3.4蛋白质工程的原理和应用 教学课件(共23张PPT3个视频)-2025-2026学年人教版高中生物（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 教学课件(共23张PPT3个视频)-2025-2026学年人教版高中生物（2019）选择性必修三 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 38.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2025-09-30 21:15:31 | ||
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文档简介
(共23张PPT)
第4节
蛋白质工程
的原理和应用
选择性必修三 第三章《基因工程》
2025.07.21
藏
粮
于
技
水稻（Oryza sativa L.）作为全球最重要的粮食作物之一，富含淀粉和优质的稻米蛋白，为人类和家畜提供机体所需能量和蛋白质。但赖氨酸含量较低，引起其他氨基酸的吸收受阻，进而影响稻米蛋白质的有效利用，造成食物营养组分和膳食结构的不平衡。
藏粮于技
藏粮于地、藏粮于技，是在审视我国粮食安全态势并以新发展理念为引领作出的战略抉择。藏粮于技，本质就是“加强农业与科技融合”，“用最好的技术种出最好的粮食”
思考：结合以上资料，提高水稻营养成分的切入点是？
提高赖氨酸含量
蛋白质
工程
1
2
3
通过对“提高赖氨酸含量”科研案例的分析和讨论，进一步发展工程思维，深刻理解“藏粮于技”战略中生物技术的核心作用，提升社会责任感。
通过实操应用Deepseek、基因突变模拟器，建立学科之间的联系，认同跨学科融合对科学研究的推动作用。
能说出提高水稻赖氨酸含量的研发思路流程图，归纳蛋白质工程的基本思路及原理，概括蛋白质工程的概念。
学习目标
任务一 寻找提高赖氨酸含量的策略
筛选现有水稻品种或野生近缘种中的高赖氨酸资源,将性状导入优良品种
化学诱变或物理诱变,筛选赖氨酸合成关键酶(如DHDPS)活性增强的突变体
杂交育种
诱变育种
基因工程
小组活动1 提高水稻赖氨酸含量都有哪些途径(借助Deepseek)
导入外源基因：引入其他物种的高效赖氨酸合成基因（如玉米O2突变体或微生物的赖氨酸富集基因）
为什么关键酶DHDPS能影响赖氨酸含量？
结合教材93-94页回答
过表达关键酶基因：如二氢吡啶二羧酸合成酶（DHDPS）
基因工程
任务一 寻找提高赖氨酸含量的策略
赖氨酸合成
调控
二氢吡啶二羧酸合成酶（ DHDPS）
天冬氨酸激酶
+
活性提高
+
活性提高
+
能否降低关键酶对赖氨酸敏感性？
策略
结构决定功能
改造氨基酸序列
改变蛋白质结构
预期的蛋白质功能
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
结合学案资料1、2，回答下列问题：
1、野生型水稻D酶上赖氨酸的潜在结合位点是？
2、如何改造野生型D酶，构建成突变型D酶？
3、模拟改造的结果是？
4、能否直接改造野生型D酶的氨基酸序列获得突变型水稻？说明理由
问题1：野生型水稻D酶上赖氨酸的潜在结合位点是？
157S、162E、166A
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
问题2： 如何改造野生型D酶，构建成突变型D酶？
问题3：模拟改造的结果是？
突变型D酶对赖氨酸的敏感性降低
157S→N 162E → K 166A →T
问题4：能否直接改造野生型D酶的氨基酸序列获得突变型水稻？并说明理由
不能，即使改造成功也不能遗传
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
野生型D酶→ 突变型D酶
改造基因
关键问题：如何实现基因的改造？
mRNA
翻译
转录
氨基酸序列
AGU………GAG……GCA
丝氨酸S
谷氨酸E
丙氨酸A
天冬酰胺N
赖氨酸K
苏氨酸T
？
5’-GGTAGTAACTCAACAAGAGAGGCTATTCATGCAACA
3’-CCATCATTGAGTTGTTCTCTCCGATAAGTACGTTGT
野生型突变型
野生型突变型
小组活动2 （结合导学案）
1、分析出改造位点的核苷酸序列
2、反推出需改造的脱氧核苷酸序列
3、用基因突变模拟器验证
野生型
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
【资料3】从IR64水稻品种中扩增获得野生型水稻D酶的完整编码序列(CDS)，为引入所需突变，使用特异性突变引物及定点突变试剂盒，对含有目标基因的质粒进行重新扩增。
通过_____技术→野生型D酶基因
PCR
定点突变
突变型D酶基因
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
拓展延伸 定点突变
