第3章 第4节蛋白质工程的原理和应用 课件(共38张PPT1个视频)-2025-2026学年 高中生物 人教版 选择性必修3
文档属性
| 名称 | 第3章 第4节蛋白质工程的原理和应用 课件(共38张PPT1个视频)-2025-2026学年 高中生物 人教版 选择性必修3 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 35.4MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2025-08-04 20:48:50 | ||
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文档简介
(共38张PPT)
第4节 蛋白质工程的原理和应用
第3章 基因工程
生物学
学习目标
①通过实例分析，能够理解蛋白质结构决定其功能，掌握从功能设计—结构优化—基因序列修饰的蛋白质工程核心路径。（生命观念）
②通过实例构建蛋白质工程流程，能够说明基因碱基排列顺序—蛋白质结构—蛋白质功能的关系，并学会运用逆向思维分析和解决问题。（科学思维）
③关注蛋白质工程在医疗、农业等领域的应用，树立科学服务于社会的理念。（社会责任）
学习重难点
重点：
1.蛋白质工程的基本原理。
2.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。
难点：
1.蛋白质工程的基本原理。
2.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。
导入新课
知识回顾：基因工程实例 抗虫棉
1.目的基因的筛选与获取
4.目的基因的检测与鉴定
2.基因表达载体的构建
3.将目的基因导入受体细胞
田间已经发现小菜蛾Plutella xylostella (Linnaeus)对Bt杀虫蛋白产生了抗性。抗虫蛋白存在毒力有限、害虫对Bt抗虫蛋白的抗性上升等诸多问题，严重制约Bt抗虫蛋白在未来农业生产中进一步发挥巨大作用。
如何解决这些问题呢？
小菜蛾
Plutella xylostella (Linnaeus)
蛋白质工程
Bt基因改造：包括密码子的优化、选用增强表达的调控元件和转化策略以及对Bt基因的修饰。
Bt抗虫蛋白改造：氨基酸代换、功能域置换、在特定区域内引入蛋白酶识别或结合位点以及删除N端的部分序列。
蛋白质工程的原理
新课讲授
任务一
2024年诺贝尔奖获得者: 戴维·贝克（David Baker）华盛顿大学蛋白设计研究所、霍华德·休斯医学院
贡献：研发的新技术能够设计在自然界中从未见过的蛋白，包括对于人类疾病具有干预性治疗潜力的新型蛋白。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
资料1.Bt 抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽在碱性环境中与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，使害虫渗透压失衡而死亡。
资料2.Bt抗虫蛋白包含三部分结构，其中结构Ⅰ由多个α螺旋组成，5号α螺旋中央疏水、且其螺旋长度足以跨过 3nm厚的细胞膜的疏水区，而结构Ⅱ 、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域。
资料3.Bt抗虫蛋白结构Ⅰα5 螺旋通过6聚体的形式，即以α5螺旋的亲脂侧向外、亲水侧向内形成亲水离子通道,由于第168位的组氨酸残基存在于疏水表面的中间，对于6聚体的稳定存在非常重要,科研人员尝试用疏水性更强的精氨酸代替组氨酸来对Bt抗虫蛋白进行改造。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
结合以上资料，回答相关问题：
1.结合资料1和2,推测 Bt抗虫蛋白的哪个结构可能与昆虫肠上皮细胞孔道的形成有关，阐述判断依据。
推测：结构Ⅰ可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成。
判断依据：结构Ⅰ由多个α螺旋组成，且其螺旋长度足以跨过 3nm厚的细胞膜的疏水区，而结构Ⅱ 、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
结合以上资料，回答相关问题：
2.结合资料3,推测精氨酸代替组氨酸后,可能会对Bt虫蛋白功能造成什么影响。
可能会对 Bt 抗虫蛋白功能造成的影响：可能会使6聚体的空间结构更加稳定。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
3.从难易程度和可持续性角度考虑，你建议直接对蛋白质进行改造吗 阐述理由。
不建议直接改造蛋白质。
原因：①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大。
②蛋白质无法遗传，基因可以遗传。建议对基因进行改造以持续获得新Bt蛋白。
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
活动1.只改变DNA中一个碱基对，设法将 Bt抗虫蛋白第 168 位组氨酸替换为精氨酸，补充改造过程并总结改造Bt抗虫蛋白基因思路。
提示: CAU是组氨酸的密码子，UUA是亮氨酸的密码子，CUU是丝氨酸的密码子，CGU、CGC、CGA、CGG是精氨酸的密码子 (四种密码子在棉花植株中均可使用)
——亮氨酸——精氨酸——丝氨酸——
——U U A C G U C U U C A U ——
——A A T G C A G A A G T A——
——T T A C G T C T T C A T——
中心法则 逆推
目的基因
改造Bt基因的思路：氨基酸的编码序列
推出mRNA序列
推出脱氧核苷酸序列
【探究活动】改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果。
