3.4 蛋白质工程的原理和应用-【正禾一本通】2023-2024学年新教材高二生物选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019 不定项）

第4节　蛋白质工程的原理和应用 课程标准 核心素养 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 3.举例说明对现有蛋白质的编码基因进行改造，获得人类所需要的蛋白质的过程 1.生命观念：运用“中心法则”理解蛋白质工程的原理，形成生命的信息观。 2.科学思维：通过比较基因工程与蛋白质工程的区别与联系，培养概括与归纳能力。 3.社会责任：结合具体实例了解蛋白质工程在生产实践中的应用，培养关注科技发展的态度 　高效导学01步　预习新知，落实必备知识 一、蛋白质工程的概念 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 目的 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 与基因工 程的关系 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 二、蛋白质工程崛起的缘由 1.基因工程的实质和不足 (1)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)不足：原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 2.蛋白质工程崛起的缘由 (1)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。 (2)实例：提高玉米中赖氨酸的含量 ①蛋白质缺陷 天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶是玉米细胞中赖氨酸合成过程中的两种关键酶，其活性受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。赖氨酸达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，所以玉米中赖氨酸含量很难提高。 ②改造措施 将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸。 ③改造后的效果 玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍。 三、蛋白质工程的基本原理 1.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.方法：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。 3.基本思路：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。 四、蛋白质工程的应用 1.在医药工业方面 (1)研发速效胰岛素类似物。 (2)延长干扰素的保存时间。 (3)降低小鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。 2.在其他工业方面：广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。 3.在农业方面 (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效率，增加粮食产量。 (2)改造微生物蛋白质的结构，增强防治病虫害的效果。 五、蛋白质工程面临的困难 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。 【教材问题·心中明】 从社会中来·提示 P93 科学家解析了多管水母绿色荧光蛋白的晶体结构，并利用计算机进行辅助设计，在此基础上再采用定点突变的技术将绿色荧光蛋白发光基团正下方的第203位的苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了一种新的绿色荧光蛋白的衍生物——黄色荧光蛋白。 ·提示 P93 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域重大的国际合作科研项目。人类蛋白质组计划取得的成果有力推动了蛋白质工程的发展，为它提供了重要的理论支持。2001年，国际人类蛋白质组组织宣布成立。2003年，该组织正式提出启动两项重大国际合作项目：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是由美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”。由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。2014年6月，中国人类蛋白质组计划启动。 思考·讨论·提示 P94 1.首先应该根据密码子推出mRNA序列为GCU(或C，或A，或G) UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU(或C)，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列为CGA(或G，或T，或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或G)。 2.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。 异想天开·提示 P95 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。 【概念辨析·试身手】 (1)蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质。(√) (2)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。(×) 提示：蛋白质工程是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。 (3)蛋白质工程不能改变蛋白质的活性。(×) 提示：蛋白质工程可以改变蛋白质的活性。 (4)蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是现有基因的脱氧核苷酸序列。(×) 提示：蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是人类对蛋白质功能的特定