2024-2025學(xué)年高二生物人教版選擇性必修3教學(xué)課件 第3章- 第4節(jié)

第節(jié)4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用高中生物選擇性必修3第3章1.說(shuō)出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2.概述蛋白質(zhì)工程的基本原理。3.舉例說(shuō)明依據(jù)人類需要對(duì)原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基因改造、生產(chǎn)目標(biāo)蛋白的過(guò)程。學(xué)習(xí)目標(biāo)2025/3/6？從社會(huì)中來(lái)

你見(jiàn)過(guò)用細(xì)菌畫(huà)畫(huà)嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫(huà)"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樵谒鼈兊捏w內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過(guò)改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的檢測(cè)、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的呢？

科學(xué)家解析了多管水母綠色熒光蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上再采用定點(diǎn)突變的技術(shù)將綠色熒光蛋白發(fā)光基團(tuán)正下方的第203位的蘇氨酸替換為酪氨酸，從而獲得了一種新的綠色熒光蛋白的衍生物--黃色熒光蛋白。用細(xì)菌“畫(huà)”的畫(huà)2025/3/6

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。

蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程。特別注意：蛋白質(zhì)工程的操作對(duì)象——基因！2025/3/6

你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？

人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域重大的國(guó)際合作科研項(xiàng)目。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣布成立。2003年，該組織正式提出啟動(dòng)兩項(xiàng)重大國(guó)際合作項(xiàng)目：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是由美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開(kāi)了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃。它的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)肝臟蛋白質(zhì)高通量、規(guī)?；难芯浚馕龈闻K蛋白質(zhì)在生理、病理過(guò)程中的功能意義，為重大肝病的預(yù)防、診斷、治療和新藥的研發(fā)提供重要的科學(xué)依據(jù)。2010年，該計(jì)劃“兩譜、兩圖、三庫(kù)”的目標(biāo)初步實(shí)現(xiàn)。我國(guó)科學(xué)家完成了人類肝臟蛋白質(zhì)組表達(dá)譜和修飾譜，繪制了蛋白質(zhì)相互作用連鎖圖和定位圖。“三庫(kù)”則是建立符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的肝臟標(biāo)本庫(kù)、發(fā)展規(guī)?；贵w制備技術(shù)并建立肝臟蛋白質(zhì)抗體庫(kù)和建立完整的肝臟蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)。人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃取得的成果有力推動(dòng)了蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，為它提供了重要的理論支持。2014年6月，中國(guó)人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃啟動(dòng)。2025/3/6一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1.基因工程的實(shí)質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。2.基因工程的局限性：原則上只能生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。3.天然蛋白質(zhì)的不足：天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。如玉米中賴氨酸含量較低，經(jīng)人工設(shè)計(jì)改造，可使其葉片和種子中游離賴氨酸的含量分別提高5倍和2倍。賴氨酸合成調(diào)控達(dá)到一定濃度兩種酶的活性352位的蘇氨酸變成異亮氨酸二氫吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺變成異亮氨酸賴氨酸含量抑制提高提高限制提高2025/3/6二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。2.蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)：通過(guò)改造或合成基因，來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。3.天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程：天然蛋白質(zhì)合成的過(guò)程是按照中心法則進(jìn)行的?；颉磉_(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）→形成具有特定氨基酸序列的多肽鏈→形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)→行使生物功能。而蛋白質(zhì)工程卻與之相反！2025/3/64.蛋白質(zhì)工程的基本思路：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)。折疊目的基因2025/3/6思考·討論·蛋白質(zhì)工程基本思路的應(yīng)用

某多肽鏈的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸賴氨酸1.怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列?請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫(xiě)出來(lái)。提示：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、賴氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？mRNA序列為：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列為：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）

