蛋白质工程的崛起(整合)
蛋白质工程的崛起课件一(29张PPT)[可修改版ppt]
![蛋白质工程的崛起课件一(29张PPT)[可修改版ppt]](https://img.taocdn.com/s3/m/5226fade76c66137ef0619a3.png)
• C．仍为天然存在蛋白质
• D．可合成天然不存在蛋白质
旁栏思考题
1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有 什么关系？我国科学家承担了什么任务？
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然领域一项 重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年， 该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头 执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头的“人类 血将蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。
“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计 划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科 研协作计划，总部设在北京。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白 质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学 基础。
随后，相继启动了由德国、瑞士、英国、加拿大和日本等国牵头的 各类蛋白质组计划。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工 程的有力推动和理论支持。
蛋白质工程的崛起 课件一(29张PPT)
1983年美国科学家Ulmer首 先提出蛋白质工程，它是指 按照特定的需要，对蛋白质 分子设计和改造工程，自此 以后，蛋白质工程迅速发展， 成为生物工程重要组成部分
（一）蛋白质工程崛起的缘由
基因工程的实质：
将一种生物的 基因 转移到另
1.4蛋白质工程的崛起QRB
例如: 人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达， 产生的干扰素的抗病毒活性只相当于天然产品的十分 之一，虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多， 但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？ 如何改变这种状况？ 研究发现，β-干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第 17位、31位和141位），推测可能是有一个或几个半 胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第17位 的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结 果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性活性提高， 并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。
生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程 中产生的， 中产生的，它的结构和性能不能完全满足人类生 产生活的需要。 产生活的需要。
例如：干扰素是动物体内的一种蛋白质是一种抗病 毒抗肿瘤的药物，但在体外保存相当困难。于是我 们要对现有的蛋白质进行改造，制造出目前从天然 蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们由开始了新一 轮的探索，蛋白质工程应运而生了。
四、蛋白质工程的进展和前景
1、成功案例： 成功案例： 速效型胰岛素 微电子 2、探索方向： 探索方向： 用蛋白质工程方法制成的电子元件， 用蛋白质工程方法制成的电子元件，具 效率高 和 有 体积小 耗电少 、 的特点，因此有极为广阔的发展前景。 的特点，因此有极为广阔的发展前景。 3、蛋白质工程面临的挑战在于 找到蛋白质发挥功能所需要的正确的高级结构 。
蛋白质工程的崛起
生产符合人类生产和生活的需要的 蛋白质 。
二、蛋白质工程的基本原理
对天然蛋白质进行改造，你认为直接对蛋白质分子 进行操作，还是通过对基因的操作来实现？
供体动物：
猪
存在的难题： 免疫排斥
解决方法： 将供体基因组导入某种基因调
节因子，以抑制抗原决定基因 的表达，或设法除去抗原决定 基因，再结合克隆技术，培育 出没有免疫排斥反应的转基因 克隆猪器官。
三、基因工程药品异军突起
• 在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、 生长激素直接从生物体的哪些结构中提取？
蛋白质工程的崛起
2024年2月4日星期日
一、植物基因工程硕果累累
提高农作物的抗逆能力 改良农作物的品质 利用植物生产药物等方面.
