3-4 蛋白质工程的原理和应用 课件（24张PPT）高中生物学人教版（2019）选择性必修三
文档属性
| 名称 | 3-4 蛋白质工程的原理和应用 课件（24张PPT）高中生物学人教版（2019）选择性必修三 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 10.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2025-01-17 20:25:35 | ||
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文档简介
(共24张PPT)
§3-4 蛋白质工程的原理和应用
基因工程
从社会中来
你见过用细菌画画吗？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。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
用细菌“画”的画
蛋白质工程
它是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程。
定 义
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。
设计基础
方法
结果
目的
蛋白质工程
发展情况
随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程取得了很大的进展。
研究意义
目前，它已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于农业、医药工业和其他工业生产中。
蛋白质工程崛起的缘由
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。
基因工程生产的蛋白质的特点
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
举 例
利用蛋白质工程提高玉米中赖氨酸的含量：
玉米中赖氨酸含量低的原因：
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的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。
方法：
将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的目标
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。
改造方法
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。
蛋白质工程的基本原理
天然蛋白质合成过程
是按照中心法则进行的：
基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定氨基酸序列的多肽链
多肽链形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。
蛋白质工程的基本原理
目的基因
mRNA
多肽链
蛋白质
（三维结构）
预期功能
生物功能
设计
推测
改造
或合成
行使
折叠
翻译
转录
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。
【思考·讨论】蛋白质工程基本思路的应用
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
……
……
每种氨基酸都有对应的密码子，只要査一下密码子表，就可以将题中的氨基酸序列的编码序列査出来。但是由于题中的氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码的，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出32种，可以让学生根据学过的排列组合的知识自己排列一下。首先应该根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C，或A，或G) UGGAAA(或GGAA(或G)UUU(或C)，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)ACTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)。
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。
【思考·讨论】蛋白质工程基本思路的应用
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
……
……
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。
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
学科交叉
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，分析晶体的结构；
要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
蛋白质的
三维结构模型
蛋白质工程的应用
医药工业
速效胰岛素类似物的研发
问题：天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。
原理：研究人员解析人胰岛素晶体结构发现，人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。
S
S
H2N
COOH
S
S
COOH
H2N
S
S
A链
B链
1
21
1
30
人胰岛素分子组成示意图
速效胰岛素类似物的研发
S
S
H2N
COOH
S
S
COOH
H2N
S
S
A链
B链
1
21
1
30
人胰岛素分子组成示意图
医药工业
成果：科学家已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位脯氨酸替换为天门冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。
延长干扰素的保存时间
医药工业
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在－70℃的条件下，干扰素可以保存半年。
人鼠抗体的“嫁接”
医药工业
问题：小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。
解决方法：科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
其他工业
研究方向：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。
举例——枯草杆菌蛋白酶：
作用：水解蛋白质
用途：常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
成果：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。
农业方面
科学家正在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，增加粮食的产量。
科学家利用蛋白质工程的思路来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。
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？
【提示】理论上讲可以，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入的研究。
发 展
蛋白质工程的发展和展望
难度很大，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。
展 望
我们相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
到社会中去
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
【提示】酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面：由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
蛋白质组计划
你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？
【提示】人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”;另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”;由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院土牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究,解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱、两图、三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图。“三库”则是建立符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
预习：转基因产品的安全性
本课学习结束
§3-4 蛋白质工程的原理和应用
基因工程
从社会中来