密码子
碱基互补配对原则
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，从而使Bt抗虫蛋白 第168位组氨酸变为精氨酸？
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。
活动2.利用改造后的Bt基因，获得所需要的Bt抗虫蛋白。
1.完善思路：生产改造后的Bt抗虫蛋白流程
2.构建概念：蛋白质工程
【探究活动】改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
1.完善思路
预期功能
蛋白质
(三维结构)
多肽链
目的基因
mRNA
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
翻译
转录
中心法则的逆推+基因工程
提升抗虫蛋白杀虫效果
改造抗虫蛋白结构
改造抗虫蛋白氨基酸序列
改造抗虫蛋白基因序列
[任务一]蛋白质工程的原理
2.建构概念
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(对象)，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质(实质)，以满足人类生产和生活的需求(目标)。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作流程
结果
实质
联系 【归纳】 蛋白质工程与基因工程的异同
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 操作对象
操作起点
操作流程
结果
实质
联系 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
基因
基因
可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
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
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
预期蛋白质功能
目的基因
【归纳】 蛋白质工程与基因工程的异同
蛋白质工程的应用
新课讲授
任务二
新课讲授
资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。
[任务二]蛋白质工程的应用
1.生产鼠—人嵌合抗体利用了哪种生物工程技术？该工程技术的目的是什么？
蛋白质工程。目的是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。
新课讲授
资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。
[任务二]蛋白质工程的应用
2.对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是直接改造蛋白质本身吗？改造后鼠—人嵌合抗体有什么优点？
直接操作对象是基因，不是蛋白质。
改造后的鼠—人嵌合抗体可以有效降低人体的免疫反应，提高治疗的效果。
新课讲授
资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。
[任务二]蛋白质工程的应用
3.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？
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；对基因的改造通常会用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
应用 实例
医药工业方面
其他工业方面
农业方面
【归纳总结】举例说明蛋白质工程的应用。
改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物
改造干扰素基因，延长保存时间
生产人鼠嵌合抗体，降低了诱发人体免疫反应的强度
改进酶的性能或开发新的工业用酶
改造某些参与调控光合作用的酶
设计优良微生物农药
前景展望：
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。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
新课讲授
[任务二]蛋白质工程的应用
【迁移拓展】T4溶菌酶来源于T4噬菌体，是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸(异亮氨酸的密码子是AUU、AUC、AUA，半胱氨酸的密码子是UGU、UGC)，于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。关于上述过程的叙述错误的是( )
A.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴
B.上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现
C.参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变
D.改造后的T4溶菌酶肽键数不变，二硫键的作用类似于DNA中的氢键
B
新课讲授
[任务二]蛋白质工程的应用
解析 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的，故对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，A正确；蛋白质工程直接改造的对象为基因，B错误；改造前组成T4溶菌酶的氨基酸中就含有半胱氨酸，改造后组成T4溶菌酶的氨基酸中也可能仍含有异亮氨酸，因此参与其合成的tRNA种类可能不变，C正确；改造后的T4溶菌酶替换了一个氨基酸，氨基酸总数不变，且发生替换的两个氨基酸R基上都不含羧基或氨基，所以肽键数不变；二硫键使T4溶菌酶的耐热性提高，DNA分子中氢键越多，热稳定性越强，二者作用类似，D正确。