如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱 等
(一）抗虫转基因植物
优点：减少环境污染、减低生产成本、提高产量 例子：棉花、水稻、玉米、马铃薯、番茄等等 主要杀虫基因：
Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、 淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等 典型例子：转基因抗虫棉——Bt毒蛋白基因
养，然后，在体外完成基因转移， 再筛选成功转移的细胞扩增培养， 最后重新输入患者体内。
蛋白质工程的崛起
例如：
干扰素（半胱氨酸） 改造
体外很难保存
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶
改造
（352位的苏氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 （104位的天冬酰胺）
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
产生新的 基因型，无新基因 基因（型）
产生的蛋白质
原有的
新的
联系
蛋白质工程以基因工程为基础， 是基因工程的应用和延伸
三、蛋白质工程的进展与前景
蛋白质工程目前的现状：成 功的例子不多，主要是因为 蛋白质发挥其功能需要依赖 于正确的空间结构，而科学 家目前对大多数蛋白质的空 间结构了解很少。
蛋白质改造工程的实例：
A. 蛋白质工程以基因工程为基础 B. 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造 C. 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 D. 蛋白质工程的实质是改造蛋白质
课堂练习：
2、蛋白质工程的基本流程正确的是：( D )
①设计蛋白质分子结构 ②DNA合成
③预期蛋白质功能 核苷酸序列
④据氨基酸序列推出脱氧
A. ①→②→③→④
胰岛素改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓 胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用， 也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所 致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合 作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实 验。
1.4蛋白质工程的崛起(52张PPT)
• 玉米中赖氨酸的含量比较低。
赖氨酸的合成机理：
天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶
负反馈调节
前体物质
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）
赖氨酸
改造
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
• 在已研究过的几千种酶中，只有极少 数可以应用于工业生产，绝大多数酶 都不能应用于工业生产，这些酶虽然 在自然状态下有活性，但在工业生产 中没有活性或活性很低。这是因为工 业生产中每一步的反应体系中常常会 有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度 较高，在这种条件下，大多数酶会很 快变性失活。
根据人们对蛋白质功能的特定需求， 对蛋白质的分子结构进行分子设计。 对天然蛋白质进行改造，你 认为应该直接对蛋白质分子进 行操作，还是通过对基因的操作 来实现？为什么？
需要通过对基因的操作来实现。
主要原因：①基因编码蛋白质， 改造了基因即对蛋白质进行了改造， 而且改造过的蛋白质可以遗传下去。 ②容易操作，难度要小得多。
遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
３. 途径:
预期的蛋白质功能
设计预期的蛋白质结构
推测应有的氨基酸序列
找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
DNA合成 基因 DNA 转录 mRNA 翻译
分子 设计
氨基酸序 列多肽链
蛋白质工程的崛起高中生物教案范文
一、教学目标
1. 知识与技能：
（1）理解蛋白质工程的概念、原理和应用；
（2）掌握蛋白质工程的基本步骤和方法；
（3）了解蛋白质工程在生物技术和医药领域的重要作用。
2. 过程与方法：
（1）通过案例分析，培养学生的科学思维和解决问题的能力；（2）通过实验操作，培养学生的动手能力和实验技能。
3. 情感态度与价值观：
（1）培养学生对生物技术的兴趣和热爱；
（2）培养学生关注生物科技发展，认识生物科技对人类生活的影响。
二、教学内容
1. 蛋白质工程的概念和原理
（1）介绍蛋白质工程的定义；
（2）解释蛋白质工程的原理。
2. 蛋白质工程的基本步骤
（1）蛋白质需求分析；
（2）基因设计；
（3）基因合成；
（4）蛋白质表达与纯化。
3. 蛋白质工程的方法与技术
（1）基因突变；
（2）基因重组；
（3）蛋白质工程技术。
4. 蛋白质工程的应用
（1）生物制药；
（2）生物催化；
（3）生物材料。
5. 蛋白质工程案例分析
（1）分析蛋白质工程在生物制药领域的应用案例；
（2）分析蛋白质工程在生物催化领域的应用案例。
三、教学过程
1. 导入：通过展示蛋白质工程在生物技术和医药领域的重要作用，激发学生的兴趣。
2. 课堂讲解：讲解蛋白质工程的概念、原理、基本步骤、方法与技术，以及应用领域。
3. 案例分析：分析蛋白质工程在生物制药和生物催化领域的应用案例，引导学生思考和解决问题。
4. 实验操作：安排蛋白质工程的实验操作，培养学生的动手能力和实验技能。
5. 课堂讨论：组织学生讨论蛋白质工程的发展前景和可能面临的挑战，培养学生的科学思维。
四、教学评价
蛋白质工程的崛起 课件
蛋白质工程的崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由 1．基因工程的实质：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 。 2．基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界 已存在 的蛋白质。 3．天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合 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。
定向改造生物的遗传特性， 以获得人类所需的生物类 型或生物产品
结果
可生产天然没有的蛋白质
只能生产自然界已有的蛋 白质
联 ①都在生物体外对基因进行操作； 系 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
2．二者的区别与联系
比较项目
蛋白质工程
基因工程
操作起 点
预期的蛋白质功能
目的基因
预期蛋白质功能→设计预 获取目的基因→构建基因
区 别
过程 实质
教学设计12：1.4 蛋白质工程的崛起
1.4 蛋白质工程的崛起
【教学目标】
1、知识与技能
（1）举例说出蛋白质工程崛起的缘由；
（2）简述蛋白质工程的原理。
2、过程与方法
（1）分析有关蛋白质工程方面的资料，进行整理、分析和交流；
