3.4蛋白质工程 课件(共27张PPT)--2025-2026学年高二上学期《生物》（人教版）选必修3
文档属性
| 名称 | 3.4蛋白质工程 课件(共27张PPT)--2025-2026学年高二上学期《生物》（人教版）选必修3 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 11.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2025-11-11 17:02:38 | ||
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文档简介
(共27张PPT)
用细菌“画”的画1. 科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
思考：
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。
2、科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程
基因工程
目录 /CONTENTS
01
02
蛋白质工程崛起的缘由
蛋白质工程的原理
03
蛋白质工程的应用
概念：P93
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
操作对象：
结果：
与基因工程的关系：
理论和技术：
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
分子生物学、晶体学和计算机技术
蛋白质工程
01蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质及缺陷基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。2. 蛋白质工程崛起的缘由天然蛋白质的缺陷：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。01蛋白质工程崛起的缘由产量提高赖氨酸含量低合成时需：天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成酶。浓度影响酶活性实例异亮氨酸苏氨酸(352位）异亮氨酸天冬酰胺(104位)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，由于基因决定蛋白质，因此，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。蛋白质工程的基本原理2、天然蛋白质合成过程：按照中心法则思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？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；02回顾旧知
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
逆转录
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
天然蛋白质的合成过程与性状表达
蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能
血红蛋白的三级结构
蛋白质的结构三级结构一级结构四级结构二级结构蛋白质工程的基本原理02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预期功能生物功能设计蛋白质（三维结构）推测改造或合成转录翻译折叠行使目的基因mRNA多肽链思考：与中心法则的关系？思考·讨论
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
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
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
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？请把相应的碱基序列写出来。
丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG
色氨酸：UGG
赖氨酸： AAA 、AAG
甲硫氨酸：AUG
苯丙氨酸：UUU 、UUC
丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC
色氨酸： ACC
赖氨酸：TTT 、TTC
甲硫氨酸：TAC
苯丙氨酸：TTT 、TTG
找到DNA上相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
推出mRNA上的核糖核苷酸序列
思考·讨论
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
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？
确定目的基因的碱基序列后，可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法获取。
拓展延伸
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：
（1）大改：
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质
（2）中改：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
（3）小改：
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
蛋白质工程与基因工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 起点
过程
实质
结果
应用及现状
联系 预期蛋白质功能
目的基因
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
基因重组
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
①主要集中在对现有蛋白质进行改造，②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少
①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化
①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质
②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
思考：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
蛋白质工程的应用03（1）研发速效胰岛素类似物天然蛋白质易形成二聚体或六聚体预期功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第20～29位氨基酸组成改造新胰岛素基因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推测序列转录mRNA翻译多肽链行使功能速效胰岛素类似物预期结构折叠等阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用定点突变1.医药工业方面蛋白质工程的应用03（2）延长干扰素体外保存时间天然干扰素不易保存改造新干扰素基因预期功能延长保存时间设计结构氨基酸替换一个半胱氨酸变成丝氨酸推测序列预期结构转录mRNA折叠翻译多肽链行使功能在-70℃下可以保存半年定点突变1.医药工业方面β-干扰素氨基酸序列蛋白质工程的应用03（3）提高蛋白质的热稳定性第3位上的异亮氨酸半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成-s-s-定点突变1.医药工业方面蛋白质工程的应用03（4）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应基因融合1.医药工业方面通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）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。蛋白质工程的应用03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。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，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。2.其他工业方面蛋白质工程的应用033.农业方面改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。利用蛋白质工程的思路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？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。
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。
蛋白质食品的工厂化生产想象图
练习与应用
一、概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（ ）
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ）
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（ ）
2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是（ ）
A.分析蛋白质的三维结构
B. 研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
×
×
√
D
练习与应用
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）
A.基因B. 氨基酸C.多肽链D.蛋白质
二、拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴 在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么 如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作
A
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。