確定目的基因的堿基序列后，可以人工合成目的基因或從基因文庫(kù)中獲取目的基因。對(duì)基因的改造經(jīng)常會(huì)用到基因定點(diǎn)突變技術(shù)來(lái)進(jìn)行堿基的替換、增添等。項(xiàng)目蛋白質(zhì)工程基因工程操作對(duì)象操作起點(diǎn)操作水平操作流程結(jié)果實(shí)質(zhì)聯(lián)系基因基因DNA分子水平DNA分子水平預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)氨基酸序列→找到并改變對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)目的基因的篩選與獲取→構(gòu)建基因表達(dá)載體→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定可生產(chǎn)自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)通過(guò)改造或合成基因來(lái)定向改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀①蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程；②蛋白質(zhì)工程離不開(kāi)基因工程，其包含基因工程的基本操作。預(yù)期蛋白質(zhì)功能目的基因2025/3/65.蛋白質(zhì)工程和基因工程的比較2025/3/6

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細(xì)胞中，讓宿主細(xì)胞生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

理論上講可以，但目前還沒(méi)有真正成功的例子。利用改造后的動(dòng)物細(xì)胞、微生物細(xì)胞等可以生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)，但這些蛋白質(zhì)往往都是自然界中已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來(lái)的、自然界中不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)如何行使功能了解得還不夠，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的而又具有功能的蛋白質(zhì)。即使設(shè)計(jì)并獲得了一個(gè)全新的蛋白質(zhì)，它的生理生化特性、用它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)食品的安全性等都需要長(zhǎng)期深入的研究。天然蛋白質(zhì)易形成二聚體或六聚體預(yù)期結(jié)構(gòu)改造B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置新胰島素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能降低胰島素的聚合作用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變B鏈第20～29位氨基酸組成推測(cè)序列翻譯多肽鏈有效抑制胰島素的聚合2025/3/6三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1.醫(yī)藥工業(yè)方面（1）研發(fā)速效胰島素類似物天然干擾素不易保存預(yù)期結(jié)構(gòu)改造一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸新干擾素基因轉(zhuǎn)錄mRNA折疊預(yù)期功能行使功能延長(zhǎng)保存時(shí)間設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)氨基酸替換推測(cè)序列翻譯多肽鏈在-70℃下可以保存半年2025/3/6（2）延長(zhǎng)干擾素體外保存時(shí)間（3）降低人對(duì)小鼠單抗隆抗體的免疫反應(yīng)

通過(guò)改造基因，將小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域（即可變區(qū)）“嫁接”到人的抗體（即恒定區(qū)）上，經(jīng)過(guò)這樣改造的抗體誘發(fā)免疫反應(yīng)的強(qiáng)度就會(huì)減低很多。2025/3/62.其他工業(yè)方面

蛋白質(zhì)工程被廣泛用于改進(jìn)酶的性能或開(kāi)發(fā)新的工業(yè)用酶。如枯草桿菌蛋白酶具有水解蛋白質(zhì)的作用，常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。迄今為止，利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶的突變體已有上百種，從中可能篩選出一些符合工業(yè)化生產(chǎn)需求的突變體，從而提高這種酶的使用價(jià)值。3.農(nóng)業(yè)方面（1）改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量。（2）利用蛋白質(zhì)工程的思路設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過(guò)改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲(chóng)害的效果增強(qiáng)。2025/3/6

蛋白質(zhì)工程是一項(xiàng)難度很大的工程，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級(jí)結(jié)構(gòu)，而這種高級(jí)結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜。要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)，還需要不斷地攻堅(jiān)克難。隨著科技的深入發(fā)展，蛋白質(zhì)工程將會(huì)給人類帶來(lái)更多的福祉。由計(jì)算機(jī)建立的血紅蛋白三維結(jié)構(gòu)模型三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)2025/3/6到社會(huì)中去