（2）尝试运用逆向思维分析和解决问题。
3、情感态度与价值观
（1）参与小组合作交流，体验合作学习的乐趣；
（2）认同蛋白质工程理论研究与技术开发之间的关系。
【教学重点】
1.为什么要开展蛋白质工程的研究；
2.蛋白质工程的原理。
【教学难点】
蛋白质工程的原理。
【课时安排】
1课时
【教具准备】
教学课件
【教学过程】
一、新课导入
【情景导入】这是两把尺子，左边的尺子一端没有开一个小孔，在户外工作不便携带，一番调研后，技术人员对模具稍加改进，便有了改进后的尺子（右边），方便了人们的使用。基因工程的应用，克服了远缘杂交的障碍，取得了丰硕成果，例如：大肠杆菌为人类生产出了胰岛素，牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物……人们实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但是在生产实践中，人们又发现了新的问题。
二、新课学习
【问题探讨】同学们阅读教材P26内容，思考讨论解决下列问题：
1. 为什么要进行蛋白质工程研究呢?（基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然的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。）
2.科学家如何实现干扰素的体外保存?（将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在—70℃的条件下可以保存半年）
3. 如何提高玉米中赖氨酸的含量?（将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶的第104位天冬酰氨酸变成异亮氨酸，可使玉米叶片和种子中的游离的赖氨酸分别5倍和2倍）
《专题11.4蛋白质工程的崛起》教学设计教学反思-2023-2024学年高中生物人教版选修3
《蛋白质工程的崛起》教学设计方案（第一课时）
一、教学目标
1. 理解蛋白质工程的基本概念和重要性。
2. 掌握蛋白质工程与基因工程、细胞工程的区别与联系。
3. 理解蛋白质工程在生物科技领域的应用和发展。
二、教学重难点
1. 教学重点：蛋白质工程的基本概念和设计原理。
2. 教学难点：理解并应用蛋白质工程的设计流程，以及其在生物科技领域的应用实例。
三、教学准备
1. 准备相关教学图片和视频，用于解释蛋白质工程的概念和原理。
2. 准备蛋白质工程相关案例，用于讲解蛋白质工程的应用和发展。
3. 准备相关问题，引导学生思考蛋白质工程对未来生物科技的影响。
4. 准备实验室器材，用于学生实践操作，加深对蛋白质工程的理解。
四、教学过程：
1. 导入新课：通过展示一些与蛋白质相关的应用实例，如人工制造胰岛素、抗体等，引出蛋白质在生命活动中的重要性和研究价值。引导学生思考蛋白质研究的现状及未来发展趋势，自然过渡到蛋白质工程的学习。
2. 讲解蛋白质工程的基本概念和意义：通过课件展示蛋白质工程的定义、研究背景和目的，让学生了解蛋白质工程是在基因工程的基础上，根据人类的需要和蛋白质的功能研究而发展起来的。让学生明确蛋白质工程的研究意义，如针对现有蛋白质进行改造或合成新的蛋白质以满足人类的需求。
3. 蛋白质工程与基因工程的关系及区别：通过课件展示基因工程和蛋白质工程的区别，让学生了解基因工程主要关注的是基因或DNA的改造，而蛋白质工程则更侧重于对蛋白质分子的直接改造。让学生明确两者之间的关系，即蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，是对基因工程的延伸和补充。
蛋白质工程的崛起-
目前科学家尝试通过对
蛋白质结构的改造，来延长 酶的半衰期，提高酶的热稳 定性，延长药用蛋白的保存 期，抵御由于重要氨基酸氧 化引起的活性丧失等，取得 了一定的进展。
• 干扰素的体外保存困难
• 玉米中赖氨酸的含量较低
• 工业生产中蛋白质类酶的稳定性低
这些在科学研究和工业生产中亟 待解决的难题均无法通过基因工程来 完成。人们开始着眼于对现有蛋白质 的改造，以及制造目前从天然蛋白质 中找不到的蛋白质。就这样，蛋白质 工程应运而生，并迅速崛起。
（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能 B．生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面
可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变。
地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构; B．生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面
干扰素是由动物体内的效应T细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
将一种生物的
பைடு நூலகம்
转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产的
，进而表现出
。
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化， 从预期的蛋白质功能出发
这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（2）基因工程的不足：
纳 在原则上只能生产自然界已存 在的蛋白质。
问 2、天然蛋白质的不足
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
题 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。
归 纳
3、蛋白质工程的目的
生产符合人类生产和生活的需 要的蛋白质。
例如：
满足人类生 产和生活的
CGA (或G或T或C) ACCTTT（或C)TACAAA (或G) 脱氧核苷酸
序列
GCT (或C或A或G) TGGAAA (或G)ATGTTT (或C)
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（DNA）？
可以通过人工合成的方法获取或基因的定 点诱变技术来改变。
基因定点诱变技术的常用方法是PCR法。
翻译 肽链
折叠 等
具有空间结 构的蛋白质
纳 遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
问 ３. 途径:
预期的蛋白质功能
题
设计预期的蛋白质结构
归
推测应有的氨基酸序列
纳 找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
DNA合成 基因 DNA 转录 mRNA翻译
分子 设计
氨基酸序 列多肽链
折叠
蛋白质 三维结构
图1-29蛋白质工程流程图
蛋白质工程的崛起
创
胰岛素改造
设 情 境
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚 体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进 入血液，从而延缓了其降血糖作用，这 是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。 利用蛋白质工程技术改变这些残基，则 可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作 用。该速效胰岛素已通过临床实验。这 种制剂的形成正是利用了蛋白质工程技 术。