技术原理：通过引物设计，实现对基因上一个或几个碱基的定点诱变
【资料3】从IR64水稻品种中扩增获得野生型水稻D酶的完整编码序列(CDS)，为引入所需突变，使用特异性突变引物及定点突变试剂盒，对含有目标基因的质粒进行重新扩增。
通过_____技术→野生型D酶基因
PCR
定点突变
突变型D酶基因
含突变型D酶的水稻
【资料4】将突变型D酶基因克隆至植物表达载体中，由水稻Gltd1（谷蛋白D1）胚乳特异性启动子驱动表达。重组质粒随后通过农杆菌介导的转化方法转化至水稻愈伤组织（品种IR64）
目的基因导入受体细胞后要进行______和________，目的是_______________
检测目的基因是否稳定维持和表达其遗传特性
检测
鉴定
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
【资料5】通过对拟转化转基因品系使用野生型D酶基因的正向引物和载体特异性反向引物进行PCR筛选，确认外源基因的整合。所有通过PCR筛选获得的转基因品系，从种子中提取RNA进行qRT–PCR分析，野生型D酶水稻种子中的赖氨酸表达量比野生型高出5–8倍。利用超高效液相色谱（UPLC）对赖氨酸及其他氨基酸含量进行定量分析表明，突变型D酶水稻种子的赖氨酸含量相比野生型提高了约29%。
经分子水平和个体水平的鉴定后，结论是_________________
野生型D酶水稻种子的赖氨酸含量比野生型高
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
结构决 定功能
提高赖氨酸含量的策略
降低野生型D酶对赖氨酸的敏感性，以解除反馈抑制
改造野生型D酶的氨基酸序列
改变野生型D酶的结构
改造野生型D酶的基因
实施过程
改造野生型D酶基因
野生型D酶基因
构建突变型D酶基因表达载体
转化导入受体细胞
预期的蛋白质功能
鉴定是否达到预期功能
基因
关键技术 定点突变
基因工程
改造
表达
中心法则
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
任务三 构建蛋白质工程基本思路模型
蛋白质工程概念(P87)
以____________________及其与生物功能的关系为基础，通过改造或合成________，来改造现有的_________，或制造一种新的蛋白质，以满足______________________________。
蛋白质分子的结构规律
基因
蛋白质
人类生产和生活的需求
小组活动3 结合案例和教材94页，构建蛋白质工程基本思路模型，并比较基因工程和蛋白质工程（结合学案）
目的
核心
任务三 构建蛋白质工程基本思路模型
蛋白质工程基本思路
原理？
逆向中心法则
预期蛋白质功能
设计蛋白质的结构
推测氨基酸的序列
改造或合成基因
mRNA
归纳总结 蛋白质工程和基因工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 原理
过程
实质
结果
联 系 合成自然界不存在的蛋白质
预期蛋白质____→测定蛋白质三维空间结构→推测应有的______序列→找到对应的____→具有预期功能的蛋白质
蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出的第二代基因工程，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现
通过改造______，改造________，甚至创造全新的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
逆向中心法则
基因重组
获取目的基因→构建基因表达载体（核心）→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测和鉴定
定向改造生物遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品（基因的异体表达）
功能
氨基酸
基因
基因
天然蛋白质
任务四 了解蛋白质工程的应用
速效胰岛素类似物:改变氨基酸序列,抑制胰岛素的聚合,快速发挥作用。
干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸,延长保存时间。
单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上,降低免疫反应强度。
一、医药工业方面
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
任务四 了解蛋白质工程的应用
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。
改造某些参与调控光合作用的酶,提高植物光合作用的效率。
改造微生物蛋白的结构,增强防治病虫害的效果。
二、酶学、农业方面
枯草杆菌蛋白酶的突变体，提高价值
改造某些参与调控光合作用的酶，增加粮食的产量
