第4节 蛋白质工程的原理和应用的学案-2023-2024学年高二下学期生物人教版选择性必修三

第4节蛋白质工程的原理和应用的学案 【学习目标】 (一)学习目标 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的基本原理。 【学习重难点】 (一)学习重难点 教学重点 基因工程在农牧业、食品、环保以及医药领域的应用 教学难点 l.理解CAR-T、CRISPR/Cas等前沿科技的基本原理 2.体会基因工程在各领域的改造思路。 【预习新知】 (一)蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 (1)研发速效胰岛素类似物 天然蛋白质易形成二聚体或六聚体→预期功能： 胰岛素的聚合作用→设计结构：改变B 链第20~29位氨基酸组成→推测序列：B28位脯氨酸替换为 或将它与B29位的 交换位置→改造形成新胰岛素基因→转录形成RNA→翻译形成多肽链→折叠 形成 →行使功能：有效 胰岛素的聚合。 (2)延长干扰素体外保存时间 天然干扰素不易保存一→预期功能： 保存时间→设计结构：氨基酸替换→推测序列：一个 半胱氨酸变成 →改造形成新干扰素基因→转录形成mRNA→翻译形成多肽链→ 折叠形成 →行使功能：在 下可以保存半年。 (3)降低人对小鼠单抗隆抗体的免疫反应 通过 将小鼠抗体上结合 的区域（即可变区）“嫁接”到人的 (即 恒定区)上，经过这样改造的抗体诱发免疫反应的强度就会 很多。 2其他工业方面 蛋白质工程被广泛用于 或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解 蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的 突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使 用价值。 3农业方面 (1) 某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。 (2)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 ,使它防 治病虫害的效果 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 而这种 往往十分复杂。要设计出更加符合 的蛋白质， 还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。 【易错提示】 (一)易错提示 1.蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因有： (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，而且可以遗 传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。 2.基因工程和蛋白质工程的区别 (1)通过基因判断：若基因的编码蛋白序列未经改造，则为基因工程，反之，则为蛋白质工程。 (2)通过蛋白质判断：若生产出的蛋白质是天然蛋白质，则为基因工程，反之，则为蛋白质工 程。 3.基因工程和蛋白质工程的联系：两种工程都是在分子水平上对基因进行操作，目的都是合 成相应的蛋白质，蛋白质工程是以基因工程为基础的。 【深化探究】 (一)深化探究 蛋白质工程与基因工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 起点 预期蛋白质功能 目的基因 区 预期蛋白质功能·设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→ 获取目的基因→构建基因表达 别 过程 推测脱氧核苷酸序列一→合成DNA→表达出蛋白质 载体→导入受体细胞一目的基 因的检测与鉴定 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 可以创造出自然界不存在的蛋白质 生产自然界已存在的蛋白质 ①主要集中在对现有蛋白质进行改造，如干扰素、天冬 ①已被广泛应用，如转基因植物 应用及 氨酸激酶和二氢比啶二羧酸合成酶等 动物、药品生产等己商业化 现状 ②对创造新的蛋白质还有许多技术难题未突破，因为蛋 ②基因治疗仅处于初期的临床 白质高级结构非常复杂，人们对此知之甚少 试验阶段 ①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质 联系 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 合作探究：(1)为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？ 提示：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 质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。②对基 因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。 (2)蛋白质工程的操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？ 提示：基因工程操作程序的基本思路遵守中心法则，从DNA→mRNA→多肽→折叠产生蛋白质，基本上是 生产出自然界中已有的蛋白质。蛋白质工程是按照相反的思路进行的，确定蛋白质的功能一蛋白质应用的 高级结构→蛋白质具备的折叠状态→应有的氨基酸序列→基因中的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋 白质。 【巩固训练】 (一)巩固训练 1.科学家将葡萄糖异构酶的第138位甘氨酸用