【练习1】
当堂训练
下图为蛋白质工程操作的基本思路，下列相关叙述正确的是( )
A.图中⑤⑥过程分别是转录、翻译
B.蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质，不需要对基因进行操作
C.根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列是唯一的
D.蛋白质工程的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
解析 图中⑤⑥过程分别是翻译、折叠，④过程是转录，A错误；蛋白质工程是通过合成或改造基因来实现的，可见蛋白质工程是通过对基因进行操作实现的，B错误；一种氨基酸可能对应多种密码子，所以根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列不一定是唯一的，C错误。
【练习1】
【练习2】
科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的氨基酸由苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，这样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。下列对蛋白质的改造，操作正确的是( )
A.直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B.对指导上述两种酶蛋白合成的mRNA进行改造
C.利用诱变育种技术促进上述两种酶蛋白的基因突变
D.利用基因工程技术，对控制上述两种酶蛋白的基因进行改造
D
当堂训练
【练习2】
解析 蛋白质的功能与其高级结构密切相关，而蛋白质的高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质进行改造非常困难，且即使改造成功也不能遗传。由于基因控制蛋白质的合成，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。
【练习3】
水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓，但在治疗过程中发现其抗凝血活性低。研究人员欲提高水蛭素抗凝血活性，正确的操作步骤是( )
①确定影响活性的氨基酸序列 ②分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域 ③推测需要替换的氨基酸序列 ④构建表达载体，使其在受体细胞中表达 ⑤PCR技术获得改造后的水蛭素基因 ⑥确定基因中的碱基序列
A.②①③⑤⑥④ B.②③⑥①⑤④
C.②①③⑥⑤④ D.①②③④⑤⑥
C
当堂训练
【练习3】
解析 运用蛋白质工程技术，先分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域，然后确定影响活性的氨基酸序列，推测需要替换的氨基酸序列，最终确定基因中的碱基序列，据此通过PCR技术获得改造后的水蛭素基因，并构建表达载体，使其在受体细胞中表达，C正确。
【练习4】
（不定项）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在蛋白质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
CD
当堂训练
【练习4】
解析 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，以便推测相应基因中的碱基序列，A正确；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，B正确；该过程的实质是在基因水平对纤维素酶基因在分子水平上进行改造，C错误；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是相同的，D错误。
【练习5】
蛋白质工程是人们根据对蛋白质功能的特定需求，对合成蛋白质的基因的结构进行分子设计、生产的过程。如图是蛋白质工程的基本途径，请回答下列有关问题。
(1)图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有与其对应的________，后者位于________分子上，其上的核糖核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着_____________关系。
当堂训练
密码子
mRNA
碱基互补配对
【练习5】
蛋白质工程是人们根据对蛋白质功能的特定需求，对合成蛋白质的基因的结构进行分子设计、生产的过程。如图是蛋白质工程的基本途径，请回答下列有关问题。
(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上________和________，在这个过程中需要________酶的参与。
(3)完成④过程需要涉及________技术。
当堂训练
启动子
终止子
DNA链接
基因工程
解析 (1)氨基酸由mRNA上的密码子直接决定，而mRNA是以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则转录而来的。
(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列要能表达，需要构建基因表达载体，基因表达载体的组成包括启动子、终止子等，构建基因表达载体需要DNA连接酶将不同的DNA片段连接起来。
(3)推测出相应基因中脱氧核苷酸序列后，可对原有基因进行改造或人工合成新基因，然后将该基因导入受体细胞，以生产大量的基因产物，故完成④过程需要涉及基因工程技术。
