第3章 第3节 蛋白质工程（word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（苏教版2019）

[教材知识梳理] (一)蛋白质工程是基因工程的延伸 1．蛋白质工程的一般过程 (1)蛋白质工程的概念：是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。 (2)蛋白质工程的一般过程示意图 (3)基因工程的不足 ①原则上只能生产自然界中已经存在的蛋白质。 ②生产的蛋白质不一定符合人们生产和生活的需要。 (4)蛋白质工程的优势 ①能更充分地利用自然界中存在的蛋白质。 ②能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界中不存在的蛋白质。 (5)实例：水蛭素第47位天冬酰胺赖氨酸或精氨酸→抗凝血效率可提高4倍。 2．蛋白质工程首先要获取基因和蛋白质的结构数据 蛋白质工程首先需要获得和分析目标蛋白质的相关信息，包括基因及蛋白质的结构数据。GenBank是目前全球最为著名的生物大分子数据库。 3．通过基因改造生产目标蛋白质 (1)基因的体外定向突变 ①适用对象：掌握了基本结构信息的蛋白质。 ②类型 目的 方法 大面积的定向突变 基因全合成 单一或少数几个突变位点的基因定向突变 引物定点引入法 ③定点诱变法的过程示意图 (2)非定点诱变技术 适用对象 不能预先确定诱变位点的蛋白质 缺点 目的性和针对性不够强 优点 由于突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果 (二)蛋白质工程的设计思路与应用 1．设计思路：对于已知空间结构的蛋白质，可以采用定点诱变技术，通过改变其结构便可有目的地改造蛋白质的功能。例如，将人胰岛素B链第28位的脯氨酸残基、第29位的赖氨酸残基分别改为赖氨酸残基和脯氨酸残基，便可获得单体速效胰岛素，这样便能避免胰岛素分子形成聚合体，以保证其效能的及时发挥。 2．应用 目的 思路 实例 提高蛋白质(酶)的稳定性 在蛋白质分子中引入二硫键 向T4溶菌酶引入二硫键能提高T4溶菌酶的热稳定性 转换氨基酸残基 酵母菌的丙糖磷酸异构酶的两个亚基中各含有两个天冬酰胺残基，分别用苏氨酸和异亮氨酸残基替代，大幅度提高了酶的热稳定性 改善酶的催化活性 转换氨基酸残基、删除末端部分氨基酸序列或某些肽段等 将嗜热芽孢杆菌酪氨酰—tRNA合成酶分子中的一个苏氨酸残基改变为丙氨酸或脯氨酸残基时，酶的活性大幅提高 消除酶的被抑制特性 转换氨基酸残基 将枯草芽孢杆菌蛋白酶分子中第222位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基，酶的活性将不再受漂白剂的抑制 [微提醒] 通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造优势 (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能会遗传下去。 (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。 [核心要点点拨] 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 预期新蛋白质功能 获取目的基因 过程 预期新蛋白质的功能→设计蛋白质结构→设计对应的氨基酸序列→改造或合成相关DNA序列→合成出新蛋白质 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因及其表达产物的检测鉴定 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 可以创造出自然界中不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质 应用及现状 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如胰岛素、T4溶菌酶和丙糖磷酸异构酶等；②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少 ①已被广泛应用，如转基因植物、动物、药品生产等已商业化；②基因治疗仅处于初期的临床试验阶段 联系 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程技术合成新的蛋白质，因此基因工程是蛋白质工程的关键技术； ②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 [典例]　(2023·常州高二期末)已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题： (1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的__________进行改造。 (2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰__________基因或合成__________基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括____________的复制，以及遗传信息在不同分子之间的流动，即______________________。 (3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过__