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用细菌“画”的画1. 科学家利用了什么技术让细菌能发出荧光？
基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。
思考：
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。
2、科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
第3章 基因工程
第4节 蛋白质工程
基因工程
目录 /CONTENTS
01
02
蛋白质工程崛起的缘由
蛋白质工程的原理
03
蛋白质工程的应用
概念：P93
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
操作对象：
结果：
与基因工程的关系：
理论和技术：
改造或合成基因
改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质
在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程
分子生物学、晶体学和计算机技术
蛋白质工程
01蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质及缺陷基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。基因工程原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。2. 蛋白质工程崛起的缘由天然蛋白质的缺陷：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。01蛋白质工程崛起的缘由产量提高赖氨酸含量低合成时需：天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成酶。浓度影响酶活性实例异亮氨酸苏氨酸(352位）异亮氨酸天冬酰胺(104位)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，由于基因决定蛋白质，因此，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。蛋白质工程的基本原理2、天然蛋白质合成过程：按照中心法则思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？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；02回顾旧知
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
逆转录
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
天然蛋白质的合成过程与性状表达
蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能
血红蛋白的三级结构
蛋白质的结构三级结构一级结构四级结构二级结构蛋白质工程的基本原理02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预期功能生物功能设计蛋白质（三维结构）推测改造或合成转录翻译折叠行使目的基因mRNA多肽链思考：与中心法则的关系？思考·讨论
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
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
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
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？请把相应的碱基序列写出来。
丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG
色氨酸：UGG
赖氨酸： AAA 、AAG
甲硫氨酸：AUG
苯丙氨酸：UUU 、UUC
丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC
色氨酸： ACC
赖氨酸：TTT 、TTC
甲硫氨酸：TAC
苯丙氨酸：TTT 、TTG
找到DNA上相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
推出mRNA上的核糖核苷酸序列
思考·讨论
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
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？
确定目的基因的碱基序列后，可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法获取。
拓展延伸
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：
（1）大改：
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质
（2）中改：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
（3）小改：
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
蛋白质工程与基因工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 起点
过程
实质
结果
应用及现状
联系 预期蛋白质功能
目的基因
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
基因重组
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
①主要集中在对现有蛋白质进行改造，②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少
①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化
①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质
②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
思考：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
蛋白质工程的应用03（1）研发速效胰岛素类似物天然蛋白质易形成二聚体或六聚体预期功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第20～29位氨基酸组成改造新胰岛素基因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推测序列转录mRNA翻译多肽链行使功能速效胰岛素类似物预期结构折叠等阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用定点突变1.医药工业方面蛋白质工程的应用03（2）延长干扰素体外保存时间天然干扰素不易保存改造新干扰素基因预期功能延长保存时间设计结构氨基酸替换一个半胱氨酸变成丝氨酸推测序列预期结构转录mRNA折叠翻译多肽链行使功能在-70℃下可以保存半年定点突变1.医药工业方面β-干扰素氨基酸序列蛋白质工程的应用03（3）提高蛋白质的热稳定性第3位上的异亮氨酸半胱氨酸与第97位的半胱氨酸形成-s-s-定点突变1.医药工业方面蛋白质工程的应用03（4）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应基因融合1.医药工业方面通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（即可变区）“嫁接”到人的抗体（即恒定区）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。蛋白质工程的应用03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。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，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。2.其他工业方面蛋白质工程的应用033.农业方面改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。利用蛋白质工程的思路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？
理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。
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。
蛋白质食品的工厂化生产想象图
练习与应用
一、概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（ ）
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ）
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（ ）
2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是（ ）
A.分析蛋白质的三维结构
B. 研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
×
×
√
D
练习与应用
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）
A.基因B. 氨基酸C.多肽链D.蛋白质
二、拓展应用
T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。这项工作属于什么工程的范畴 在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么 如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作
A
这项工作属于蛋白质工程的范畴。引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是基因的碱基序列发生了变化。如果要将改造后的T4溶菌酶应用于生产实践，还有很多工作需要做。例如，由于改造后酶的空间结构发生了变化，因此它的一些基本特性需要重新明确，包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系，评估生产成本等。
感谢您的观看