【生物】蛋白质工程的原理和应用-2023-2024学年高二生物人教版2019选择性必修3

第3章第4节蛋白质工程的原理和应用学习目标目标010203尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计改造某一蛋白质的设计流程。（科学思维）说明基因的碱基排列顺序—蛋白质的结构—蛋白质功能的关系。（生命观念）尝试运用逆向思维分析和解决问题。（社会责任）

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蛋白质工程

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。①基础：②操作手段及对象：③结果：④目的：⑤困难：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系改造或合成基因改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质获得满足人类生产和生活需求的蛋白质蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。(1)概念：(2)特点：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，是涉及多学科的综合科技工程。（一）基因工程的实质和不足：一、蛋白质工程崛起的缘由将一种生物的______转移到另一种生物体内，后者可以产生它______________________，进而表现出____________。基因工程的实质:1基因本不能产生的蛋白质新的性状只能生产自然界中已存在的蛋白质基因工程的局限性:2①基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质；②天然蛋白质是生物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:3赖氨酸合成调控达到一定浓度两种酶的活性352位的苏氨酸变成异亮氨酸二氢吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺变成异亮氨酸赖氨酸含量抑制提高提高限制提高提高5倍提高2倍蛋白质工程是怎样进行的呢？基本原理是什么？（二）实例：提高玉米赖氨酸含量一、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程的基本原理请同学们自主阅读教材P94，思考回答问题。

1.蛋白质工程的目标、实质、结果。2.为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？3.温故天然蛋白质合成的过程。构建出蛋白质工程的基本思路。4.如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？二、蛋白质工程的基本原理（一）实质、目标和结果：(1)蛋白质工程的目标：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。(2)改造蛋白质的方法：改造或合成基因(3)结果：生产出自然界没有的蛋白质。为什么蛋白质工程需改造基因而不是直接改造蛋白质？思考：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；（二）天然蛋白质合成过程：二、蛋白质工程的基本原理按照中心法则进行基因表达形成具有特定氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能转录翻译①预期的蛋白质功能②设计预期的蛋白质结构③推测应有的氨基酸序列④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⑤获得所需蛋白质预期功能生物功能设计推测改造或合成行使折叠目的基因转录mRNA翻译多肽链蛋白质(三维结构)思路逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反（三）蛋白质工程的基本设计思路：二、蛋白质工程的基本原理蛋白质工程基本思路的应用思考•讨论二、蛋白质工程的基本原理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。丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸…………色氨酸赖氨酸苯丙氨酸查密码子表得知：推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共

种可能序列32查密码子表得知：推知mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）共

种可能序列32GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)共

种可能序列32蛋白质工程基本思路的应用思考•讨论二、蛋白质工程的基本原理某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸…………色氨酸赖氨酸苯丙氨酸丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）推知mRNA序列为：蛋白质工程基本思路的应用思考•讨论二、蛋白质工程的基本原理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。改造蛋白质蛋白质工程已有哪些实际的应用呢？天然蛋白质三、蛋白质工程的应用请同学们自主阅读教材P95，思考讨论总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。

应用实例医药工业方面其他工业方面农业方面三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用（一）医药工业方面：定点突变1.实例一：研发速效胰岛素类似物定点突变天然胰岛素易形成二聚体或六聚体预期结构改造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新胰岛素基因mRNA折叠预期功能行使功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第20～29位氨基酸组成推测序列翻译多肽链有效抑制胰岛素的聚合转录三、蛋白质工程的应用（一）医药工业方面：1.实例一：研发速效胰岛素类似物定点突变2.实例二：延长干扰素体外保存时间

干扰素是动物体内的一种蛋白质体，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存却相当困难。改造干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）延长体外保存时间体外-70℃保存半年三、蛋白质工程的应用（一）医药工业方面：鼠抗体人抗体恒定区恒定区可变区可变区嵌合抗体对人体的不良反应减少基因融合3.实例三：降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应三、蛋白质工程的应用（一）医药工业方面：改进酶的性能或开发新的工业用酶如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌三、蛋白质工程的应用（二）其他工业方面的运用：三、蛋白质工程的应用（三）农业工业方面的运用：(1)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。三、蛋白质工程的应用（三）农业工业方面的运用：伊维菌素是新型的广谱、高效、低毒抗生素类抗寄生虫药(2)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。(1)面临的问题：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。(2)前景展望：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。三、蛋白质工程的应用蛋白质工程与基因工程的区别与联系比较项目基因工程蛋白质工程区别起点过程实质

结果联系生产自然界中已存在的蛋白质生产自然界中非天然的蛋白质定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需要的生物类型或生物产品改造或制造人类所需要的蛋白质预期的蛋白质功能目的基因获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定预期蛋白质功能→设计预期蛋白质结构→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①都在生物体外对基因进行操作；②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如何确定一个操作过程是基因工程技术还是蛋白质工程技术？蛋白质工程与基因工程的区别与联系蛋白质工程小结理论基础技术手段目标基本思路实践应用蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系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。药物研发改进酶的性能或开发新的工业用酶增加粮食产量、研发新型农药课后习题·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。()××√课后习题·概念检测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课后习题·概念检测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A课后习题·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