第4节 蛋白质工程的原理和应用（Word教参）-【优化指导】2023-2024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 不定项版）

第4节　蛋白质工程的原理和应用 课时目标 1.运用结构与功能观，说明蛋白质工程设计的原理。(生命观念) 2．基于蛋白质工程的实例，采用模型与建模等方法表示蛋白质工程的基本思路。(科学思维) 3．认同蛋白质工程在农业、医药工业及其他工业生产中有很大的应用价值。(社会责任) [对应学生用书P93] 一、蛋白质工程的概念及其崛起的缘由 1．蛋白质工程的概念 (1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。 (2)手段：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)目的：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。 2．蛋白质工程崛起的缘由 (1)崛起缘由 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：基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。 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。 (2)实例——改造天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶 ①蛋白质缺陷：这两种酶是玉米细胞中合成赖氨酸的关键酶，它们的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。 二、蛋白质工程的基本原理和应用 1．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：改造或合成基因。 (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。 2．蛋白质工程的应用 (1)医药工业方面 ①科学家通过对胰岛素基因的改造，研发出速效胰岛素类似物产品。 ②将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在一定条件下，可以延长保存时间。 ③人—鼠嵌合单克隆抗体：降低鼠单克隆抗体诱发免疫反应的强度。 (2)其他工业方面 用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。 (3)农业方面 ①科学家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。 ②科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，增强微生物防治病虫害的效果。 ◆名师点睛 1．蛋白质结构和功能的决定因素 (1)氨基酸的种类、数目和排列顺序。每一种蛋白质都有独特的氨基酸序列，所以改变其中的关键氨基酸就能改变蛋白质。氨基酸是由密码子决定的，只要改变密码子的一个或两个碱基，氨基酸的种类就可能发生变化。 (2)蛋白质的空间结构。由于肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构千差万别，组成的蛋白质分子结构极其多样。 2．蛋白质工程的改造与表达 (1)遗传性问题：改造了基因即对蛋白质进行了改造，改造过的蛋白质可以遗传。如果对蛋白质直接改造，被改造的蛋白质是无法遗传的。 (2)表达的场所：改造后的基因需要导入受体细胞才能表达出相应的蛋白质。 (3)编码区的问题：基因突变得到的新基因中含有不编码蛋白质的序列，蛋白质工程得到的新基因中则没有。 ◆思维启迪 1．为什么蛋白质工程是一项难度很大的工程？ 提示：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。 2．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？ 提示：蛋白质工程的最终目的是改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，以满足人类的需求。 ◆概念检测(对的画“√”，错的画“×”) 1．蛋白质工程是指通过直接改造现有蛋白质而生产出符合人类需求的新的蛋白质的工程技术。(　　×　　) 2．基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而这种蛋白质不一定完全符合人们生产和生活的需要。(　　√　　) 3．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。(　　√　　) 4．蛋白质工程只能生产自然界已有的蛋白质。(　　×　　) 5．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。(　　√　　) [对应学生用书P94] 任务 蛋白质工程及其与基因工程的比较 1．蛋白质工程为什么需要改造基因，而不直接改造蛋白质？ 答案：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，而且可以遗传下去；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。 2．基因工程和蛋白