生物 预期 功能 功能
➢ 蛋白质工程的主要步骤通常包括： （1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能
地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构; （4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包 括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变；
突变点： 人工合成的引物上 手段： PCR技术（定点突变试剂盒）
目的： 获得定点突变的基因
三、蛋白质工程的进展和前景
❖ 1.进展
水蛭素改造 生长激素改造 胰岛素改造 治癌酶的改造
（二）蛋白质改造工程举例
1．水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂， 它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水 蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。 为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基 础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案， 将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸）， 使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢 键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高抗 凝血效率，试管试验活性提高了4倍，在动物模型 上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。
需要
干扰素（半胱氨酸） 改造 干扰素（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶
改造
（352位的苏氨酸）
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 二氢吡啶二羧酸合成酶
（104位的天冬酰胺）
（异亮氨酸）
自 主 学 习
任务：阅读教材第26页第三段 时间：3分钟 问题：
问 二、蛋白质工程的基本原理
1、目标：
题 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋 白质的结构进行分子设计。 2、原理：
归 改造基因（基因修饰或基因合成）
纳
问 题
复制
复制
转录
DNA
逆转录
翻译
RNA
蛋白质
归 纳
天然蛋白质的合成遵循中心法则
问 天然蛋白质的合成过程
题 归
DNA 转录
RNA
表达生物特有 的功能或性状
自 主 学 习
任务：阅读教材第26页第二段 时间：3分钟 问题：
1.基因工程的实质是什么？ 2.基因工程的不足是什么？ 3.天然蛋白质的不足是什么？ 4.蛋白质工程的目的是什么？
问 一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程的应用 （1）基因工程的实质：
题 将一种生物的基因转移到另一种生物
体内，使后者产生本不能产生的蛋白 质，进而表现出新的性状。
合
讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：
…-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-
作 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
探 讨论：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
究 出来。
mRNA序列 GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）
作 应该从对基因的操作来实现对天然蛋 白质改造，主要原因如下：
探 究
（1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码 的，改造了基因即对蛋白质进行了改造， 而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果 对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改 造过的蛋白质分子还是无法遗传的。
（2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造 要容易操作，难度要小得多。
1.蛋白质工程的目标是什么？ 2.蛋白质工程的原理？思考26页第二个问号 3. 蛋白质工程的基本途径是什么？ 4.总结出什么是蛋白质工程？
问 二、蛋白质工程的基本原理
1、目标：
题
根据人们对蛋白质功能的特定需求， 对蛋白质的结构进行分子设计。
2、原理：
归
纳
合 思考：对天然蛋白质进行改造，你认为 应该直接对蛋白质分子进行操作，还是 通过对基因的操作来实现？
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。
问 蛋白质工程的概念
❖ 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其
题 生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基
因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种
新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
归
蛋白质工程是在基因工程的Hale Waihona Puke Baidu础上，
纳
延伸出来的第二代基因工程。
2．生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生 长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合 许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。 在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与 生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。 经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全 相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催 乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受 体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基 的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位 Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作 为临床用药还有大量的工作要做。