酶用作工業(yè)催化劑，比無(wú)機(jī)催化劑具有更大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。由于酶促反應(yīng)能在常溫、常壓和中性pH條件下進(jìn)行，因此可以節(jié)省大量的能源和設(shè)備投資；生產(chǎn)過(guò)程中不會(huì)造成嚴(yán)重的污染，符合環(huán)境保護(hù)的要求；生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單、效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)成本低。因此，酶制劑在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備、優(yōu)良菌種以及開(kāi)發(fā)新型酶制劑，我國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)保持了較快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，品種越來(lái)越豐富，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷提升。2016年，我國(guó)工業(yè)酶制劑年產(chǎn)量達(dá)120萬(wàn)噸，年增長(zhǎng)率保持在10%左右。在全球范圍內(nèi)，我國(guó)酶制劑的市場(chǎng)份額已占到了30%左右，我國(guó)進(jìn)入酶制劑生產(chǎn)大國(guó)的行列。在酶制劑產(chǎn)業(yè)中，蛋白質(zhì)工程被廣泛用于開(kāi)發(fā)酶的新品種或改進(jìn)酶的性能，如提高酶的熱穩(wěn)定性，增加某些被用作去污劑的酶的去污效率等。當(dāng)堂檢測(cè)1.科學(xué)家為提高玉米中賴氨酸含量，計(jì)劃將天冬氨酸激酶的第352位的蘇氨酸變成異亮氨酸，將二氫吡啶二羧酸合成酶中第104位的氨基酸由天冬氨酸變成異亮氨酸，就可以使玉米葉片和種子中的游離賴氨酸含量分別提高5倍和2倍。下列對(duì)蛋白質(zhì)的改造，操作正確的是（）A.直接通過(guò)分子水平改造蛋白質(zhì)B.直接改造相應(yīng)的mRNAC.對(duì)相應(yīng)的基因進(jìn)行操作D.重新合成新的基因【答案】C【解析】蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)改造或合成基因，來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。根據(jù)蛋白質(zhì)被改造部位的多少，可以將這種改造分為“大改”“中改”和“小改”?！靶「摹笔侵竿ㄟ^(guò)基因工程中的定點(diǎn)誘變技術(shù)，有目的地改造蛋白質(zhì)分子中某活性部位的一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基，以改善蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能。題干中對(duì)蛋白質(zhì)的改造屬于“小改”層次，需直接對(duì)相應(yīng)的基因進(jìn)行改造，即對(duì)相應(yīng)的基因進(jìn)行定點(diǎn)誘變。2.蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程，有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)于蛋白質(zhì)工程的描述，正確的是（）A.由于需要對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，因此操作更難B.由于蛋白質(zhì)不能遺傳，因此蛋白質(zhì)工程的產(chǎn)物不能大量生產(chǎn)C.蛋白質(zhì)工程也需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的基因D.蛋白質(zhì)工程在各個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用【答案】C【解析】蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程，是在分子水平上對(duì)基因分子直接進(jìn)行操作，A項(xiàng)錯(cuò)誤；分子水平上對(duì)基因分子直接進(jìn)行操作使其遺傳物質(zhì)發(fā)生改變，可以遺傳給下一代，B項(xiàng)錯(cuò)誤；蛋白質(zhì)工程對(duì)基因分子直接進(jìn)行操作，需要推測(cè)出應(yīng)有的氨基酸序列，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的基因，C項(xiàng)正確；蛋白質(zhì)工程的發(fā)展并不成熟，仍需一段時(shí)間提升，其目前并不能在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，D項(xiàng)錯(cuò)誤。3.蛋白質(zhì)工程中，要對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，必須通過(guò)基因修飾或基因合成來(lái)完成，而不直接改造蛋白質(zhì)的主要原因是（）A.缺乏改造蛋白質(zhì)所必需的工具酶B.蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，操作難度大C.人類對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)知之甚少D.改造基因易于操作且改造后能夠遺傳【答案】D【解析】蛋白質(zhì)工程應(yīng)該從對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)的改造，原因是：（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過(guò)后蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接進(jìn)行改造，即使改造成功，被改造過(guò)的蛋白質(zhì)分子還是無(wú)法遺傳的。（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。4.下圖表示蛋白質(zhì)工程的操作過(guò)程，相關(guān)說(shuō)法不正確的是（）A.a、b過(guò)程分別是轉(zhuǎn)錄、翻譯B.蛋白質(zhì)工程中對(duì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的了解是非常關(guān)鍵的工作C.蛋白質(zhì)工程是完全擺脫基因工程技術(shù)的一項(xiàng)全新的生物工程技術(shù)D.蛋白質(zhì)工程中可能構(gòu)建出一種全新的基因【答案】C【解析】a過(guò)程是以DNA的一條鏈為模板合成mRNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，b過(guò)程是以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的多肽鏈的翻譯過(guò)程，A項(xiàng)