第三章 第4节 蛋白质工程的原理和应用（Word教师用书）-【状元桥·优质课堂】2022-2023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 [核心素养发展目标] 1.理解蛋白质工程的原理(生命观念)。2.用列表法比较蛋白质工程和基因工程(科学思维)。3.列举蛋白质工程的应用(社会责任)。 　蛋白质工程的基本原理 1．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。 2．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)蛋白质工程崛起的缘由：基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这些蛋白质不一定完全符合人类生产和生活的需要。 (3)蛋白质工程手段 由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。 (4)蛋白质工程的目的：生产符合人们生产和生活需要的并非自然界中已存在的蛋白质。 3．蛋白质工程的基本原理 (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)原理：中心法则的逆推。 (3)过程：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。 【微练】 1．微思考：(1)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什么？ (2)蛋白质工程生产的蛋白质与基因工程生产的蛋白质有何不同？ 提示 (1)蛋白质工程的最终目的是改造现有的蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。 (2)蛋白质工程生产的蛋白质是符合人类需求的自然界不存在的蛋白质，而基因工程生产的仍是天然蛋白质。 2．辨正误： (1)蛋白质工程可以生产蛋白质，基因工程只能生产基因。(　　) (2)蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。(　　) (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)蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是现有基因的脱氧核苷酸序列。(　　) (5)蛋白质工程实施过程中可对关键氨基酸直接置换或增删。(　　) 提示 (1)×　基因工程不能生产基因。 (2)×　蛋白质工程需要改变的往往是个别或局部氨基酸序列。 (3)√ (4)×　蛋白质工程在设计蛋白质结构时的依据是预期的蛋白质功能。 (5)×　蛋白质工程中真正的操作对象仍然是基因，即对基因进行改造，不是对氨基酸的序列进行改造。 　蛋白质工程的应用 1．应用实例 (1)临床上：科学家通过对胰岛素基因的改造实现了对相应氨基酸序列的改造，由此研发出速效胰岛素类似物产品，从而有效抑制了胰岛素的聚合。 (2)医药工业方面：①科学家将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在－70℃的条件下，干扰素可以保存半年；②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。 (3)其他工业方面：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。 (4)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；科学家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。 2．存在的问题 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，而这种高级结构往往十分复杂。 【微练】 1．微思考：目前已经在临床上广泛应用的速效胰岛素类似物产品是在人胰岛素晶体结构的基础上，通过蛋白质工程改造而来的，其具体改变的内容是什么？科学家通过何种手段实现相关改变的？ 提示 科学家通过改造胰岛素基因实现了对胰岛素B链的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，获得了速效胰岛素类似物产品。 2．辨正误： (1)速效胰岛素类似物产品的获得应解析人胰岛素的晶体结构。(　　) (2)在医药工业方面，利用蛋白质工程研发药物很少见。(　　) (3)可直接将干扰素分子上的一个半胱氨酸用丝氨酸取代，使其得以在－70 ℃条件下保存半年。(　　) (4)蛋白质工程被广泛应用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。(　　) 提示 (1)√ (2)×　利用蛋白质工程研发药物并不少见。 (3)×　欲改造蛋白质，必须先改造基因。 (4)√ 要点1　蛋白质工程的原理 干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但在体外保存相当困难，如果将干扰素分子中的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可以在－70 ℃条件下保存半年