设计优良微生物农药，防治病虫害的效果增强
拓展延伸 AI助力预测蛋白质结构
展 望
评价标准
学以致用
应用蛋白质工程思维优化“对EPSP合酶基因进行基因修饰或基因合成，培育EPSP合酶活性高的转基因抗除草剂水稻”的方案。
作业一：
作业二：
水稻胚乳中贮藏蛋白以谷蛋白和醇溶蛋白为主，其中醇溶蛋白的赖氨酸含量极低（仅1%~2%），而富含赖氨酸的清蛋白和球蛋白占比少（约5%~10%）。
应用蛋白质工程思维设计减少贮藏蛋白（如谷蛋白）积累的实验方案。
第4节
蛋白质工程
的原理和应用
选择性必修三 第三章《基因工程》
2025.07.21
藏
粮
于
技
水稻（Oryza sativa L.）作为全球最重要的粮食作物之一，富含淀粉和优质的稻米蛋白，为人类和家畜提供机体所需能量和蛋白质。但赖氨酸含量较低，引起其他氨基酸的吸收受阻，进而影响稻米蛋白质的有效利用，造成食物营养组分和膳食结构的不平衡。
藏粮于技
藏粮于地、藏粮于技，是在审视我国粮食安全态势并以新发展理念为引领作出的战略抉择。藏粮于技，本质就是“加强农业与科技融合”，“用最好的技术种出最好的粮食”
思考：结合以上资料，提高水稻营养成分的切入点是？
提高赖氨酸含量
蛋白质
工程
1
2
3
通过对“提高赖氨酸含量”科研案例的分析和讨论，进一步发展工程思维，深刻理解“藏粮于技”战略中生物技术的核心作用，提升社会责任感。
通过实操应用Deepseek、基因突变模拟器，建立学科之间的联系，认同跨学科融合对科学研究的推动作用。
能说出提高水稻赖氨酸含量的研发思路流程图，归纳蛋白质工程的基本思路及原理，概括蛋白质工程的概念。
学习目标
任务一 寻找提高赖氨酸含量的策略
筛选现有水稻品种或野生近缘种中的高赖氨酸资源,将性状导入优良品种
化学诱变或物理诱变,筛选赖氨酸合成关键酶(如DHDPS)活性增强的突变体
杂交育种
诱变育种
基因工程
小组活动1 提高水稻赖氨酸含量都有哪些途径(借助Deepseek)
导入外源基因：引入其他物种的高效赖氨酸合成基因（如玉米O2突变体或微生物的赖氨酸富集基因）
为什么关键酶DHDPS能影响赖氨酸含量？
结合教材93-94页回答
过表达关键酶基因：如二氢吡啶二羧酸合成酶（DHDPS）
基因工程
任务一 寻找提高赖氨酸含量的策略
赖氨酸合成
调控
二氢吡啶二羧酸合成酶（ DHDPS）
天冬氨酸激酶
+
活性提高
+
活性提高
+
能否降低关键酶对赖氨酸敏感性？
策略
结构决定功能
改造氨基酸序列
改变蛋白质结构
预期的蛋白质功能
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
结合学案资料1、2，回答下列问题：
1、野生型水稻D酶上赖氨酸的潜在结合位点是？
2、如何改造野生型D酶，构建成突变型D酶？
3、模拟改造的结果是？
4、能否直接改造野生型D酶的氨基酸序列获得突变型水稻？说明理由
问题1：野生型水稻D酶上赖氨酸的潜在结合位点是？
157S、162E、166A
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
问题2： 如何改造野生型D酶，构建成突变型D酶？
问题3：模拟改造的结果是？
突变型D酶对赖氨酸的敏感性降低
157S→N 162E → K 166A →T
问题4：能否直接改造野生型D酶的氨基酸序列获得突变型水稻？并说明理由
不能，即使改造成功也不能遗传
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
野生型D酶→ 突变型D酶
改造基因
关键问题：如何实现基因的改造？
mRNA
翻译
转录
氨基酸序列
AGU………GAG……GCA
丝氨酸S
谷氨酸E
丙氨酸A
天冬酰胺N
赖氨酸K
苏氨酸T
？
5’-GGTAGTAACTCAACAAGAGAGGCTATTCATGCAACA
3’-CCATCATTGAGTTGTTCTCTCCGATAAGTACGTTGT
野生型突变型
野生型突变型
小组活动2 （结合导学案）
1、分析出改造位点的核苷酸序列
2、反推出需改造的脱氧核苷酸序列
3、用基因突变模拟器验证
野生型
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
【资料3】从IR64水稻品种中扩增获得野生型水稻D酶的完整编码序列(CDS)，为引入所需突变，使用特异性突变引物及定点突变试剂盒，对含有目标基因的质粒进行重新扩增。
通过_____技术→野生型D酶基因
PCR
定点突变
突变型D酶基因
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
拓展延伸 定点突变
技术原理：通过引物设计，实现对基因上一个或几个碱基的定点诱变
【资料3】从IR64水稻品种中扩增获得野生型水稻D酶的完整编码序列(CDS)，为引入所需突变，使用特异性突变引物及定点突变试剂盒，对含有目标基因的质粒进行重新扩增。
通过_____技术→野生型D酶基因
PCR
定点突变