【练习5】
课堂小结
请同学们查阅资料，结合所学设计研发速效胰岛素类似物思路。
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。因此，科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。结合教材P95相关知识和自行查阅的资料，设计速效胰岛素类似物的研发思路。
分析蛋白质的晶体结构，找到胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域→确定降低胰岛素分子间作用力的氨基酸序列→推测需要更换的氨基酸序列→找到并改变相应的脱氧核苷酸序列（基因）→获得所需要的速效胰岛素类似物。
谢谢大家
第4节 蛋白质工程的原理和应用
第3章 基因工程
生物学
学习目标
①通过实例分析，能够理解蛋白质结构决定其功能，掌握从功能设计—结构优化—基因序列修饰的蛋白质工程核心路径。（生命观念）
②通过实例构建蛋白质工程流程，能够说明基因碱基排列顺序—蛋白质结构—蛋白质功能的关系，并学会运用逆向思维分析和解决问题。（科学思维）
③关注蛋白质工程在医疗、农业等领域的应用，树立科学服务于社会的理念。（社会责任）
学习重难点
重点：
1.蛋白质工程的基本原理。
2.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。
难点：
1.蛋白质工程的基本原理。
2.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。
导入新课
知识回顾：基因工程实例 抗虫棉
1.目的基因的筛选与获取
4.目的基因的检测与鉴定
2.基因表达载体的构建
3.将目的基因导入受体细胞
田间已经发现小菜蛾Plutella xylostella (Linnaeus)对Bt杀虫蛋白产生了抗性。抗虫蛋白存在毒力有限、害虫对Bt抗虫蛋白的抗性上升等诸多问题，严重制约Bt抗虫蛋白在未来农业生产中进一步发挥巨大作用。
如何解决这些问题呢？
小菜蛾
Plutella xylostella (Linnaeus)
蛋白质工程
Bt基因改造：包括密码子的优化、选用增强表达的调控元件和转化策略以及对Bt基因的修饰。
Bt抗虫蛋白改造：氨基酸代换、功能域置换、在特定区域内引入蛋白酶识别或结合位点以及删除N端的部分序列。
蛋白质工程的原理
新课讲授
任务一
2024年诺贝尔奖获得者: 戴维·贝克（David Baker）华盛顿大学蛋白设计研究所、霍华德·休斯医学院
贡献：研发的新技术能够设计在自然界中从未见过的蛋白，包括对于人类疾病具有干预性治疗潜力的新型蛋白。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
资料1.Bt 抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽在碱性环境中与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，使害虫渗透压失衡而死亡。
资料2.Bt抗虫蛋白包含三部分结构，其中结构Ⅰ由多个α螺旋组成，5号α螺旋中央疏水、且其螺旋长度足以跨过 3nm厚的细胞膜的疏水区，而结构Ⅱ 、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域。
资料3.Bt抗虫蛋白结构Ⅰα5 螺旋通过6聚体的形式，即以α5螺旋的亲脂侧向外、亲水侧向内形成亲水离子通道,由于第168位的组氨酸残基存在于疏水表面的中间，对于6聚体的稳定存在非常重要,科研人员尝试用疏水性更强的精氨酸代替组氨酸来对Bt抗虫蛋白进行改造。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
结合以上资料，回答相关问题：
1.结合资料1和2,推测 Bt抗虫蛋白的哪个结构可能与昆虫肠上皮细胞孔道的形成有关，阐述判断依据。
推测：结构Ⅰ可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成。
判断依据：结构Ⅰ由多个α螺旋组成，且其螺旋长度足以跨过 3nm厚的细胞膜的疏水区，而结构Ⅱ 、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
结合以上资料，回答相关问题：
2.结合资料3,推测精氨酸代替组氨酸后,可能会对Bt虫蛋白功能造成什么影响。
可能会对 Bt 抗虫蛋白功能造成的影响：可能会使6聚体的空间结构更加稳定。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
3.从难易程度和可持续性角度考虑，你建议直接对蛋白质进行改造吗 阐述理由。
不建议直接改造蛋白质。
原因：①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大。
②蛋白质无法遗传，基因可以遗传。建议对基因进行改造以持续获得新Bt蛋白。
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
活动1.只改变DNA中一个碱基对，设法将 Bt抗虫蛋白第 168 位组氨酸替换为精氨酸，补充改造过程并总结改造Bt抗虫蛋白基因思路。
提示: CAU是组氨酸的密码子，UUA是亮氨酸的密码子，CUU是丝氨酸的密码子，CGU、CGC、CGA、CGG是精氨酸的密码子 (四种密码子在棉花植株中均可使用)
——亮氨酸——精氨酸——丝氨酸——
——U U A C G U C U U C A U ——
——A A T G C A G A A G T A——
——T T A C G T C T T C A T——
中心法则 逆推
目的基因
改造Bt基因的思路：氨基酸的编码序列
推出mRNA序列
推出脱氧核苷酸序列
