蛋白质工程的思路：
确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，创造出自然界不存在的蛋白质
（1）、蛋白质工程的基本思路与基因工程的不同点？
（2）、如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
应用1
干扰素可以用于治疗癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么，其在－70 ℃条件下可保存半年，这需要利用蛋白质工程来完成。
蛋白质工程的应用
“生”在基因，“命”在蛋白
天然干扰素不易保存
预期结构
基因修饰或基因合成
基因的脱氧核苷酸序列
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
延长保存时间
设计
蛋白质三维结构，将一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
应用2：降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即 区）“嫁接”到人的抗体（即 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。
如何对基因进行改造呢
可变
恒定
蛋白质工程的难点？
基因融合和基因剪切
蛋白质工程的原理与应用
概念
基础
手段
目的
操作对象
基本思路
应用
医药工业
农业
其他方面
本节小结
崛起
1、科学家利用基因定点突变技术，对枯草杆菌碱性蛋白酶BAPB92第188、239和262位氨基酸残基进行改造，构建了突变体BAPB92（A188P）、BAPB92（Q239R）和BAPB92（A188P/V262I）。相对于野生型，BAPB92（A188P）酶活力提高了2.6倍，BAPB92（Q239R）酶活力提高了2.5倍，BAPB92（A188P/V262I）酶活力提高了3.3倍，并且突变体蛋白酶的热稳定性和耐碱情况均得到较大提高。下列相关叙述正确的是（ ）
A．碱性蛋白酶BAPB92的改造无需设计蛋白酶突变体的结构
B．水解替换酶BAPB92第188位的氨基酸可获得突变体BAPB92（A188P）
C．枯草杆菌碱性蛋白酶的改造工程遵循的原理是基因重组
D．三种突变体中BAPB92（A188P/V262I）降低反应活化能的效果最显著
D
2、科研人员利用乳腺生物反应器表达重组人溶菌酶，使生产出的牛奶含有高抑菌活性的溶菌酶，实现营养、药用双重功能。回答下列问题：
(1)科研人员根据人溶菌酶的氨基酸序列
合成人溶菌酶基因，其步骤是 ，依据
氨基酸序列推测得到的目的基因碱基序
列有多种的原因是 。
为了便于将目的基因与运载体结合，需要在目的基因的两端添加限制酶识别的序列，与选用EcoRⅠ识别序列相比，选择BamHⅠ和HindⅢ识别序列的优点是 。
先推测氨基酸序列对应的mRNA序列，再推测对应的基因序列
密码子具有简并性
可防止目的基因和运载体的自身环化
2000年，首个长效胰岛素―—甘精胰岛素获批应用于临床，成功填补了“理想基础胰岛素”的空白，其使用平稳无峰，能更好的模拟生理性胰岛素分泌，是目前临床常用的基础胰岛素。
2005年，另一种长效胰岛素――地特胰岛素获批，其通过与外周血蛋白可逆性结合而延长作用时间。
2015年，新型长效胰岛素――德谷胰岛素
和改进后的甘精胰岛素相继问世。
2017年和2020年，超速效门冬胰岛素
和超速效赖脯胰岛素在国外上市。
问题：（1）纵观胰岛素的发展历程，胰岛
素在应用过程中出现了哪些问题
分别怎样解决的 你有什么感悟
（2）搜集资料看看还有哪些新型胰岛素？
拓展应用
第4节 蛋白质工程的原理和应用
学习目标
（1）结合中心法则有关知识，说明蛋白质工程的基本原理
（2）基于蛋白质工程的实例，采用模型建构方法，表示蛋白质工程的基本思路
（3）尝试通过蛋白质工程技术，运用逆向思维设计或改造某一蛋白质（人胰岛素）的设计流程
资料一 20世纪80年代，以基因重组技术为基石的人胰岛素应运而生，高度纯化的人胰岛素对于血糖的控制更加准确，因此很快取代了第一代的动物胰岛素
1、根据中心法则，说出由胰岛素基因合成胰岛素的过程
2、回顾通过基因工程生产人胰岛素的流程
胰岛素基因 mRNA 胰岛素
资料2
人体内，胰岛素的含量通常在进食后30-60分钟就达到高峰，而目前使用的基因工程生产的胰岛素制剂，注射120分钟才出现高峰。
研究发现，胰岛素分子容易聚合成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往需要经历一个逐渐解聚为单体的过程。
胰岛素六聚体
胰岛素单体
起效慢
基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，这些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。
蛋白质工程崛起的缘由
基本思路？
胰岛素的分子结构示意图
→ 空间结构
→ 氨基酸序列
功能
利用X射线晶体衍射，核磁共振等技术手段，充分了解胰岛素的空间结构。
起效慢
如何改？
资料3：科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制胰岛素的聚合，从而获得胰岛素单体。
脯氨酸
天冬氨酸
讨论1：要有效抑制胰岛素的聚合，使应该如何对改造？
方案1：直接改造胰岛素上的氨基酸
方案2：对胰岛素基因进行改造
①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；
②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；
③基因可以遗传，蛋白质无法遗传
课堂活动1：已知天然胰岛素β链27-29位氨基酸序列如下所示
苏氨酸
脯氨酸
赖氨酸
β
（1）、利用材料包中的彩色卡纸（密码子），在课堂活动纸拼出该序列对应的mRNA序列（根据手中材料尽可能多种），分析出现多种情况的原因
（2）、根据学案已知密码子，写出对应的基因片段的碱基序列
（3）当脯氨酸被天冬氨酸替换后，基因的模板链发生的变化为
六聚体
单体