你见过用细菌画画吗？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。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的。
用细菌“画”的画
蛋白质工程
它是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程。
定 义
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。
设计基础
方法
结果
目的
蛋白质工程
发展情况
随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程取得了很大的进展。
研究意义
目前，它已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于农业、医药工业和其他工业生产中。
蛋白质工程崛起的缘由
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。
基因工程生产的蛋白质的特点
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
举 例
利用蛋白质工程提高玉米中赖氨酸的含量：
玉米中赖氨酸含量低的原因：
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的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。
方法：
将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程的目标
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。
改造方法
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。
蛋白质工程的基本原理
天然蛋白质合成过程
是按照中心法则进行的：
基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定氨基酸序列的多肽链
多肽链形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。
蛋白质工程的基本原理
目的基因
mRNA
多肽链
蛋白质
（三维结构）
预期功能
生物功能
设计
推测
改造
或合成
行使
折叠
翻译
转录
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。
【思考·讨论】蛋白质工程基本思路的应用
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
……
……
每种氨基酸都有对应的密码子，只要査一下密码子表，就可以将题中的氨基酸序列的编码序列査出来。但是由于题中的氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码的，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出32种，可以让学生根据学过的排列组合的知识自己排列一下。首先应该根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C，或A，或G) UGGAAA(或GGAA(或G)UUU(或C)，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)ACTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)。
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。
【思考·讨论】蛋白质工程基本思路的应用
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
……
……
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。
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
学科交叉
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，分析晶体的结构；
要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
蛋白质的
三维结构模型
蛋白质工程的应用
医药工业
速效胰岛素类似物的研发
问题：天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。
原理：研究人员解析人胰岛素晶体结构发现，人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。
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人胰岛素分子组成示意图
速效胰岛素类似物的研发
S
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A链
B链
1
21
1
30
人胰岛素分子组成示意图
医药工业
成果：科学家已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位脯氨酸替换为天门冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用。
延长干扰素的保存时间
医药工业
将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在－70℃的条件下，干扰素可以保存半年。
人鼠抗体的“嫁接”
医药工业
问题：小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低。
解决方法：科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多。
其他工业
研究方向：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。
举例——枯草杆菌蛋白酶：
作用：水解蛋白质
用途：常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
成果：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。
农业方面
科学家正在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，增加粮食的产量。
科学家利用蛋白质工程的思路来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。
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？
【提示】理论上讲可以，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入的研究。
发 展
蛋白质工程的发展和展望
难度很大，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。
展 望
我们相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
到社会中去
酶制剂在食品工业、医药工业等方面都有广泛的应用。现在，酶制剂的生产已经形成一个市场可观的新兴产业。蛋白质工程的应用又为酶制剂产业的发展提供了强大助力。请查阅资料，了解我国酶制剂产业发展的现状和趋势，分析蛋白质工程在酶制剂产业中的作用。
【提示】酶用作工业催化剂，比无机催化剂具有更大的优越性，主要体现在以下几个方面：由于酶促反应能在常温、常压和中性pH条件下进行，因此可以节省大量的能源和设备投资；生产过程中不会造成严重的污染，符合环境保护的要求；生产过程简单、效率高，产品质量好，生产成本低。因此，酶制剂在工业领域得到了广泛的应用。近年来，通过引进国外先进设备、优良菌种以及开发新型酶制剂，我国酶制剂产业保持了较快的增长态势，品种越来越丰富，产品的市场竞争力也在不断提升。2016年，我国工业酶制剂年产量达120万吨，年增长率保持在10%左右。在全球范围内，我国酶制剂的市场份额已占到了30%左右，我国进入酶制剂生产大国的行列。在酶制剂产业中，蛋白质工程被广泛用于开发酶的新品种或改进酶的性能，如提高酶的热稳定性，增加某些被用作去污剂的酶的去污效率等。
蛋白质组计划
你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？
【提示】人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”;另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”;由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院土牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划。它的目标是通过对肝脏蛋白质高通量、规模化的研究,解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义，为重大肝病的预防、诊断、治疗和新药的研发提供重要的科学依据。2010年，该计划“两谱、两图、三库”的目标初步实现。我国科学家完成了人类肝脏蛋白质组表达谱和修饰谱，绘制了蛋白质相互作用连锁图和定位图。“三库”则是建立符合国际标准的肝脏标本库、发展规模化抗体制备技术并建立肝脏蛋白质抗体库和建立完整的肝脏蛋白质组数据库。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。
预习：转基因产品的安全性
本课学习结束