第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用（Word教参）-【优化指导】2021-2022学年新教材高中生物选择性必修3 生物技术与工程(人教版2019)

第4节　蛋白质工程的原理和应用 课程内容标准 核心素养对接 1．概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质。 2．举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 1．尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，设计或改造某一蛋白质的流程。(科学思维) 2．认同蛋白质工程的重要意义。(社会责任) [对应学生用书P78] 1．蛋白质工程：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。它是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程。 2．基因工程存在不足：原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 3．天然蛋白质存在不足：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。 4．实例：玉米中赖氨酸含量低，将赖氨酸合成过程中两种酶的氨基酸被替换，玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。 1．蛋白质工程的基本原理 概念 基础 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 手段 改造或合成基因来完成 目的 蛋白质工程的目标是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 原理 由预期的蛋白质找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因) 流程 预期蛋白质功能→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) 2．蛋白质工程的基本思路 1．对天然蛋白质进行改造 天然蛋白质 蛋白质工程改造后的蛋白质 天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效 科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出的速效胰岛素类似物产品已经在临床上广泛应用 干扰素在体外保存相当困难 如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在－70 ℃的条件下，干扰素可以保存半年 小鼠单克隆抗体会使人产生免疫反应，从而导致它的治疗效果大大降低 科学家将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多 2．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。例如利用蛋白质工程生产枯草杆菌蛋白酶。 3．在农业方面，科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。 4．利用蛋白质工程的思路来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。 5．蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这结构往往十分复杂。 1．判正误 (1)蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构。(×) (2)通过蛋白质工程改造后的蛋白质仍然是天然蛋白质。(×) (3)实施蛋白质工程的前提条件是了解蛋白质结构和功能的关系。(√) (4)基因工程遵循中心法则，而蛋白质工程不遵循。(×) 2．微思考 (1)为什么要进行蛋白质工程的研究？ 提示　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。 (2)蛋白质工程的基本途径是什么？ 提示　预期蛋白质功能→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)。 [对应学生用书P79] 任务驱动　蛋白质工程的基本原理 下图为蛋白质工程的基本流程，请思考回答： 1．图中A、B分别为何过程？ 提示　A为转录，B为翻译。 2．基因工程能否完全满足人们生产生活的需要，为什么？ 提示　不能，因为基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质，天然蛋白质不一定符合人类的需要。 3．蛋白质工程与基因工程的关系是怎样的？ 提示　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。 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 预期蛋白质功能 目的基因 过程 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 续表 项目 蛋白质工程 基因工程 区别 实质 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 结果 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 应