【探究活动】改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果。
密码子
碱基互补配对原则
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，从而使Bt抗虫蛋白 第168位组氨酸变为精氨酸？
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。
活动2.利用改造后的Bt基因，获得所需要的Bt抗虫蛋白。
1.完善思路：生产改造后的Bt抗虫蛋白流程
2.构建概念：蛋白质工程
【探究活动】改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
1.完善思路
预期功能
蛋白质
(三维结构)
多肽链
目的基因
mRNA
设计
推测
改造或合成
行使
折叠
翻译
转录
中心法则的逆推+基因工程
提升抗虫蛋白杀虫效果
改造抗虫蛋白结构
改造抗虫蛋白氨基酸序列
改造抗虫蛋白基因序列
[任务一]蛋白质工程的原理
2.建构概念
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(对象)，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质(实质)，以满足人类生产和生活的需求(目标)。
新课讲授
[任务一]蛋白质工程的原理
项目 蛋白质工程 基因工程
操作对象
操作起点
操作流程
结果
实质
联系 【归纳】 蛋白质工程与基因工程的异同
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 操作对象
操作起点
操作流程
结果
实质
联系 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
基因
基因
可生产自然界没有的蛋白质
可生产自然界已有的蛋白质
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
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
预期蛋白质功能
目的基因
【归纳】 蛋白质工程与基因工程的异同
蛋白质工程的应用
新课讲授
任务二
新课讲授
资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。
[任务二]蛋白质工程的应用
1.生产鼠—人嵌合抗体利用了哪种生物工程技术？该工程技术的目的是什么？
蛋白质工程。目的是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。
新课讲授
资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。
[任务二]蛋白质工程的应用
2.对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是直接改造蛋白质本身吗？改造后鼠—人嵌合抗体有什么优点？
直接操作对象是基因，不是蛋白质。
改造后的鼠—人嵌合抗体可以有效降低人体的免疫反应，提高治疗的效果。
新课讲授
资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。
[任务二]蛋白质工程的应用
3.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？
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；对基因的改造通常会用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
应用 实例
医药工业方面
其他工业方面
农业方面
【归纳总结】举例说明蛋白质工程的应用。
改造胰岛素基因，获得速效胰岛素类似物
改造干扰素基因，延长保存时间
生产人鼠嵌合抗体，降低了诱发人体免疫反应的强度
改进酶的性能或开发新的工业用酶
改造某些参与调控光合作用的酶
设计优良微生物农药
前景展望：
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。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
新课讲授
[任务二]蛋白质工程的应用
【迁移拓展】T4溶菌酶来源于T4噬菌体，是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸(异亮氨酸的密码子是AUU、AUC、AUA，半胱氨酸的密码子是UGU、UGC)，于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。关于上述过程的叙述错误的是( )
A.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴
B.上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现
C.参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变
D.改造后的T4溶菌酶肽键数不变，二硫键的作用类似于DNA中的氢键
B
新课讲授
[任务二]蛋白质工程的应用
解析 对蛋白质分子的设计和改造是通过蛋白质工程来实现的，故对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴，A正确；蛋白质工程直接改造的对象为基因，B错误；改造前组成T4溶菌酶的氨基酸中就含有半胱氨酸，改造后组成T4溶菌酶的氨基酸中也可能仍含有异亮氨酸，因此参与其合成的tRNA种类可能不变，C正确；改造后的T4溶菌酶替换了一个氨基酸，氨基酸总数不变，且发生替换的两个氨基酸R基上都不含羧基或氨基，所以肽键数不变；二硫键使T4溶菌酶的耐热性提高，DNA分子中氢键越多，热稳定性越强，二者作用类似，D正确。