苏氨酸 脯氨酸 赖氨酸
（ACU CCC AAG）
苏氨酸 天冬氨酸 赖氨酸
(ACU GAC AAG)
基因
mRNA
氨基酸
胰岛素
课堂活动1：根据已知密码子，写出对应的基因片段的碱基序列
①②
①②
ACU CCC AAG
ACU GAC AAG
ACT CCC AAG
TGA GGG TTC
ACT GAC AAG
TGA CTG TTC
如何改造基因？
资料4：科学家运用PCR技术可以改变目的基因上特定位点的核苷酸，实现定点突变。
常规下游引物
课堂活动2：根据活动1结果设计引物部分碱基序列
G A C A A G
C T G T T C
G A C A A G
C T G T T C
C T G T T C
G A C A A G
1
课堂活动3：基于前面的思考和活动，请同学们梳理总结出研发速效胰岛素的流程图。
胰岛素的新功能—3
速效胰岛素的三维结构—6
预测多肽链的氨基酸序列—2
速效胰岛素基因的碱基序列—1
生成第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸的多肽链—4
速效胰岛素—5
新基因—7
胰岛素的新功能—3
速效胰岛素的三维结构—6
多肽链的氨基酸序列—2
速效胰岛素基因的碱基序列—1
生成第28位脯氨酸替换为天冬氨酸的多肽链—4
速效胰岛素—5
新基因—7
预期
设计
推测
推测
合成或改造
表达
折叠
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。
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系
基因
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
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
蛋白质工程
①基础：
②操作对象：
③操作手段：
④目的：
⑤地位：
改造或合成基因
阅读课本P93，并总结以下问题
课堂活动4：根据蛋白质工程的概念及基本思路归纳概括
（1）、 蛋白质工程的基本思路与基因工程的不同点？
（2）、如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
基因工程是遵循中心法则，DNA→mRNA→蛋白质→折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
蛋白质工程的思路：
确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→应有的碱基排列，创造出自然界不存在的蛋白质
（1）、蛋白质工程的基本思路与基因工程的不同点？
（2）、如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
应用1
干扰素可以用于治疗癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么，其在－70 ℃条件下可保存半年，这需要利用蛋白质工程来完成。
蛋白质工程的应用
“生”在基因，“命”在蛋白
天然干扰素不易保存
预期结构
基因修饰或基因合成
基因的脱氧核苷酸序列
新干扰素基因
转录
mRNA
折叠
预期功能
行使功能
延长保存时间
设计
蛋白质三维结构，将一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
翻译
多肽链
在-70℃下可以保存半年
应用2：降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即 区）“嫁接”到人的抗体（即 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。
如何对基因进行改造呢
可变
恒定
蛋白质工程的难点？
基因融合和基因剪切
蛋白质工程的原理与应用
概念
基础
手段
目的
操作对象
基本思路
应用
医药工业
农业
其他方面
本节小结
崛起
1、科学家利用基因定点突变技术，对枯草杆菌碱性蛋白酶BAPB92第188、239和262位氨基酸残基进行改造，构建了突变体BAPB92（A188P）、BAPB92（Q239R）和BAPB92（A188P/V262I）。相对于野生型，BAPB92（A188P）酶活力提高了2.6倍，BAPB92（Q239R）酶活力提高了2.5倍，BAPB92（A188P/V262I）酶活力提高了3.3倍，并且突变体蛋白酶的热稳定性和耐碱情况均得到较大提高。下列相关叙述正确的是（ ）
A．碱性蛋白酶BAPB92的改造无需设计蛋白酶突变体的结构
B．水解替换酶BAPB92第188位的氨基酸可获得突变体BAPB92（A188P）
C．枯草杆菌碱性蛋白酶的改造工程遵循的原理是基因重组
D．三种突变体中BAPB92（A188P/V262I）降低反应活化能的效果最显著
D
2、科研人员利用乳腺生物反应器表达重组人溶菌酶，使生产出的牛奶含有高抑菌活性的溶菌酶，实现营养、药用双重功能。回答下列问题：
(1)科研人员根据人溶菌酶的氨基酸序列
合成人溶菌酶基因，其步骤是 ，依据
氨基酸序列推测得到的目的基因碱基序
列有多种的原因是 。
为了便于将目的基因与运载体结合，需要在目的基因的两端添加限制酶识别的序列，与选用EcoRⅠ识别序列相比，选择BamHⅠ和HindⅢ识别序列的优点是 。
先推测氨基酸序列对应的mRNA序列，再推测对应的基因序列
密码子具有简并性
可防止目的基因和运载体的自身环化
2000年，首个长效胰岛素―—甘精胰岛素获批应用于临床，成功填补了“理想基础胰岛素”的空白，其使用平稳无峰，能更好的模拟生理性胰岛素分泌，是目前临床常用的基础胰岛素。
2005年，另一种长效胰岛素――地特胰岛素获批，其通过与外周血蛋白可逆性结合而延长作用时间。
2015年，新型长效胰岛素――德谷胰岛素
和改进后的甘精胰岛素相继问世。
2017年和2020年，超速效门冬胰岛素
和超速效赖脯胰岛素在国外上市。
问题：（1）纵观胰岛素的发展历程，胰岛
素在应用过程中出现了哪些问题
分别怎样解决的 你有什么感悟
（2）搜集资料看看还有哪些新型胰岛素？
拓展应用