突变型D酶基因
含突变型D酶的水稻
【资料4】将突变型D酶基因克隆至植物表达载体中，由水稻Gltd1（谷蛋白D1）胚乳特异性启动子驱动表达。重组质粒随后通过农杆菌介导的转化方法转化至水稻愈伤组织（品种IR64）
目的基因导入受体细胞后要进行______和________，目的是_______________
检测目的基因是否稳定维持和表达其遗传特性
检测
鉴定
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
【资料5】通过对拟转化转基因品系使用野生型D酶基因的正向引物和载体特异性反向引物进行PCR筛选，确认外源基因的整合。所有通过PCR筛选获得的转基因品系，从种子中提取RNA进行qRT–PCR分析，野生型D酶水稻种子中的赖氨酸表达量比野生型高出5–8倍。利用超高效液相色谱（UPLC）对赖氨酸及其他氨基酸含量进行定量分析表明，突变型D酶水稻种子的赖氨酸含量相比野生型提高了约29%。
经分子水平和个体水平的鉴定后，结论是_________________
野生型D酶水稻种子的赖氨酸含量比野生型高
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
结构决 定功能
提高赖氨酸含量的策略
降低野生型D酶对赖氨酸的敏感性，以解除反馈抑制
改造野生型D酶的氨基酸序列
改变野生型D酶的结构
改造野生型D酶的基因
实施过程
改造野生型D酶基因
野生型D酶基因
构建突变型D酶基因表达载体
转化导入受体细胞
预期的蛋白质功能
鉴定是否达到预期功能
基因
关键技术 定点突变
基因工程
改造
表达
中心法则
任务二 降低DHDPS对赖氨酸的敏感性
任务三 构建蛋白质工程基本思路模型
蛋白质工程概念(P87)
以____________________及其与生物功能的关系为基础，通过改造或合成________，来改造现有的_________，或制造一种新的蛋白质，以满足______________________________。
蛋白质分子的结构规律
基因
蛋白质
人类生产和生活的需求
小组活动3 结合案例和教材94页，构建蛋白质工程基本思路模型，并比较基因工程和蛋白质工程（结合学案）
目的
核心
任务三 构建蛋白质工程基本思路模型
蛋白质工程基本思路
原理？
逆向中心法则
预期蛋白质功能
设计蛋白质的结构
推测氨基酸的序列
改造或合成基因
mRNA
归纳总结 蛋白质工程和基因工程的比较
比较项目 蛋白质工程 基因工程
区别 原理
过程
实质
结果
联 系 合成自然界不存在的蛋白质
预期蛋白质____→测定蛋白质三维空间结构→推测应有的______序列→找到对应的____→具有预期功能的蛋白质
蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出的第二代基因工程，因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成实现
通过改造______，改造________，甚至创造全新的蛋白质
生产自然界已有的蛋白质
逆向中心法则
基因重组
获取目的基因→构建基因表达载体（核心）→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测和鉴定
定向改造生物遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品（基因的异体表达）
功能
氨基酸
基因
基因
天然蛋白质
任务四 了解蛋白质工程的应用
速效胰岛素类似物:改变氨基酸序列,抑制胰岛素的聚合,快速发挥作用。
干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸,延长保存时间。
单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上,降低免疫反应强度。
一、医药工业方面
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
任务四 了解蛋白质工程的应用
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶。
改造某些参与调控光合作用的酶,提高植物光合作用的效率。
改造微生物蛋白的结构,增强防治病虫害的效果。
二、酶学、农业方面
枯草杆菌蛋白酶的突变体，提高价值
改造某些参与调控光合作用的酶，增加粮食的产量
设计优良微生物农药，防治病虫害的效果增强
拓展延伸 AI助力预测蛋白质结构
展 望
评价标准
学以致用
应用蛋白质工程思维优化“对EPSP合酶基因进行基因修饰或基因合成，培育EPSP合酶活性高的转基因抗除草剂水稻”的方案。
作业一：
作业二：
水稻胚乳中贮藏蛋白以谷蛋白和醇溶蛋白为主，其中醇溶蛋白的赖氨酸含量极低（仅1%~2%），而富含赖氨酸的清蛋白和球蛋白占比少（约5%~10%）。
应用蛋白质工程思维设计减少贮藏蛋白（如谷蛋白）积累的实验方案。