【练习1】
当堂训练
下图为蛋白质工程操作的基本思路，下列相关叙述正确的是( )
A.图中⑤⑥过程分别是转录、翻译
B.蛋白质工程的直接操作对象是蛋白质，不需要对基因进行操作
C.根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列是唯一的
D.蛋白质工程的目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
D
解析 图中⑤⑥过程分别是翻译、折叠，④过程是转录，A错误；蛋白质工程是通过合成或改造基因来实现的，可见蛋白质工程是通过对基因进行操作实现的，B错误；一种氨基酸可能对应多种密码子，所以根据蛋白质的氨基酸序列推测出的mRNA的碱基序列不一定是唯一的，C错误。
【练习1】
【练习2】
科学家为提高玉米中赖氨酸含量，计划将天冬氨酸激酶中第352位的氨基酸由苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬酰胺变成异亮氨酸，这样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。下列对蛋白质的改造，操作正确的是( )
A.直接改造上述两种蛋白质的空间结构
B.对指导上述两种酶蛋白合成的mRNA进行改造
C.利用诱变育种技术促进上述两种酶蛋白的基因突变
D.利用基因工程技术，对控制上述两种酶蛋白的基因进行改造
D
当堂训练
【练习2】
解析 蛋白质的功能与其高级结构密切相关，而蛋白质的高级结构又非常复杂，所以直接对蛋白质进行改造非常困难，且即使改造成功也不能遗传。由于基因控制蛋白质的合成，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。
【练习3】
水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓，但在治疗过程中发现其抗凝血活性低。研究人员欲提高水蛭素抗凝血活性，正确的操作步骤是( )
①确定影响活性的氨基酸序列 ②分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域 ③推测需要替换的氨基酸序列 ④构建表达载体，使其在受体细胞中表达 ⑤PCR技术获得改造后的水蛭素基因 ⑥确定基因中的碱基序列
A.②①③⑤⑥④ B.②③⑥①⑤④
C.②①③⑥⑤④ D.①②③④⑤⑥
C
当堂训练
【练习3】
解析 运用蛋白质工程技术，先分析水蛭素的空间结构，找到影响其活性的结构域，然后确定影响活性的氨基酸序列，推测需要替换的氨基酸序列，最终确定基因中的碱基序列，据此通过PCR技术获得改造后的水蛭素基因，并构建表达载体，使其在受体细胞中表达，C正确。
【练习4】
（不定项）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在蛋白质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
CD
当堂训练
【练习4】
解析 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，以便推测相应基因中的碱基序列，A正确；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，B正确；该过程的实质是在基因水平对纤维素酶基因在分子水平上进行改造，C错误；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是相同的，D错误。
【练习5】
蛋白质工程是人们根据对蛋白质功能的特定需求，对合成蛋白质的基因的结构进行分子设计、生产的过程。如图是蛋白质工程的基本途径，请回答下列有关问题。
(1)图中③过程的主要依据是每种氨基酸都有与其对应的________，后者位于________分子上，其上的核糖核苷酸序列与基因中的脱氧核苷酸序列之间存在着_____________关系。
当堂训练
密码子
mRNA
碱基互补配对
【练习5】
蛋白质工程是人们根据对蛋白质功能的特定需求，对合成蛋白质的基因的结构进行分子设计、生产的过程。如图是蛋白质工程的基本途径，请回答下列有关问题。
(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列不是完整的基因，要使这一序列能够表达、发挥作用，还必须在序列的上、下游加上________和________，在这个过程中需要________酶的参与。
(3)完成④过程需要涉及________技术。
当堂训练
启动子
终止子
DNA链接
基因工程
解析 (1)氨基酸由mRNA上的密码子直接决定，而mRNA是以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则转录而来的。
(2)通过③过程获得的脱氧核苷酸序列要能表达，需要构建基因表达载体，基因表达载体的组成包括启动子、终止子等，构建基因表达载体需要DNA连接酶将不同的DNA片段连接起来。
(3)推测出相应基因中脱氧核苷酸序列后，可对原有基因进行改造或人工合成新基因，然后将该基因导入受体细胞，以生产大量的基因产物，故完成④过程需要涉及基因工程技术。
【练习5】
课堂小结
请同学们查阅资料，结合所学设计研发速效胰岛素类似物思路。
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。因此，科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。结合教材P95相关知识和自行查阅的资料，设计速效胰岛素类似物的研发思路。
分析蛋白质的晶体结构，找到胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域→确定降低胰岛素分子间作用力的氨基酸序列→推测需要更换的氨基酸序列→找到并改变相应的脱氧核苷酸序列（基因）→获得所需要的速效胰岛素类似物。
谢谢大家